本發明專利技術屬于激光技術領域，具體為一種基于高階準位相匹配互相關的脈沖信噪比單次測量方法及其裝置。高階準位相匹配的引入，很好地解決了傳統測量方法中測量窗口、分辨率和保真度不能同時滿足的問題。基于高階準位相匹配原理，我們設計了兩類互相關構型：同側互相關和側向互相關。這兩種測量構型都可以實現大窗口、高分辨率和高保真度的測量。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于激光
，具體為ー種基于高階準位相匹配互相關進行信噪比單次測量的方法及其裝置。
技術介紹
在強激光與物質相互作用領域，脈 沖信噪比是ー個主要關心的問題。如果前沿脈沖或本底的強度高達101° W/cm2，那么它們就會在主激光脈沖達到之前與物質進行相互作用，從而會改變物質靶的物理特性。鑒于此，信噪比的測量尤為重要。由于目前的高強度激光系統普遍工作在低重復率下，甚至無重復率(即單次)，需要ー種技術能夠進行脈沖信噪比的實時測量，以便于激光系統的優化和信噪比的提升。盡管掃描型的信噪比測量技術已經很成熟而且已經商品化，實際可用的單次測量技術仍然面臨很大的挑戰。目前世界上還沒有ー種技術可以同時實現大窗ロ、高分辨率、高保真度和高動態范圍的信噪比單次測量，而這四個方面恰恰是實際信噪比測量最為關心的指標。對于ー個信噪比單次測量裝置來說，最主要的是兩個部分相關過程和探測系統。探測系統主要決定測量的動態范圍，而且目前已有基于光纖陣列和光電倍增管的探測系統(美國專利us 8，071，934 B2)可以提供超靈敏的測量。剩余的三個指標(時間窗ロ、分辨率和保真度)主要由相關過程來決定。目前的技術可以分別對其中ー個指標優化，犧牲其余兩個指標。比如傾斜脈沖前端可以增大單次時間窗ロ，但也會降低測量分辨率。分辨率和保真度之間也存在不可調和的矛盾。薄晶體可以支持高分辨率，但光在其前后面的反射不可避免地引入測量假信號。舉個例子，對于I mm厚的BBO晶體，以三階諧波產生互相關構型，測量1054 nm脈沖信噪比，可以在20 ps/cm (即每Icm晶體寬度支持20 ps的窗ロ)的窗口內支持O. 5 ps的分別率，但是窗口內會出現反射形成的假信號，比如前沿11 ps處會出現ー級反射假信號，前沿22 ps處出現ニ級反射假信號，這些假信號會干擾信噪比的測量。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對目前信噪比單次測量尤其是相關過程的不足，提供ー種能同時實現大窗ロ、高分辨率和高保真度的信噪比單次測量方法及其裝置。本專利技術首次將高階準位相匹配(quasi-phase-matching, QPM)技術引入到信噪比單次測量中，解決了現存的各種問題，同時實現了大窗ロ、高分辨率和高保真度的測量。信噪比單次測量過程中，測量窗ロ大小主要由晶體的寬度(W)和兩作用光束(待測光和取樣光)間的夾角決定，同樣的晶體寬度下，夾角越大，窗ロ越大。此夾角不能任意地大，要受限于位相匹配條件。傳統雙折射匹配對非共線角的限制比較嚴重，從而限制了窗ロ。而準位相匹配由于引入了額外的自由度，即周期性極化的格矢，能夠很大程度地減輕位相匹配條件的限制，可以允許更大的非共線角，其位相失配可以通過極化格矢‘=2·/Λ來補償，其中Λ為極化周期，m為QPM階數。對于普通的QPM (m=l)，減小Λ可以增大非共線角，從而增大窗ロ，但增加量受到目前エ藝水平的限制(最小的極化周期為4Mm)。為了進一步增大非共線角，可以采用高階QPM (比如m=3, 5等，QPM原理決定m只能為奇數)。