一种大口径脉冲激光时间同步测量装置 |
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| 申请号 | CN202311759776.7 | 申请日 | 2023-12-20 | 公开(公告)号 | CN117930498A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 中国科学院上海光学精密机械研究所; | 发明人 | 郭亚晶; 唐顺兴; 姜秀青; | ||||
| 摘要 | 一种大口径脉冲激光时间同步测量装置，包括：分光系统，用于将 种子 光束分为N束小口径光束；N个光束传输系统，用于将N束小口径光束转化为N束大口径光束；至少N‑1个延时调节器，用于对N‑1束大口径光束延时进行调节；N个光阑，用于将N束大口径光束部分通过光阑转化为N束限口径小光束；N个聚焦系统，用于将N束限口径小光束汇聚于靶点形成 叠加 光斑；相机，位于所述靶点 位置 ，用于记录与监测所述叠加光斑，并传输至计算机；计算机，分别与所述延时调节器和相机相连，根据光斑叠加图样判断光束间同步情况，并控制所述延时调节器实现不同光束到靶时间同步。本 发明 结构简单，成本低廉，无需对现有装置进行较大改动即可实现束间精密同步测量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大口径脉冲激光时间同步测量装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种大口径脉冲激光时间同步测量装置技术领域[0001] 本发明属于激光技术领域，特别是一种大口径脉冲激光时间同步测量装置。 背景技术[0002] 在激光技术领域，特别是超短脉冲技术领域，为了获得较高的峰值功率，要求实现两束或者多束光束脉冲光在时域上重叠。 [0003] 对于多路光束的激光系统，由于安装无法实现从同一种子源发出的光束分光后传输至靶点的总等效光程完全相等，进而导致脉冲无法同时到达靶点，或者两束或多束脉冲无法在靶点相遇。如果发生该情况，一般通过在靶点配置时间测量模块，例如示波器、条纹相机等观察不同光路脉冲之间的延时，配合延时调节器调节脉冲之间的延时直至不同脉冲之间在时间上部分或者完全重叠。超短脉冲光束的脉冲宽度一般不超过几十皮秒，而且常常需要实现皮秒或者数十飞秒脉冲宽度的脉冲重叠，一般的测量手段无法分辨如此高的时间延时。例如高速示波器最高的时间分辨率不超过皮秒量级、现有条纹相机最高时间分辨率也在皮秒量级(对于近红外激光)。 发明内容[0004] 为克服上述现有技术的不足，本发明目的是提出一种大口径脉冲激光时间同步测量方法，涉及光束脉冲间的时间同步调节。 [0005] 为实现上述目标，本发明的技术解决方案如下： [0006] 一种大口径脉冲激光时间同步测量装置，其特点在于，包括： [0007] 分光系统，用于将种子光束分为N束小口径光束； [0008] N个光束传输系统，用于将所述N束小口径光束转化为N束大口径光束； [0009] 至少N‑1个延时调节器，用于对所述N‑1束大口径光束进行延时调节； [0010] N个光阑，用于将所述N束大口径光束部分通过光阑转化为N束限口径小光束； [0011] N个聚焦系统，用于将所述N束限口径小光束汇聚于靶点形成叠加光斑； [0012] 相机，位于所述靶点位置，用于记录与监测所述叠加光斑，并传输至计算机； [0013] 计算机，分别与所述延时调节器和相机相连，根据光斑叠加的干涉图样判断光束间同步情况，并控制所述延时调节器实现不同光束到靶时间同步。 [0014] 进一步，所述光束间时间同步情况根据光斑叠加的干涉图像判断：当双脉冲时间上完全不重叠时，在靶点的叠加光斑无法实现干涉，其图像特性与单光束图像一致；当双脉冲时间完全同步时，在靶点的叠加光斑完全相干，图像呈现明暗相间干涉条纹，条纹对比度最高，理论上达到1；当双脉冲间有一定延迟时，在靶点的叠加光斑图像呈现具有一定对比度(小于1)的干涉条纹。 [0015] 进一步，所述光阑允许部分光束通过成为具有较好光束质量的限口径小光束，该限口径小光束在靶点有较大尺寸的光斑，能够克服激光系统指向抖动导致光束间在靶点无法重合的问题，且在两束光束时间达到同步时有较为规则的干涉条纹。 [0016] 进一步，所述根据光斑叠加图样判断光束间同步情况，具体是： [0017] 最高对比度判据法：单向调节两束光束中任一束的延时调节器，通过相机实时监测两束光束的光斑图样，出现干涉条纹后，计算条纹对比度，当条纹对比度达到最大时，即表明两束光束达到时间同步； [0018] 临界对比度推算法：单向调节两束光束中任一束的延时调节器，通过相机实时监测两束光束的光斑图样，开始出现干涉条纹时，记录延时调节器的第一个位置；继续沿原方向调节，干涉条纹对比度将经历从弱到强再到弱的过程，当干涉条纹消失时，记录延时调节器的第二个位置；计算得到延时调节器第一个和第二个位置的中间位置，将延时调节器调节至该位置即两束光束达到时间同步。 [0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0020] 1)利用简易的限孔方法选择部分光束在靶点叠加，克服激光系统指向抖动导致光束间在靶点无法重合的问题，且小口径光束质量相对较好，在两束光时间达到同步时容易获得较为规则的干涉条纹。该方案结构简单易于实现，且无需对现有装置进行大规模改造，特别适用于多束脉冲激光间时间同步的测量。 [0021] 2)采用孔径光阑选取大口径光束的部分光束通过，利用相机在靶点监视任意两束光的光斑叠加情况，通过光斑叠加图样判断光束间同步情况，结合光路中的延时调节机构，可实现不同光束到靶时间精密同步。 [0022] 3)本发明利用光阑选择部分光束在靶点叠加，克服激光系统指向抖动导致光束间在靶点无法重合的问题，且小口径光束质量相对较好，在两束光束时间达到同步时容易获得较为规则的干涉条纹。 [0024] 图1是本发明大口径脉冲激光时间同步测量装置的示意图 [0025] 1‑同源小口径光束；2‑分光系统；3‑分光小光束；4‑光束传输系统；5‑延时调节器；6‑大口径光束；7‑光阑；8‑限口径小光束；9‑聚焦系统；10‑汇聚光束；11‑靶点；12‑相机； 301‑第一分光小光束；302‑第二分光小光束；3N‑第N分光小光束；1001‑第一汇聚光束； 1002‑第一汇聚光束；10N‑第N汇聚光束。 具体实施方式[0026] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 [0027] 实施例： [0028] 图1是本发明大口径脉冲激光时间同步测量装置示意图，由图可见，本发明一种大口径脉冲激光时间同步测量方法由同源小口径光束1、分光系统2、光束传输系统4、光阑7、聚焦系统9和相机12组成。种子小光束1为脉冲激光束，经过所述分光系统2分光后将所述种子小光束1分为N束分光小光束3，分别标记为301，302，……3N。每束光束3N分别依次经过所述光束传输系统4、光阑7和聚焦系统9后将光束汇聚至靶点11，所述靶点11落在所述相机12感光面内。所述光束传输系统4共有N个，其中至少有N‑1束包含至少一个延时调节器5。所述光束传输系统4将分光小光束3转换为大口径光束6。所述光阑7外部尺寸可覆盖所述大口径光束6，所述光阑7允许部分光束通过成为限口径小光束8。所述聚焦系统9将光束汇聚成为汇聚光束10，所述汇聚光束10汇聚于焦点并可通过所述聚焦系统9引导至靶点11。所述相机12可分别记录所述汇聚光束10在焦点处的光斑，也可记录N个光斑叠加后的图像。 [0029] 本装置的工作原理说明如下。 [0030] 以多路脉冲激光为例进行说明。种子小光束经过分光系统分光后将种子小光束分为N束，每束光分别依次经过光束传输系统、光阑和聚焦系统后将光束汇聚至靶点，种子小光束一个脉冲发射后，按照设计可保证任意两路光束到达靶点的时刻相同。但是由于安装精度不够、光束抖动等原因，会导致从种子源发出的光束分光后传输至靶点的总等效光程出现较大的偏差，进而导致脉冲无法同时到达靶点，或者两束或多束脉冲无法在靶点相遇。如果发生该情况，一般通过在靶点配置时间测量模块，例如示波器、条纹相机等观察不同光路脉冲之间的延时，配合延时调节器调节脉冲之间的延时直至不同脉冲之间在时间上部分或者完全重叠。