高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置。所述的裝置中在高功率激光脈沖入射方向上依次放置衰減片、分束鏡；在分束鏡透射的方向上依次放置微凸透鏡陣列、光纖分配器、延遲光纖組、光纖合束器、傳輸光纖、快速光電管、高速示波器；在分束鏡的反射方向上依次放置光纖夾持器、基準光纖；將所述的延遲光纖組與基準光纖連接到光纖合束器形成單一輸出，經傳輸光纖投射到快速光電管，在高速示波器上形成電脈沖序列，最后通過計算機進行數據處理。本發明采用微凸透鏡陣列進行空間分割取樣和光纖合束時分復用傳輸，通過波形拼接重構技術獲得入射激光束實時近場強度分布及脈沖時間波形多種信息。本發明的測量裝置成本低、結構簡單，調節方便。
【專利說明】高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于高功率激光測試【技術領域】，具體涉及一種高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置。
【背景技術】
[0002]激光束的近場強度分布和脈沖時間波形是評價激光性能的重要指標，在超短激光作用下的強場物理實驗中，需要實時了解任一時刻的激光近場強度分布以及任一空間的脈沖波形。目前具有時間分辨的近場測量主要采用分幅相機或條紋相機，采用分幅相機可以獲得離散時刻的激光近場強度分布，不能獲得脈沖時間波形信息；而采用條紋相機可以獲得一維空間的脈沖時間波形信息，不能獲得二維空間強度分布信息。名稱為《全光固體條紋相機》的中國發明專利(專利號ZL 201110325757)公開了一種獲得一維空間的脈沖時間波形測量裝置，名稱為《基于分幅相機的高時間分辨三維成像方法》的中國實用新型專利(專利號ZL201210579403)公開了一種利用分幅相機獲取二維圖像，經過三維重建得到具有三維視覺效果的待測目標的成像方法。目前國內現有的專利中未見到同時獲得任一時刻的激光近場強度分布以及任一空間的脈沖時間波形測試的相關報道。
【發明內容】
[0003]為了克服現有的測量技術不能同時獲得任一時刻的激光近場強度分布以及任一空間的脈沖時間波形的不足，本發明提供一種高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
本發明的高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置，其特點是，所述的測量裝置中，在高功率激光脈沖入射方向上依次設置有衰減片、分束鏡；激光脈沖通過所述的分束鏡分成透射光和反射光，在分束鏡的透射光路上依次設置有微凸透鏡陣列、光纖分配器、延遲光纖組，在分束鏡的反射光路上依次設置有凸透鏡、光纖夾持器、基準光纖；所述的透射光通過微凸透鏡陣列、光纖分配器后進入延遲光纖組，所述的反射光經凸透鏡聚焦后通過光纖夾持器進入基準光纖；所述的基準光纖與延遲光纖組并行地進入光纖合束器；在所述的光纖合束器后依次設置傳輸光纖、快速光電管、高速示波器；由基準光纖與延遲光纖組傳輸的光并行進入光纖合束器，由光纖合束器形成的單一輸出通過傳輸光纖輸出的光脈沖序列經快速光電管進行光電轉換，經信號電纜傳輸到高速示波器上獲得電脈沖序列，最后經網線傳送到計算機進行數據處理，獲得入射激光束實時近場強度分布信息。
[0005]所述的延遲光纖組、傳輸光纖、基準光纖所用的光纖為相同型號的單模光纖。對于不同波長、不同脈沖寬度的激光脈沖選用不同中心波長、不同長度間距的單模光纖。
[0006]所述的微凸透鏡陣列中的微凸透鏡的設置為同心圓排列，或者矩陣式排列；微凸透鏡數目根據需要可進行增減。
[0007]本發明的有益效果是，本發明的測量裝置成本低、結構簡單，調節方便，采用微凸透鏡陣列對激光束近場空間進行分割取樣和光纖合束時分復用的傳輸，通過波形拼接重構技術，可以獲得瞬時的空間功率密度分布、抽樣空間的脈沖時間波形分布、全光束脈沖時間波形分布，全光束近場強度分布等激光束的多方面信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明的用于高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置的光路結構示意圖；
圖2為本發明中的微凸透鏡陣列排布示意圖；
圖3為本發明中高速示波器獲取的NXM+1 (N=6,M=6)個脈沖信號排布示意圖；
圖4為圖3的脈沖信號分割圖；