在同樣的極化周期下，高階QPM比普通QPM位相補償能力提高m倍，測量窗ロ可以得到大幅提聞。分辨率和保真度間的矛盾可以通過QPM結構完美解決。兩者間的矛盾主要來自于對晶體長度的相反依賴性高分辨率需要短的晶體，而高保真度要求長的晶體。常見的QPM晶體是周期性極化的銀酸鋰(periodically poled lithium niobate, PPLN),它的加工方法可以保證在一塊大的基片上只極化其中一小部分，如圖I (a)所示，極化區的長度為L1,未極化區(即鈮酸鋰基片)長度為L2。時間分辨率僅由L1來決定，而反射造成的前沿假信號的位置是由整個晶體長度(L1+L2)來決定的。這樣實際設計時可按照要求的分辨率設計L1,然后根據窗ロ大小來確定要把反射造成的前沿假信號移到什么時間位置，即再確定L2。這樣分辨率和保真度之間的矛盾就很好地解決了。L1和L2沒有嚴格的比例關系，可以根據不同的測量要求靈活地選擇。利用這種晶體設計，待測光和取樣光必須同為寬光束，而且要從晶體的同一端面入射，我們稱之為“同向互相夫”。 圖I (b)所示為基于高階QPM的第二種構型“側向互相夫”。利用這種設計，待測光為寬光束而取樣光為細光束，兩者從晶體不同端面入射。需要指出的是只有使用高階QPM這種設計才能實現，基于普通雙折射位相匹配或ー階QPM都無法實現此種構型，因為只有高階QPM才具有強大的位相失配補償能力。此時待測光束的口徑W決定著測量時間窗ロ，口徑越大窗ロ越大。而取樣光束口徑D決定測量分辨率，D越小分辨率越高。反射造成的假信號的位置由晶體寬度決定，并且在粗光束完全覆蓋晶體的境況下，取樣光反射造成的假信號一定在窗ロ之外，自動保證了高保真度。這樣，測量窗ロ、分辨率和保真度各有ー個量來決定，彼此之間沒有耦合作用，可以同時得到優化。在一定的條件下，待測光束和取樣光束的夾角可以為90°。本專利技術提供的一種基于高階準位相匹配互相關的信噪比單次測量方法，包括以下步驟 1)產生脈沖的相關信號； 2)傳輸所述的相關信號，在所述的相關信號傳輸過程中，衰減所述相關信號； 3)接收并探測步驟2)得到的衰減后相關信號，產生模擬信號； 4)轉換所述模擬信號為數字信號，再接收并處理所述數字信號得到脈沖的信噪比； 其中步驟I)中產生脈沖的相關信號的過程具體如下 其特征在于步驟I)中產生脈沖的相關信號的過程具體如下近紅外待測激光被分束器分為兩束，其中一束作為待測光束，其依次經過潛望鏡轉偏振，反射鏡反射后，經過擴束器擴束使得光束口徑接近晶體寬度，再由柱凹面鏡將其聚焦至晶體寬的端面；另ー光束用來產生取樣光束，其通過脈沖浄化器產生干凈取樣光，再經反射鏡反射，時間延時線延時后，直接由圓凹面鏡聚焦至晶體的窄端面上，或者經過擴束器擴束后再由柱凹面鏡聚焦至晶體的同一寬端面上，兩光束發生和頻互相關作用，得到相關信號； 所述晶體設計時需要滿足IΛ ，其中km為極化區的格矢，m為彡3的奇數，A為晶體極化區的周期。本專利技術中，所述脈沖浄化器選自倍頻器或光參量放大器中任ー種。本專利技術中，晶體設計時!11為> 3的奇數，所述待測光束和取樣光束在從晶體中的不同端面入射，晶體全部極化或者任意部分極化。在合適的QPM階數和極化周期下，兩光束的夾角正好為90°。本專利技術中，晶體設計時，m為>3的奇數，晶體部分極化，晶體極化區長度L1，其大小由分辨率的要求決定，晶體未極化區長度L2，其大小由保真度的要求決定。兩者沒有固定的比例關系，可以根據所需的性能要求，靈活地確定。