而对于超短脉冲而言，其脉冲宽度一般不超过几十皮秒，而且常常需要实现皮秒或者数十飞秒脉冲宽度的脉冲重叠，一般的测量手段无法分辨如此高的时间延时。例如高速示波器、条纹相机等时间测量设备最高的时间分辨率一般不超过皮秒量级。 [0031] 在拍瓦激光技术领域，受限于压缩光栅的损伤阈值及放大系统非线性效应，要实现较高的到靶功率，无论是飞秒还是皮秒系统，其终端光束口径一般设计为大口径，通常超过300mm甚至有米级。大口径光束所需的大口径光学元件一般很难加工，整个光学系统具有较大波像差导致光束无法聚焦进而降低靶面峰值功率密度，通常会采用自适应光学对系统波像差进行校正。而拍瓦激光一般用于在焦点处获得极高的峰值功率密度用于高能密度物18 2 理实验，一般超过10 W/cm ，焦斑大小接近衍射极限。以350mm×350mm光束口径为例，焦斑衍射极限对应的发散角为： [0032] 1dL＝2λ/D (1) [0033] 其中DL表示衍射极限，D表示光束口径，λ表示激光波长。以基于钕玻璃为放大介质的高能拍瓦激光系统为例，其光束中心波长为1.053μm，对应的衍射极限约为6μrad。而大口径激光系统由于光路复杂，由于环境振动、镜架不稳定性导致的光束指向不稳定性无法避免，其典型值为6μrad(RMS)，对应的PV值超过18μrad。这意味着在靶点观察两束光束焦斑时，两束光角度偏差最大PV值超过36μrad，对于光斑尺寸接近衍射极限的两个光斑有一定概率完全无法叠加，或者只有少部分叠加；如果光斑尺寸远超衍射极限，意味着光束质量较差，在焦面上无法形成规则的易于识别的干涉图样。在这种情况下要在靶点进行双光束远场相干图样观察存在一定不确定性。为了确保两束光束在靶面上重叠，需在保证光束质量的情况下增加焦斑尺寸。从式(1)可见，衍射极限大小与光束口径成反比，因此可通过降低光束口径实现增加焦斑尺寸的效果。例如采用光阑截取大口径光束内100mm×100mm的光束，根据式(1)可得，相同波长对应的衍射极限增大至原来的3倍，即21μrad，在同等光束指向控制水平下两个光斑完全无法叠加的概率将大大降低。 [0034] 与全口径到靶相比，通过采用光阑截取大口径光束内的部分光束一般具有较好的光束质量，这也更有利于在焦面上获得较为明显的干涉图样。 [0035] 接下来说明光斑在焦面上叠加干涉图样与脉冲间时间延时的关系。 [0036] 当双脉冲完全不重叠时，两个脉冲依次到达相机靶面，无法实现干涉叠加；当双脉冲到达相机靶面完全同步时，且脉冲形状差异较小时，双脉冲将发生干涉，其条纹对比度相对最高；当双脉冲之间有一定延时，且延时量小于脉冲宽度时，则双脉冲将有部分时刻同时到达相机靶面，其余时刻任一光束各自独立特性被相机记录，由于相机曝光时间最短一般不超过数微秒，因此同一帧图像记录的图像持续的时间范围一般会完整记录两脉冲到达相机的图像，无论双光束发生相干叠加还是独立到达的时刻，均在一幅图像中记录。因此，相机上记录的图像可分为三种，一种是双光束完全没有叠加，其图像特性与单光束到达相机的图样一致；第二种为完全相干，呈现出明暗相间的干涉条纹，条纹对比度理论能达到1；第三种模式为二者结合，等效于第一种图样和第二种图样不同权重的叠加。通过观察条纹属于那种模式，结合延时调节器判断脉冲延时情况，具体方法可分为如下两种： [0037] 第一种，最高对比度判据法。单向调节两束光束中其中一束光束的延时调节器，通过相机实时监测两束光束的光斑图样，出现干涉条纹后开始计算条纹对比度，当条纹对比度达到最大时，即表明两束光束达到了时间同步。 [0038] 第二种，临界对比度推算法。单向调节两束光中一束光的延时调节器，通过相机实时监测两束光束的光斑图样，开始出现干涉条纹时记录延时调节器的第一个位置；继续沿原方向调节，干涉条纹对比度将经历从弱到强再到弱的过程，当干涉条纹消失时，记录延时调节器的第二个位置；计算得到延时调节器第一个和第二个位置的中间位置，将延时调节器调节至该位置即可实现两束光束达到时间同步。 |
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