CN104697649B - 单发激光脉冲检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单发激光脉冲检测装置，包括：探测光路，传输基频探测光脉冲；参考光路，传输倍频参考光脉冲；双脉冲发生器，用于获得具有第一延时并且沿参考光路共线传输的双脉冲；光脉冲转换器，用于将双脉冲转换为在时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的双脉冲形式的子脉冲；脉冲展宽器，用于将基频探测光脉冲各频率分量进行平移，从而在时域上进行展宽；色散器，用于将基频探测光脉冲中的各频率分量在空间上进行分离；以及平面探测器，用于使来自色散器的基频探测光脉冲和子脉冲产生三阶互相关脉冲信号。本发明能够精确测量飞秒拍瓦激光脉冲波形，解决了大动态范围超快超强脉冲的诊断困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工程光学应用技术领域，特别是涉及一种单发激光脉冲检测装置。
背景技术
上世纪八十年代，美国罗切斯特大学的科学家提出了啁啾脉冲放大技术(CPA)，使得超高功率超快激光脉冲成为可能(参见D.Strickland and G.Mourou，Opt.Commun.56，219(1985)。基于该原理技术，国际上已有几个实验室得到了峰值功率突破PW(拍瓦，1015W)的单次超强激光输出。如何测量这类激光的对比度，是一个令人关心并影响该激光研究发展的主要问题。
一般情况下，在放大的激光脉冲的背景信号中，存在着一些强度比较大的噪声脉冲，它们的存在对于物理实验的结果会产生不利的影响。过高的预脉冲会在目标靶上产生预等离子体，这些等离子体就改变了主激光脉冲与物质相互作用时的等离子体的初始状态，干扰甚至屏蔽阻挡后续的主脉冲，使之无法与目标靶相互作用，或者使得后续到达的主强激光的分布和其波形产生严重畸变，会严重影响实验结果的处理和分析。因此，信噪比、对比度是超短脉冲激光的重要指标，也是工程师们努力提高的关键指标，而对PW脉冲的精确测量诊断是其产生和应用的关键技术。飞秒PW激光的时间波形(Temporal Profile)、信噪比(SNR，Single to Noise Ratio)、或时间对比度(Temporal Contrast)是检测的关键参数。就此问题，根据物理实验的需求提出信噪比定义(参见Li Ming,et.al，JOSA B，Vol.27Issue 8，pp.1534-1542(2010)；D.M.Pennington,et.al，IEEE J.Selected Topicsin Quantum Electronics,Vol.6,No.4,(2000)；H.M.Peng，et.al，in X-Ray Lasers，(Defense Industry Press,Beijing,1997)(In Chinese))，如下：
其中：分子项为主脉冲峰值功率，整个相关测量(correlation measurement)以其为基准点。分母项为由极限函数定义的由负无穷到-100ps或-10ps(其负号表示是主脉冲前沿时间)的最大值，该值对应于脉冲前沿的台阶上的某个最大值。这个突起的噪声是系统所固有的，主要来自放大的自发辐射(ASE)以及前级振荡器的预脉冲(pre-pulse)和放大器的非线性效应以及参量荧光等。在强场高能密度物理实验中，特别关心在-100ns，-20ns，-1ns，-100ps，-10ps(其负号表示是主脉冲前沿时间)等时刻的飞秒拍瓦激光的信噪比。它们分别对应着物理规律的关键判据点。由此决定了要诊断飞秒拍瓦激光脉冲，就要求必须足够敏感地测量超过15个数量级的强度变化，而且时间跨度从百纳秒(10-9s)到几个飞秒(10-15s)均要求敏感感知，足有8个数量级的跨度的时间窗口(temporal window)。