本專利技術提供的一種實施上述基于高階準位相匹配互相關的信噪比單次測量方法的裝置，包括相關器和探測系統，所述相關器包括分束器、潛望鏡、反射鏡、擴束器、時間延時線和脈沖凈化器。分束器和測量晶體之間有兩路光，一路為潛望鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第一擴束器和第一柱凹面鏡依次放置；另外一路為脈沖浄化器、第一反射鏡、時間延時線和凹面鏡依次放置，或者另一路光路為脈沖凈化器、第一反射鏡、時間延時線、第二擴束器和第二柱凹面鏡依次放置。 本專利技術采用“側向互相關器”進行了原理驗證試驗，測量了鈦寶石再生放大器輸出脈沖(中心波長800 nm)的信噪比。實驗中采本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于高階準位相匹配互相關的信噪比單次測量方法，包括以下步驟：1）產生脈沖的相關信號；2）傳輸所述的相關信號，在所述的相關信號傳輸過程中，衰減所述相關信號；3）接收并探測步驟2)得到的衰減后相關信號，產生模擬信號；4）轉換所述模擬信號為數字信號，再接收并處理所述數字信號得到脈沖的信噪比；其特征在于：步驟1）中產生脈沖的相關信號的過程具體如下：近紅外待測激光被分束器分為兩束，其中一束作為待測光束，其依次經過潛望鏡轉偏振，反射鏡反射后，經過擴束器擴束使得光束口徑接近晶體寬度，再由柱凹面鏡將其聚焦至晶體寬的端面；另一光束用來產生取樣光束，其通過脈沖凈化器產生干凈取樣光，再經反射鏡反射，時間延時線延時后，直接由圓凹面鏡聚焦至晶體的窄端面上，或者是經過擴束器擴束后再由柱凹面鏡聚焦至晶體的同一寬端面上，兩光束發生和頻互相關作用，得到相關信號；所述晶體設計時需要滿足？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？,？其中km為極化區的格矢，m為≥3的奇數，Λ為晶體極化區的周期。2012103426115100001dest_path_image001.jpg...
【技術特征摘要】
1.一種基于高階準位相匹配互相關的信噪比單次測量方法，包括以下步驟 1)產生脈沖的相關信號； 2)傳輸所述的相關信號，在所述的相關信號傳輸過程中，衰減所述相關信號； 3)接收并探測步驟2)得到的衰減后相關信號，產生模擬信號； 4)轉換所述模擬信號為數字信號，再接收并處理所述數字信號得到脈沖的信噪比； 其特征在于步驟I)中產生脈沖的相關信號的過程具體如下近紅外待測激光被分束器分為兩束，其中一束作為待測光束，其依次經過潛望鏡轉偏振，反射鏡反射后，經過擴束器擴束使得光束口徑接近晶體寬度，再由柱凹面鏡將其聚焦至晶體寬的端面；另一光束用來產生取樣光束，其通過脈沖凈化器產生干凈取樣光，再經反射鏡反射，時間延時線延時后，直接由圓凹面鏡聚焦至晶體的窄端面上，或者是經過擴束器擴束后再由柱凹面鏡聚焦至晶體的同一寬端面上，兩光束發生和頻互相關作用，得到相關信號； 所述晶體設計時需要滿足 km = 2Km(k ，其中km為極化區的格矢，m為彡3的奇數，Λ為晶體極化區的周期。2.根據權利要求I所述的基于高階準位相匹配互相關的信噪比單次測量方法，其特征...
【專利技術屬性】
技術研發人員：錢列加，馬金貴，王永志，袁鵬，謝國強，朱鶴元，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：
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