一種激光脈沖波形測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種激光脈沖波形測量裝置。所述裝置的入射激光依次經過取樣反射鏡和縮束系統，入射到波導，波導內的刻劃光柵對激光脈沖進行取樣，產生衍射光束，多個光柵基板對光束不斷延時，從波導出射的光束變成空間上分開，時間上彼此之間具有固定延時的脈沖序列，從波導出射的光束再經過成像系統進入光開關、偏振片和CCD探測器，光開關和偏振片對激光脈沖序列進行選通，獲得脈沖波形不同時間門的取樣，由CCD探測器得到強度-空間信息，并轉換為電信號進行數字化傳輸，計算機對數字化信號進行空間到時間的變換，構建強度-時間信息而獲得脈沖時間波形。
【專利說明】一種激光脈沖波形測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于脈沖時間特性測試領域，主要涉及一種激光脈沖波形測量裝置。
【背景技術】
[0002]激光脈沖波形是高功率激光裝置的一個重要性能參數。高功率激光裝置要求高對比度時間波形輸出，波形形狀復雜，且時間波形測量診斷點多，目前，采用光電管結合高帶寬示波器或條紋相機進行測量，這兩種方法可以直接測量上百皮秒的激光脈沖時間波形，然而對于高峰值強度的脈沖測量來說它的動態范圍小；條紋相機作為主要的時間波形精密測量工具，最好的時間分辨率可以達到皮秒量級，為了對光束掃描，需要多次能量轉換，其組成復雜，需要條紋管、像增強器和偏轉電極等元器件，這使得條紋相機價格昂貴，采用條紋相機的主要問題也是它的動態范圍有限，條紋管限制了條紋相機動態范圍，當然可以通過增加相機的個數提高動態范圍，這樣使得測試變得復雜而增加成本。采用光電管或條紋相機測量高功率激光器時間波形的另一主要問題是受限于示波器或條紋相機的測量通道，對應多個測量點需要的測試設備數量多，測量成本高。
【發明內容】
[0003]為了克服現有的激光脈沖時間波形測量方法中的不足，本發明提供一種激光脈沖波形測量裝置。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:入射激光依次經過取樣反射鏡和縮束系統，入射到波導，波導內的刻劃光柵對激光脈沖產生衍射光束，從而進行光束取樣，多個光柵陣列將激光脈沖分成在空間不同位置的脈沖系列，光柵基板使得脈沖通過光柵基板材料的光程大于脈沖持續時間，光束通過多個光柵基板而得到多個不同延時的脈沖，從波導出射的光束是空間上陣列排布、時間上彼此之間具有固定延時的脈沖序列，光束再經過成像系統進入光開關、偏振片和CCD探測器，光開關和偏振片對激光脈沖序列進行選通，獲得脈沖波形不同時間門的取樣，由CCD探測器得到強度-空間信息，并轉換為電信號進行數字化傳輸，計算機對數字化信號進行空間到時間的變換，構建強度-時間信息，從而獲得脈沖時間波形。
[0005]本發明的有益效果是，采用波導光柵延時取樣和光快門選通實現脈沖時間-空間的轉換，CCD探測器獲得不同空間位置光束強度，經過空間-時間變換得到高動態范圍的時間脈沖波形。時間波形對比度可以達到1000:1，時間分辨優于幾十皮秒；由于測量模塊元件少，成本低，易于集成化，適用于診斷點較多的甚多路激光系統時間波形和精密功率平衡等時間參數的測試；采用CCD作為探測器，標定簡單，使用方便。由于其動態范圍高，結構簡單而易于集成，有望成為高功率激光裝置時間診斷的理想產品而占領市場。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1是本發明的激光脈沖波形測量裝置的結構示意圖； 圖2是所述的波導側視圖；
圖3是所述的光在波導中傳輸示意圖；
圖中，1.入射激光2.取樣反射鏡3.縮束透鏡4.波導5.成像系統6.光開關7.偏振片8.CXD探測器9.計算機10.刻劃光柵11.衍射光束12.光柵基板13.45°反射面。
【具體實施方式】