圖中，1.衰減片 2.分束鏡 3.微凸透鏡陣列 4.光束分配器 5.延遲光纖組 6.凸透鏡 7.光纖夾持器 8.基準光纖 9.光纖合束器
10.傳輸光纖 11.快速光電管 12.信號電纜 13.高速不波器 14.網線
15.計算機。
【具體實施方式】
[0009]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。
[0010]實施例1
圖1為本發明的用于高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置的光路結構示意圖。在圖1中，本發明的高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置，所述的測量裝置中，在高功率激光脈沖入射方向上依次設置有衰減片1、分束鏡2 ;激光脈沖通過所述的分束鏡2分成透射光和反射光，在分束鏡2的透射光路上依次設置有微凸透鏡陣列3、光纖分配器4、延遲光纖組5，在分束鏡2的反射光路上依次設置有凸透鏡6、光纖夾持器7、基準光纖8 ;所述的透射光通過微凸透鏡陣列3、光纖分配器4后進入延遲光纖組5，所述的反射光經凸透鏡6聚焦后通過光纖夾持器7進入基準光纖8 ;所述的基準光纖8與延遲光纖組5并行地進入光纖合束器9 ;在所述的光纖合束器9后依次設置傳輸光纖10、快速光電管11、高速不波器13 ；由基準光纖8與延遲光纖組5傳輸的光并行進入光纖合束器9，由光纖合束器9形成的單一輸出通過傳輸光纖10輸出的光脈沖序列經快速光電管11進行光電轉換，經信號電纜12傳輸到高速示波器13上獲得電脈沖序列，最后經網線14傳送到計算機15進行數據處理，獲得入射激光束實時近場強度分布信息。
[0011]所述的延遲光纖組5、傳輸光纖10、基準光纖8所用的光纖為相同型號的單模光纖。對于不同波長、不同脈沖寬度的激光脈沖選用不同中心波長、不同長度間距的單模光纖。
[0012]所述的微凸透鏡陣列3中的微凸透鏡的設置為同心圓排列，或者矩陣式排列；微凸透鏡數目根據需要可進行增減。
[0013]在本發明的裝置中，從分束鏡2透射的平行光經微凸透鏡陣列3后變為N行Μ列的會聚光束，經過光纖分配器4將所述的ΝΧΜ個光斑投射到ΝΧΜ根不同長度的光纖組成的延遲光纖組5進行不同的時間延遲，然后將所述的延遲光纖組5與基準光纖8連接到光纖合束器9形成單一輸出，經傳輸光纖10投射到快速光電管11上進行光電轉換，在高速示波器13上形成NXM+1個電脈沖序列，最后通過計算機15進行數據處理。
[0014]利用本發明的測量裝置測量激光實時近場強度分布的數據處理包括以下步驟:
1.首先進行定標。將脈沖寬度小于10皮秒、近場調制度小于1.2、近場對比度小于
0.06的激光脈沖輸入到該裝置，調整所述的光纖分配器4的位置，保證從微凸透鏡陣列3來的NXM個焦點落在延遲光纖組5的相應輸入端面上，調整延遲光纖的長度分配，使輸出脈沖按圖2所示的微凸透鏡陣列3編號以先行后列的順序輸出，圖2中(i，j)表示第i行第j列的微凸透鏡位置坐標:首先是來自基準光纖的時間基準脈沖，然后按編號(1，1)、(1，2)、……、(1，M)、(2，1)、……、(i，j)……的順序輸出，具體參見圖2、圖3。圖3中，第一個脈沖為時間基準脈沖，(i，j)表示第i行第j列的微凸透鏡位置坐標對應的脈沖時間波形，這樣在時間基準脈沖后獲得NXM個脈沖波形，即入射光束空間不同區域的脈沖時間分布:
g(i,j,t) i = l、2、......N, j = l、2、......Μ ；(1)
記錄下所有NXM+1個脈沖的峰值強度及位置，以時間基準脈沖的峰值位置為時間基準，確定編號為(i，j)的脈沖相對于時間基準脈沖的時間延遲量:
t0 (i，j) i = 1、2、... ...N, j = 1、2、......Μ ；(2)
將編號為(i，j)的脈沖的峰值強度與時間基準脈沖的峰值強度的比值作為該脈沖的強度校準量:
g0 (i, j, t0 (i, j)) i = 1、2、......N, j = 1、2、......M ； (3)
2.將脈沖序列分割成單一的脈沖。以h(i，j)作為統一的時間基準，重新建立NXM個脈沖的時間一強度分布圖，如圖4所示，圖4中(i，j )表示第i行第j列的微凸透鏡位置坐標對應的脈沖時間波形，橫坐標表示時間，縱坐標表示相對強度；
3.在重新建立的NXΜ個脈沖的時間一強度分布圖上取任一時刻t的編號為(i，j)的脈沖瞬時值，除以公式(3)給出的相應編號的校準量，可以獲得該時刻的入射激光近場上編號為(i，j)的位置處的相對功率密度分布，即瞬時激光近場強度分布:
G (i，j，t)=g (i，j，t)/g0 (i, j, t0 (i, j)) ；(4)
4.對編號為(i，j)的脈沖進行時間積分，可以獲得入射激光近場上編號為(i，j)的位置處的脈沖近場強度，即激光近場強度分布:
j) = J" g _，j,1、i/g0 {i, j,?0 (i, j))(5 )
5.對所有信號脈沖進行幅值疊加，獲得入射激光全口徑時間波形:
蝴=Σ 成 ^1)/So (!，J> ?ο (hJ))(6 )
U
本實施例中，入射激光脈沖波長為1064nm，脈沖寬度約為5ns，能量約為10mJ，光斑直徑為lcm。圖2為本發明中的微凸透鏡陣列3排布示意圖。圖2中(i，j)表示第i行第j列的微凸透鏡位置坐標，這里(1)式中N=6，M=6，共36個微凸透鏡，產生36個焦點，在所述的36個焦點處放置光束分配器4，所述的光束分配器4將每束光引入進延遲光纖組5內相應的單模延遲光纖，所述的延遲光纖長度按先行后列順序遞增，遞增量為10米，編號(1，1)的延遲光纖長度取15米，編號 (1，2)的延遲光纖長度取25米，依此類推，編號(i，j)的延遲光纖的長度為(NX (1- l)+j-l) X 10+15米。[0015]本發明中，首先將1064nm的脈沖信號經衰減片1進行衰減，衰減后的光束經分束鏡2分成透射光和反射光，透射光與反射光的能量比為50:1，所述的反射光經凸透鏡6聚焦進入5米長的單模基準光纖8，所述的透射光通過6X6的微凸透鏡陣列3從空間上被分割成6X6個區域，通過所述的微凸透鏡陣列3聚焦進入6X6根長度按10米遞增的單模延遲光纖組5進行不同的時間延遲，完成對光束的時間分割，然后將所述的延遲光纖組5與基準光纖8并行地進入光纖合束器9形成單一輸出，完成通道復用，經傳輸光纖10投射到快速光電管11上進行光電轉換，在高速不波器13上形成6X6+1個電脈沖序列，最后通過計算機15進行數據處理，獲得實時激光近場強度分布。
[0016]實施例2
本實施例與實施例1的光路結構相同，數據處理過程相同，不同之處在于，所述的微凸透鏡陣列中的微凸透鏡的設置為同心圓設置。編號(i，j)中的i表示按從內到外計數的圓環序號，j表示第i個圓環上的微凸透鏡編號。
【權利要求】
1.一種高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置，其特征是:所述的測量裝置中，在高功率激光脈沖入射方向上依次設置有衰減片(1)、分束鏡(2);激光脈沖通過所述的分束鏡(2)分成透射光和反射光，在分束鏡(2)的透射光路上依次設置有微凸透鏡陣列(3)、光纖分配器(4)、延遲光纖組(5)，在分束鏡(2)的反射光路上依次設置有凸透鏡(6)、光纖夾持器(7)、基準光纖(8);所述的透射光通過微凸透鏡陣列(3)、光纖分配器(4)后進入延遲光纖組(5)，所述的反射光經凸透鏡(6)聚焦后通過光纖夾持器(7)進入基準光纖(8);所述的基準光纖(8)與延遲光纖組(5)并行地進入光纖合束器(9)，在所述的光纖合束器(9)后依次設置傳輸光纖(10)、快速光電管(11)、高速示波器(13);由基準光纖(8)與延遲光纖組(5 )傳輸的光并行進入光纖合束器(9 ),由光纖合束器(9 )形成的單一輸出通過傳輸光纖(10)輸出的光脈沖序列經快速光電管(11)進行光電轉換，經信號電纜(12)傳輸到高速示波器(13)上獲得電脈沖序列，最后經網線(14)傳送到計算機(15)進行數據處理，獲得入射激光束實時近場強度分布信息。
2.根據權利要求1所述的高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置，其特征是:所述的延遲光纖組(5)、傳輸光纖(10)、基準光纖(8)采用的光纖為相同型號的單模光纖。
3.根據權利要求1所述的高功率超短激光實時近場強度分布測量裝置，其特征是:所述的微凸透鏡陣列(3)中的微凸透鏡的設置為同心圓排列或矩陣式排列。
【文檔編號】G01J11/00GK103712688SQ201410007184
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月8日 優先權日:2014年1月8日
【發明者】夏彥文, 孫志紅, 張崑, 唐軍, 盧宗貴, 元浩宇, 呂嘉坤 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
