基于四波混頻掃描式超短激光脈沖時域對比度測量儀的制作方法

本發明涉及一種超短激光脈沖時域對比度測量技術，是一種基于頻率非簡并四波混頻(或拉曼效應)的掃描式超短激光脈沖時域對比度測量方法和相應測量儀器裝置。

技術背景

1985年啁啾脈沖放大技術的出現，迅速提升了激光脈沖的峰值功率，高能量的激光脈沖在激光聚變、粒子激光加速和高能輻射源等領域有著重要應用，而隨著激光脈沖峰值功率的提高，激光脈沖的對比度這一參數也越來越重要。激光脈沖對比度定義為激光主脈沖的強度與其脈沖前沿的噪聲信號強度的比值。如果激光的峰值強度達到10²²w/cm²，即使對比度達到10¹⁰，它的噪聲的峰值強度仍然可能達到10¹²w/cm²，物質在這么高的峰值強度的作用下會產生等離子體，而等離子體對激光脈沖具有很高的反射率，因此就會阻擋后續的主脈沖，影響主脈沖和物質的相互作用。為了更好的研究激光脈沖的對比度，對脈沖對比度大小的準確測量十分重要。

目前激光脈沖對比度的測量通常是測量待測光和取樣光的相關信號的強度隨他們之間的延遲時間的變化，主要方法是采用兩級二階非線性過程的三階互相關方法，并且已經有相關商品化的三階互相關儀sequoia(amplitudetechnology)。這三階互相關方法的測量原理是待測光先被分束鏡分為兩束，一束光通過bbo晶體倍頻獲得高對比度的取樣光，再在另一bbo中和待測光和頻作用從而獲得互相關信號并使用高動態范圍的光電倍增管作為信號光的接收器，也就是通過兩次二階非線性過程獲得最終的三階非線性互相關信號光。sequoia對比度的測量動態范圍在10¹¹左右，一定程度上可以滿足研究人員的要求并得到了廣泛的應用。這種裝置也存在一些不足，包括：1)，為了獲得三階互相關信號光，裝置采用了先倍頻再和頻的兩步走設計，即通過兩次二階非線性過程獲得三階非線性互相關信號光，裝置比較復雜且非線性晶體bbo價格較貴；2)，通過先倍頻再和頻獲得的三階互相關信號光能量比較弱且其波長處于深紫外范圍，對探測器性能的要求比較高；3)，由于倍頻以及和頻晶體的相位匹配限制，待測光波長范圍也有一定的限制。

技術實現要素：

為了解決目前掃描式對比度測量三階互相關儀的不足，本發明采用單次四波混頻這個三階非線性過程替代兩級二階非線性過程直接獲得互相關信號光，大大精簡化了實驗裝置并提高了系統的穩定性；而通過使用柱面鏡聚焦參與四波混頻的入射光，提高了三階互相關信號光的能量且避免打壞三階非線性介質材料；同時四波混頻過程所需要的非線性介質材料可以為任意透明材料，拓展了非線性介質材料的選擇范圍，從而擴展了待測光的光譜范圍，提高了材料的破壞閾值等。

本發明原理如下：

待測激光脈沖通過分光鏡(比如濾光片)，將激光分解為兩束頻率不同的激光脈沖，這兩束頻率不同的激光脈沖以一定角度入射聚焦到三階非線性材料上，由于四波混頻效應(或拉曼效應)產生兩束與入射激光頻率不同且傳播方向不同的四波混頻(拉曼)信號光束。由于這一過程是三階非線性過程，可以直接等效于三階互相關光學過程，產生的信號光強度直接反映了入射激光的時域對比度。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于四波混頻掃描式超短激光脈沖時域對比度測量儀，特征在于其構成包括分束片、短通濾波片、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、電動平移臺、第五平面反射鏡、第一柱面鏡反射、第二柱面鏡反射鏡、三階非線性晶體、衰減片、濾波片、探測器和計算機；

在入射光路上設置的分束片，該分束片將入射光分為反射光和透射光，所述的透射光依次經過短通濾波片、第一平面反射鏡和第二平面反射鏡后，入射到第一柱面反射鏡，所述的反射光依次經過第三平面反射鏡、第四平面反射鏡和第五平面反射鏡后，入射到第二柱面鏡反射鏡，所述第一柱面鏡反射和第二柱面鏡反射將兩束入射光反射聚焦并重合于三階非線性晶體中；

所述第三平面反射鏡第四平面反射鏡位于電動平移臺上，所述計算機控制所述電動平移臺的移動，使得入射到三階非線性晶體中的入射光脈沖時間重合，從而在非線性過程作用下產生三階互相關信號，該三階互相關信號經過衰減片和濾波片最終入射到探測器中，計算機接收并分析處理所述探測器獲得的三階自相光信號的強度信息；每移動一次電動平移臺，記錄一次所述互相關信號光的強度信息，從而得到脈沖的對比度信息。