然而，这远远超出了常规测试探头的幅度敏感范围和时间窗口，例如电荷耦合元件图像传感器(CCD)以及极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件光电倍增管(PMT)的幅度跨度均最多才3个数量级，时间窗口跨度均最多才2个数量级，这使得测试飞秒PW脉冲的信噪比非常困难。同时，对于强场高能高功率脉冲激光器，依照现有的技术，目前世界上这样的激光器均运行在很低的重复频率甚至是单发运行。这样的激光器输出的激光，由于自发辐射的随机性，以及参量荧光的随机性，在放大链路中的任何波动都会影响其输出波形。因此，测量这样的飞秒拍瓦激光，要求必须单发测量。因此，拍瓦级超强激光脉冲的信噪比单次测量的关键技术问题有以下四个方面：1)单发测量，而不是重复频率测量；2)克服探测器的大动态范围的幅度受限；3)克服探测器的时间窗口限制；4)保真测量。这些又使得拍瓦激光的诊断更加困难。
到目前为止，能适用于飞秒激光测量的商用产品，仅有如条纹相机，自相关仪，频率分辨光学开关法(FROG，Frequency-Resolved Optical Gating)和自参考光谱相位相干电场重建法(SPIDER，Self-referencing Spectral Phase Interferometry for DirectElectric Reconstruction)以及他们的变种。虽然这些传统的超快激光测量方法，如FROG、SPIDER测量以及应用的文献报道有上百篇，但是基本只涉及小功率激光的测量。而且是需要重复逐点扫描来测量，这类逐点扫描方法对低重复频率脉冲的测量非常耗时不说，原理上就无法用于单发测量。而涉及大动态范围高灵敏度的测量方法也尚不完善。虽然一些变种装置可以用于单发测量，仅限于采用两束光大角度倾斜相交和频的方法，将时间延时量转变为空间位置量来实现的，均有待进一步研究和探索。目前，国内外针对单发测量的大动态范围信噪比测量方法的报道还比较少，测量方法也没有现成的标准。国内外各大国家实验室、高校、研究所均在自己摸索。有必要继续探索新的方法来完成这一同时要求：a)单次测量、b)10个数量级以上的幅度动态范围、c)8个数量级的时间窗口、以及d)保真度可靠性的极具挑战性的检测任务。
发明内容
本发明的一个目的在于针对现有技术中存在的上述问题和缺陷中的至少一个方面，提供一种单发激光脉冲检测装置。
特别地，本发明提供了一种单发激光脉冲检测装置，用于检测单发的待测激光脉冲，包括：
探测光路，用于传输基频探测光脉冲；所述基频探测光脉冲由所述待测激光脉冲形成；
参考光路，用于传输倍频参考光脉冲；所述倍频参考光脉冲由所述待测激光脉冲通过倍频处理形成；
设置在所述参考光路中的双脉冲发生器，用于从所述倍频参考光脉冲分出两个倍频光脉冲，以获得双脉冲形式的所述倍频参考光脉冲，所述两个倍频光脉冲之间具有第一延时并且沿所述参考光路共线传输；
设置在所述参考光路中的光脉冲转换器，用于将所述双脉冲形式的所述倍频参考光脉冲转换为在时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的子脉冲，每个所述子脉冲均为双脉冲形式；
设置在所述探测光路中的脉冲展宽器，用于将所述基频探测光脉冲各频率分量进行平移，从而在时域上进行展宽；
设置在所述探测光路中的色散器，用于将经展宽的所述基频探测光脉冲进行色散，以将所述基频探测光脉冲中的各频率分量在空间上进行分离；
平面探测器，用于接收来自所述色散器的所述基频探测光脉冲和来自所述光脉冲转换器的所述倍频参考光脉冲，并产生所述基频探测光脉冲和所述倍频参考光脉冲的三阶互相关脉冲信号。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括：
分光器，用于从所述待测激光脉冲分出第一部分和第二部分；其中，所述第一部分进入到所述探测光路中，所述第二部分进入到所述参考光路中。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括用于对所述待测激光脉冲进行所述倍频处理的倍频晶体。在一种实施方式中，所述待测激光脉冲可以经所述倍频晶体进行所述倍频处理后入射到所述分光器；其中，所述待测激光脉冲的所述第一部分中包含有所述基频探测光脉冲，所述待测激光脉冲的所述第二部分中包含有所述倍频参考光脉冲；或者所述倍频晶体位于所述参考光路中，用于对所述待测激光脉冲的所述第二部分进行所述倍频处理，以获得所述倍频参考光脉冲；其中，所述待测激光脉冲的所述第一部分包含有所述基频探测光脉冲。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括第一空间滤波器，所述第一空间滤波器包括第一望远镜系统；其中，所述倍频晶体位于所述第一望远镜系统的焦点处。
