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高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)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(zhǔn)光纖；將所述的延遲光纖組與基準(zhǔn)光纖連接到光纖合束器形成單一輸出，經(jīng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明采用微凸透鏡陣列進(jìn)行空間分割取樣和光纖合束時分復(fù)用傳輸，通過波形拼接重構(gòu)技術(shù)獲得入射激光束實(shí)時近場強(qiáng)度分布及脈沖時間波形多種信息。本發(fā)明的測量裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便。
【專利說明】高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高功率激光測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光束的近場強(qiáng)度分布和脈沖時間波形是評價激光性能的重要指標(biāo)，在超短激光作用下的強(qiáng)場物理實(shí)驗(yàn)中，需要實(shí)時了解任一時刻的激光近場強(qiáng)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(jī)或條紋相機(jī)，采用分幅相機(jī)可以獲得離散時刻的激光近場強(qiáng)度分布，不能獲得脈沖時間波形信息；而采用條紋相機(jī)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(qiáng)度分布信息。名稱為《全光固體條紋相機(jī)》的中國發(fā)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(jī)的高時間分辨三維成像方法》的中國實(shí)用新型專利(專利號ZL201210579403)公開了一種利用分幅相機(jī)獲取二維圖像，經(jīng)過三維重建得到具有三維視覺效果的待測目標(biāo)的成像方法。目前國內(nèi)現(xiàn)有的專利中未見到同時獲得任一時刻的激光近場強(qiáng)度分布以及任一空間的脈沖時間波形測試的相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有的測量技術(shù)不能同時獲得任一時刻的激光近場強(qiáng)度分布以及任一空間的脈沖時間波形的不足，本發(fā)明提供一種高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明的高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置，其特點(diǎn)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(shè)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(shè)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(shè)置有凸透鏡、光纖夾持器、基準(zhǔn)光纖；所述的透射光通過微凸透鏡陣列、光纖分配器后進(jìn)入延遲光纖組，所述的反射光經(jīng)凸透鏡聚焦后通過光纖夾持器進(jìn)入基準(zhǔn)光纖；所述的基準(zhǔn)光纖與延遲光纖組并行地進(jìn)入光纖合束器；在所述的光纖合束器后依次設(shè)置傳輸光纖、快速光電管、高速示波器；由基準(zhǔn)光纖與延遲光纖組傳輸?shù)墓獠⑿羞M(jìn)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(jīng)快速光電管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)信號電纜傳輸?shù)礁咚偈静ㄆ魃汐@得電脈沖序列，最后經(jīng)網(wǎng)線傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得入射激光束實(shí)時近場強(qiáng)度分布信息。
[0005]所述的延遲光纖組、傳輸光纖、基準(zhǔn)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(shè)置為同心圓排列，或者矩陣式排列；微凸透鏡數(shù)目根據(jù)需要可進(jìn)行增減。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的測量裝置成本低、結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，采用微凸透鏡陣列對激光束近場空間進(jìn)行分割取樣和光纖合束時分復(fù)用的傳輸，通過波形拼接重構(gòu)技術(shù)，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(qiáng)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(fā)明的用于高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中的微凸透鏡陣列排布示意圖；
圖3為本發(fā)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(zhǔn)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(wǎng)線
15.計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0010]實(shí)施例1
圖1為本發(fā)明的用于高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，本發(fā)明的高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)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(shè)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(shè)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(shè)置有凸透鏡6、光纖夾持器7、基準(zhǔn)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(jìn)入延遲光纖組5，所述的反射光經(jīng)凸透鏡6聚焦后通過光纖夾持器7進(jìn)入基準(zhǔn)光纖8 ;所述的基準(zhǔn)光纖8與延遲光纖組5并行地進(jìn)入光纖合束器9 ;在所述的光纖合束器9后依次設(shè)置傳輸光纖10、快速光電管11、高速不波器13 ；由基準(zhǔn)光纖8與延遲光纖組5傳輸?shù)墓獠⑿羞M(jìn)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(jīng)快速光電管11進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)信號電纜12傳輸?shù)礁咚偈静ㄆ?3上獲得電脈沖序列，最后經(jīng)網(wǎng)線14傳送到計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得入射激光束實(shí)時近場強(qiáng)度分布信息。
[0011]所述的延遲光纖組5、傳輸光纖10、基準(zhǔn)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(shè)置為同心圓排列，或者矩陣式排列；微凸透鏡數(shù)目根據(jù)需要可進(jìn)行增減。