所述的互相關信號的產生是在一個三階非線性過程的作用產生。

本發明的有益效果是：

1，基于單級非簡并四波混頻在三階非線性介質中直接獲得與入射光束頻率不重合的四波混頻信號光，裝置更加簡單，穩定性更高，所使用的元件和非線性介質材料經濟便宜；

2，四波混頻所需的三階非線性介質材料可以為任意透明材料擴展了待測光的波長范圍；

3，使用柱面鏡聚焦參與四波混頻的入射光，提高了三階互相關信號光的能量且避免打壞三階非線性晶體，提升了測量的動態范圍；

4，三階互相關信號光波長處于可見光區域，使得探測器的選擇更加靈活和多樣化。

附圖說明

圖1基于四波混頻掃描式對比度測量裝置簡略圖

圖2基于四波混頻掃描式對比度測量裝置脈沖對比度測量結果

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的說明，但是不應以此限制本發明的保護范圍。如圖1所示，一種掃描式脈沖對比度測量系統，特征在于其構成包括：在入射光路上設置分束片1，該分束片1將入射光分為反射光和透射光，所述的透射光經過短通濾波片2，第一平面反射鏡3，第二平面反射鏡4，第一柱面反射鏡9之后在水平方向聚焦，所述的反射光經過第三平面反射鏡5，第四平面反射鏡6，第五平面反射鏡8，第二柱面鏡反射鏡10之后也在水平方向聚焦，所述第三平面反射鏡5和所述第四平面反射鏡6位于電動平移臺7之上，所述第一柱面鏡反射9和第二柱面鏡反射10最終把入射光反射聚焦并重合于三階非線性晶體11中，調節入射脈沖時間空間重合，從而在非線性過程作用下產生互相關信號，所述互相關信號經過衰減片12和濾波片13最終入射到探測器14中，一臺計算機15控制電動平移臺7的移動并接收和分析處理上述探測器14獲得的上述自相光信號的強度信息，每移動一次電動平移臺7，記錄一次信號光的強度信息，從而得到脈沖的對比度信息。

下面列舉一個具體使用實例，使用本發明測量鈦寶石再生放大器中出射的1khz，37fs，4w，800nm飛秒激光脈沖的對比度，為了驗證測量的準確性待測脈沖首先經過一枚1mm厚的石英玻璃片在脈沖后沿引入一個小脈沖。此后待測光經過一個截止頻率800nm的分束片分成反射光和透射光，反射光的波長成分大于800nm，透射光的波長成分小于800nm；透射光經過一枚短通濾波片進一步濾除部分長波長光譜成分，這樣可以使得最終獲得的互相關信號光與雜散噪聲光的頻率成分不同，方便濾波；之后透射光再經過第一第二介質平面反射鏡后入射到一片焦距500mm的鍍銀柱面反射鏡；反射光經第三第四第五平面反射鏡后也入射到另一枚焦距500mm的鍍銀柱面反射鏡，第三第四平面反射鏡搭建在一個電動平移臺上，電動平移臺在計算機的控制下可以沿著光束的入射方向移動；經兩枚柱面反射鏡反射的上述反射光和透射光最終在一枚位于柱面反射鏡焦點處厚度0.15mm的石英玻璃片中重合，光斑重合大小為15mm*200μm，空氣中交叉角度為2°，調節電動平移臺，使得入射到玻璃片中的入射光脈沖時間重合，可以在入射光兩側看到多個光斑的產生，這些光斑就是基于四波混頻獲得的互相關信號光。選取一級頻率上轉換信號光作為三階互相關信號光，所獲得的三階互相關信號光經過衰減片和濾波片后入射到一臺cmos相機，衰減片是為了使入射光的強度不要超過cmos的測量動態范圍，濾波片的作用是去除雜散噪聲對互相關信號光的影響。調節電動平移臺的移動，電動平移臺每次移動0.01mm，同時采集記錄一次相應的互相關信號光的強度，最終可獲得入射脈沖的對比度測量信息。圖2所示為本發明測量的放大器出來的激光脈沖對比度結果圖。圖2中a所示部分為沒有互相關信號光入射的時候探測器探測的自身噪聲強度，相對于主脈沖強度為2.4*10^-10，表明了探測器的探測能力在10^-10量級；b所示為脈沖的主脈沖；c所標示的為1mm厚度的石英玻璃片經過前后表面反射所引進的小脈沖，我們的探測結果表明它位于脈沖后沿10.6ps處，相對主脈沖強度為1.7*10^-3，與理論計算值相符合，驗證我們測量裝置測量的準確性；圖2中d和e處的小脈沖是待測光自身的后沿噪聲小脈沖，可能是鈦寶石放大器中一些光學元件的前后表面反射引入的小脈沖，他們分別位于21.4ps和24.8ps處，強度相對于主脈沖分別為1.8*10^-3和0.6*10^-3；而圖2中f和g處小脈沖應該是激光脈沖的光學元件前后表面二次反射，他們的位置是分別是位于脈沖后沿42.9ps和49.6ps處，是d和e小脈沖位置的二倍，強度相對于主脈沖分別為2*10^-6和4.6*10^-7，約是d和e小脈沖相對主脈沖強度值的平方，這也和理論計算結果相切合，進一步驗證測量結果的準確性。本發明裝置通過使用四波混頻來產生互相關信號光，結構簡單，操作方便，測量結果準確，在對比度測量領域具有很好的應用前景。