[发明专利]基于非谐波长波长取样光的脉冲信噪比单次测量装置

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种进行脉冲信噪比单次测量的装置。

背景技术

高强度飞秒啁啾脉冲放大（CPA）系统尽管已经取到了巨大的发展，但仍然面临几个重大的挑战，其中之一便是如何获得足够高的脉冲前沿信噪比。目前，高功率激光的强度已经达到了聚焦光强10²² W/cm²，为了防止脉冲前沿旁瓣产生预等离子体，就要求激光脉冲的前沿信噪比至少要大于10¹¹:1。随着激光聚焦光强继续增大，对信噪比的要求也进一步提高。这在挑战脉冲净化技术的同时也在挑战脉冲测量技术。

脉冲信噪比测量主要基于非线性相关技术，即用一干净的取样脉冲与待测脉冲在非线性晶体内进行和频（SFG）或差频（DFG）形式的互相关，通过测量得到的三阶信号或闲散光对时间延迟的依赖关系便可得到待测脉冲的信噪比曲线。干净的取样光基本都是由待测光的倍频（SHG）产生。目前在扫描型测量中动态范围已经达到10¹¹，而且已经有了商品化的产品。但是由于大多数高强度CPA系统脉冲重复率很低甚至无重复率，因此必须发展信噪比的单次测量技术。

在信噪比单次测量装置中，必须采用“时间-空间”的编码来得到一定的单次时间窗口，而且需要能够并行探测的多元探测器。与扫描型测量装置相比，这两个要求限制了单次测量装置的性能。对单次信噪比测量装置而言，最重要的三个指标是时间窗口、动态范围和分辨率，而目前这三个指标很难同时满足所需的要求。比如有研究者通过光栅使脉冲前端倾斜或使用法布里-珀罗标准具产生分离的取样脉冲，单次测量的时间窗口可以达到200 ps, 可是由于探测器的限制，它们的动态范围只有10⁶-10⁷，远远不能满足实际的要求。

发明内容

针对目前信噪比单次测量技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高动态范围测量能力（~10⁹）同时具备较大时间窗口（~50 ps）的脉冲信噪比单次测量装置。

为此本发明提出并实现了创新的非谐波长波长取样脉冲技术，有效隔离了光散射噪音；创新性地应用了基于周期性极化晶体的大角度非共线位相匹配技术，大幅增加了信噪比单次测量的时间窗口；构建了高灵敏度的光纤阵列/光电倍增管探测系统。

本发明提出的利用非谐波长波长取样光进行大窗口、高动态范围脉冲信噪比单次测量的装置，具体由长波长取样光产生单元、大角度非共线和频互相关单元和高灵敏度信号接收单元三部分构成。近红外激光源出射的脉冲激光经过一分束镜分为两部分：一部分激光是用于泵浦光参量产生-光参量放大（OPG-OPA）系统的脉冲激光，可进一步用于产生长波长取样光；另一部分激光作为待测脉冲激光。其中：

长波长取样光产生单元，主要包括一个OPG-OPA系统、一个延迟器、一个滤光片和两个缩束器。待测激光经过缩束器缩束和延迟器时间延迟调整，然后泵浦OPG-OPA系统，产生设计好的比待测脉冲更干净的中红外长波长取样光。

大角度非共线和频互相关单元，包括一块非线性晶体、一个潜望镜、两个扩束器和两个平凹柱面镜。待测光经过潜望镜，使其偏振方向与长波长取样光相同，相对非线性晶体均为e光；然后两者（待测光和取样光）分别经过扩束器扩束，再分别被平凹柱面镜一维（竖直方向）聚焦到非线性晶体，该非线性晶体是一块按水平放置的周期性极化的铌酸锂晶体（PPLN）；两者在非线性晶体内以30⁰-40⁰的非共线角发生和频互相关作用，得到相应的沿空间分布的和频互相关信号。

高灵敏度信号接收单元，主要由一个光纤阵列、一个高灵敏的快速响应的光电倍增管（PMT）、一片滤波片、一个中性衰减片和三个平凸柱透镜组成。光纤阵列有64-128根不同长度的光纤，根据每个通道的信号不同加有不同大小的光衰减器。空间分布的和频相关信号经过光纤阵列后变成时间上延迟的一系列脉冲，经过滤波片后被光电倍增管（PMT）接收转换成电信号。该电信号经过计算机的分析计算，得到反映待测脉冲信噪比的图线。