[0007]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0008]如圖1所示，入射激光I依次經過取樣反射鏡2和縮束系統3，入射到波導4，波導4內的刻劃光柵10對激光脈沖進行取樣，產生衍射光束11，采用光柵陣列將激光脈沖分成在空間不同位置的脈沖系列，光柵基板12使得脈沖通過光柵基板12材料的光程大于脈沖持續時間，多個光柵基板對光束不斷延時，從波導4出射的光束變成空間上分開，時間上彼此之間具有固定延時的脈沖序列，光束再經過成像系統5進入光開關6、偏振片7和CXD探測器8，成像系統5將從波導4中取樣的光束縮束成像到CCD探測器8，波導4作為物面成像到CXD探測器8 ；當光開光6 “開”狀態，光束偏振態旋轉90°通過偏振片7進入到CXD探測器8 ;當光開光6 “關”狀態,光束偏振態不偏轉,光束通過偏振片7反射；光開關6和偏振片7對激光脈沖序列進行選通，獲得脈沖波形對于一定時間門的穩定圖像；CCD探測器8得到強度-空間信息，并轉換為電信號進行數字化傳輸，計算機9對數字化信號進行空間到時間的變換，將電信號轉換為數值化得光信號用于分析計算和圖形顯示，得到強度一時間信息，計算機9編程對數字信號處理構建被測激光脈沖形狀。
[0009]波導4結構設計是非常重要的，波導4是一個密集的方基板，波導4可以在結構上微小化，可達到60_X60mm,厚度5mm,在某一瞬時,入射激光I脈沖沿著光束傳輸方向的能量取樣通過波導4內多個刻劃光柵10陣列實現，見圖2，波導4中的刻劃光柵10使光不斷通過各個光柵基板12通道而提取少量光能，多個刻劃光柵在空間依次排布將脈沖分割成許多不同的延遲取樣光束，可能有幾十到幾百個取樣光束，入射激光I通過多個刻劃光柵后，光束彼此之間具有固定的時間延時，時間間隔可達到幾個皮秒，取樣光束以相同的偏振態進入CCD探測器8。為了保證取樣光束強度基本一致，沿著光傳輸方向的刻劃光柵10刻劃深度逐步增加，以補償前一個取樣后剩余的能量減少，而保持通過波導4的取樣光束強度基本一致；刻劃光柵10刻劃深度由光波長確定，刻劃深度決定了發生衍射的光波長和衍射對應的能量，刻劃光柵10的光柵常數選取也要考慮被取樣的衍射光束11的出射角度。
[0010]波導4材料選擇是非常重要，波導4材料要求能夠傳輸被測量波長的光束，設計的刻劃光柵10的光柵基板12使得脈沖通過光柵基板12材料的光程大于脈沖持續時間,波導4材料折射率要高，如ZnSe、鍺(germanium)或玻璃,使光的傳播速度變慢，當然，一般的光學玻璃可用于較短時間延遲的脈沖。例如，測試波長為1053nm的長脈沖(10ns)激光束，可以采用高折射率材料，如ZnSe，這樣增大了在同樣幾何長度光學材料中傳輸的光束光學長度。波導4材料要有足夠硬度，要容易在表面刻劃、容易機械加工或者壓膜。圖3給出激光通過波導4的路線，為了減少波導4的體積，在波導4邊緣通過45°全反射鏡反射激光束，波導4包含45°反射面13，在波導4中，隨著激光脈沖通過波導4，鑲嵌在波導4中的刻劃光柵10不斷增加。
[0011]光快門選通利用光開關6的“開” “關”狀態下光束偏振態發生變化實現。由于具有一定的偏振態的光束經過波導4通道不改變其偏振態，來自波導4的所有光線有同樣的偏振態；光開關6可以采用普克盒或其它光敏感材料用于轉動光束的偏振態，如用光克爾效應照明激光光束，利用光克爾快門選通對脈沖序列進行選通。如果光開關6處于“開”狀態，它引起偏振態變化90°，偏振片7讓光通過，光通過它之后偏振態將不改變，作用也就等效于光學透明板；當光開關6處于“關”狀態，偏振片7阻擋這種偏振態的所有光，光從偏振片反射并由光束垃圾桶吸收，這樣沒有光束到達CCD探測器8。光開關6的快門上升(門)動作時間決定了裝置的時間分辨率，要盡可能使其短，快的上升時間是諸如光克爾效應的重要特性，即要很快達到“開”狀態，關的時間很容易實現，只要關閉電壓。在實際應用中，由于要求當快門“關”狀態，相機完全看不到光，可能需要很多偏振片，常用的一片偏振片會泄露大約1/100光能，用兩個偏振片將增加到約1/10000。光開關6的直徑可以在約3mm，偏振片7的尺寸選擇與光開關6大致相同。由于光開關6時間不是無限短，測量值是光開關6門開關時間內能量的積分值，編寫計算程序根據CCD探測器8采集的光斑灰度得到在多個像素的能量疊加。