[0013]在本發(fā)明的裝置中，從分束鏡2透射的平行光經(jīng)微凸透鏡陣列3后變?yōu)镹行Μ列的會聚光束，經(jīng)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(jìn)行不同的時間延遲，然后將所述的延遲光纖組5與基準(zhǔn)光纖8連接到光纖合束器9形成單一輸出，經(jīng)傳輸光纖10投射到快速光電管11上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在高速示波器13上形成NXM+1個電脈沖序列，最后通過計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0014]利用本發(fā)明的測量裝置測量激光實(shí)時近場強(qiáng)度分布的數(shù)據(jù)處理包括以下步驟:
1.首先進(jìn)行定標(biāo)。將脈沖寬度小于10皮秒、近場調(diào)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(diào)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(diǎn)落在延遲光纖組5的相應(yīng)輸入端面上，調(diào)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(biāo):首先是來自基準(zhǔn)光纖的時間基準(zhǔn)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(zhǔn)脈沖，(i，j)表示第i行第j列的微凸透鏡位置坐標(biāo)對應(yīng)的脈沖時間波形，這樣在時間基準(zhǔn)脈沖后獲得NXM個脈沖波形，即入射光束空間不同區(qū)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(qiáng)度及位置，以時間基準(zhǔn)脈沖的峰值位置為時間基準(zhǔn)，確定編號為(i，j)的脈沖相對于時間基準(zhǔn)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(qiáng)度與時間基準(zhǔn)脈沖的峰值強(qiáng)度的比值作為該脈沖的強(qiáng)度校準(zhǔn)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(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，重新建立NXM個脈沖的時間一強(qiáng)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(biāo)對應(yīng)的脈沖時間波形，橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示相對強(qiáng)度；
3.在重新建立的NXΜ個脈沖的時間一強(qiáng)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(yīng)編號的校準(zhǔn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度，即激光近場強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(fā)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(biāo)，這里(1)式中N=6，M=6，共36個微凸透鏡，產(chǎn)生36個焦點(diǎn)，在所述的36個焦點(diǎn)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(jìn)延遲光纖組5內(nèi)相應(yīng)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(fā)明中，首先將1064nm的脈沖信號經(jīng)衰減片1進(jìn)行衰減，衰減后的光束經(jīng)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(jīng)凸透鏡6聚焦進(jìn)入5米長的單?；鶞?zhǔn)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(qū)域，通過所述的微凸透鏡陣列3聚焦進(jìn)入6X6根長度按10米遞增的單模延遲光纖組5進(jìn)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(zhǔn)光纖8并行地進(jìn)入光纖合束器9形成單一輸出，完成通道復(fù)用，經(jīng)傳輸光纖10投射到快速光電管11上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在高速不波器13上形成6X6+1個電脈沖序列，最后通過計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得實(shí)時激光近場強(qiáng)度分布。
[0016]實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的光路結(jié)構(gòu)相同，數(shù)據(jù)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(shè)置為同心圓設(shè)置。編號(i，j)中的i表示按從內(nèi)到外計(jì)數(shù)的圓環(huán)序號，j表示第i個圓環(huán)上的微凸透鏡編號。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)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(shè)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(shè)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(shè)置有凸透鏡(6)、光纖夾持器(7)、基準(zhǔn)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(jìn)入延遲光纖組(5)，所述的反射光經(jīng)凸透鏡(6)聚焦后通過光纖夾持器(7)進(jìn)入基準(zhǔn)光纖(8);所述的基準(zhǔn)光纖(8)與延遲光纖組(5)并行地進(jìn)入光纖合束器(9)，在所述的光纖合束器(9)后依次設(shè)置傳輸光纖(10)、快速光電管(11)、高速示波器(13);由基準(zhǔn)光纖(8)與延遲光纖組(5 )傳輸?shù)墓獠⑿羞M(jìn)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(jīng)快速光電管(11)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)信號電纜(12)傳輸?shù)礁咚偈静ㄆ?13)上獲得電脈沖序列，最后經(jīng)網(wǎng)線(14)傳送到計(jì)算機(jī)(15)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得入射激光束實(shí)時近場強(qiáng)度分布信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)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(zhǔn)光纖(8)采用的光纖為相同型號的單模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率超短激光實(shí)時近場強(qiáng)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(shè)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(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)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