[0012]從波導4出射的多個光束陣列通過成像系統5，縮束成像到CXD探測器8的接收面，成像系統5的光學設計應保證多個光斑在CXD探測器8上應該沒有互相重疊干擾。
[0013]CCD探測器8的動態范圍為輸入信號滿量程范圍(即CCD滿阱電荷容量)與所能分辨的最小信號(由讀出噪聲決定)的比值，目前的CCD探測器，尤其是科學級CCD的動態范圍高達10000:1，為了盡量利用CCD探測器8的動態范圍，在線性響應區內，將放大器增益調至最低處，從而抑制了噪聲，使輸出信號達到最高信噪比。為了增大CCD探測器8動態范圍，容易提取特征信息，希望最小信號越大越好。如果最小信號變大，最大信號也要變大，甚至飽和，最大信號飽和將帶來很大的誤差，采樣點值全部偏大(或偏小)，使描述的被測信號發生畸變，故要控制輸出光強，使最大信號接近飽和但不能飽和。
[0014]光束經過波導4的時空轉換、傳輸成像，進入CXD探測器8，能量轉換環節中影響因素很多，實驗前要光束經過測試系統的空間強度分布進行標定。首先標定CCD探測器8測量平均暗輸出，將C⑶探測器8預熱后，置于全黑環境采集一幅圖像，將所有像元灰度值平均。然后，采用均勻光場，如積分球，直接照射波導4，CCD探測器8記錄相應的輸出，給出由于波導光柵衍射效率不一致、波導材料吸收損耗、光學成像系統、CCD探測器8面陣探測器響應不均勻性等因素影響的輸出標定值，實際測試時對CCD探測器8每一個區域進行修正。
[0015]測量中要對雜散光進行控制，可以將整個測試系統封閉起來，并在CCD探測器8入口前加一個光闌以遮擋雜散光進一步提高系統的動態范圍。
[0016]對于多路光束時間波形的同時測量，可以將上述一套波導元件如同單片集成電路單元一樣進行集成安裝。由于測量涉及的元件少，成本低，易于集成化，可大批生產集成。
【權利要求】
1.一種激光脈沖波形測量裝置，其特征在于:所述裝置中的入射激光(I)依次經過取樣反射鏡(2)和縮束透鏡(3)，入射到波導(4)，波導(4)內的刻劃光柵(10)對激光脈沖進行取樣，產生衍射光束(11)，光柵基板(12)對光束延時,米用光柵陣列將激光脈沖分成在空間不同位置的脈沖系列，從波導(4)出射的光束變成空間上分開，時間上彼此之間具有固定延時的脈沖序列，光束再經過成像系統(5)進入光開關(6)、偏振片(7)和CXD探測器(8)，成像系統(5)將從波導(4)中取樣的光束縮束成像到CXD探測器(8);當光開光(6) “開”狀態，光束偏振態旋轉90°通過偏振片(7)進入到CXD探測器(8);當光開光(6) “關”狀態，光束偏振態不偏轉，光束通過偏振片(7)反射；光開關(6)和偏振片(7)對激光脈沖序列進行選通，獲得脈沖波形對于一定時間門的穩定圖像；(XD探測器(8)得到強度-空間信息，并轉換為電信號進行數字化傳輸，計算機(9)對數字化信號進行空間到時間的變換，將電信號轉換為數值化得光信號用于分析計算和圖形顯示，得到強度一時間信息，計算機(9)編程對數字信號處理構建被測激光脈沖形狀。
2.權利要求1所述的激光脈沖波形測量裝置，其特征在于:所述沿著入射激光(I)傳輸方向的刻劃光柵(10)的光柵刻劃深度逐步增加，以補償能量損耗，而保持通過波導(4)的衍射光束(11)強度一致。
3.根據權利要求1所述的激光脈沖波形測量裝置，其特征在于:所述波導(4)為方形。
4.根據權利要求1所述的激光脈沖波形測量裝置，其特征在于:所述波導(4)材料是ZnSe，鍺或光學玻璃。
5.根據權利要求1所述的激光脈沖波形測量裝置，其特征在于:所述波導(4)中設置的反射面成45°角。
【文檔編號】G01J11/00GK103837241SQ201410115538
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】孫志紅, 董軍, 夏彥文, 彭志濤 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心