在一种实施方式中，所述光脉冲转换器可以包括高反射镜和部分反射镜；所述高反射镜和所述部分反射镜分别为平面镜的形状且相互面对面的平行设置。在一种实施方式中，所述平面探测器可以设置成平行于所述光脉冲转换器的所述高反射镜和所述部分反射镜。
在一种实施方式中，所述双脉冲发生器可以为迈克耳孙干涉仪或光纤回荡器。
在一种实施方式中，所述脉冲展宽器可以具有用于补偿与光束大小有关的高阶色散的望远镜系统。
在一种实施方式中，所述色散器可以为反射式或透射式的色散光栅。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括平行光发生器，用于将经色散的所述基频探测光脉冲转换为扩大口径的平行光后入射到所述平面探测器；可选地，所述平行光发生器为球面反射镜或柱面反射镜，或者为球面透镜或柱面透镜。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括光程调节器，用于调节所述基频探测光脉冲在所述探测光路上的光程与所述倍频参考光脉冲在所述参考光路上的光程的差异；可选地，所述光程调节器设置在所述参考光路上，用于增大或减小所述倍频参考光脉冲在所述参考光路上的光程。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括：设置在所述参考光路中的衰减器，所述衰减器用于在所述光脉冲入射到所述平面探测器之前对所述一系列子脉冲选择性地分别进行不同程度的衰减。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括设置在所述探测光路中的第二空间滤波器，用于提高经展宽的所述基频探测光脉冲的均匀性；可选地，所述第二空间滤波器包括第二望远镜系统以及设置在所述第二望远镜系统的焦点处的陶瓷狭缝。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括第三空间滤波器，用于使得所述待测激光脉冲形成为超高斯平顶光束的形式；可选地，所述第三空间滤波器包括第三望远镜系统以及设置在所述第三望远镜系统的焦点处的软边小孔。
在一种实施方式中，所述第一望远镜系统、所述第二望远镜系统和/或所述第三望远镜系统可以为缩束望远镜系统。
在一种实施方式中，所述平面探测器可以为双光子吸收面探测器或者和频晶体。
在一种实施方式中，所述平面探测器可以设置成使得所述基频探测光脉冲和所述倍频参考光脉冲在其中产生三阶和频脉冲分布。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括空间成像光谱仪，用于获取与所述三阶互相关脉冲信号对应的干涉条纹图像。
在一种实施方式中，所述单发激光脉冲检测装置还可以包括运算器，用于根据所述干涉条纹图像通过三阶相关反演运算来获得所述待测激光脉冲的参数；所述参数包括时间波形和/或信噪比。
本发明采用大口径光脉冲转换器与大口径平面探测器诊断飞秒PW激光，与现有技术相比，至少具有以下几个优点：
1、通过采用薄膜结构设计而成的大口径光脉冲转换器与大口径平面探测器诊断飞秒PW激光，使得输入飞秒脉冲变换为空间编码排布和时间连续间断延迟的脉冲序列，从而将时间窗口的问题，转换为在光学口径面上的脉冲串问题，使得光束强度与横向尺寸无关。避免了对待测脉冲光束质量要求高，同时要求大口径激光的问题。加上串联技术，可以期待时间窗口达到8个数量级的测量。
2、通过采用大口径光脉冲转换器将时间窗口的问题，转换为光学口径问题。也就是说将时间延迟转换为空间分布，可以利用空间分布区分、薄膜结构设计、分区中性衰减等措施，空间分辨的分别衰减飞秒PW激光的主脉冲与前沿台阶噪声，从而极大的提高幅度诊断动态范围。加上迭代算法校准等等措施，可以期待幅度动态范围达到15个数量级以上的测量。同时，可以利用国内现有的加工技术来实现大时间窗口的诊断。
3、引入通过薄膜结构设计而成的大口径光脉冲转换器，使待测脉冲在时间和空间上都产生分离，就可以分开操作、分开衰减、分开测量、分开定标。分开操作就可以测量不同时间延迟的信噪比；分开衰减就可以有选择的抑制峰值功率而让边带透过来测量，如此就保证了对噪声的测量准确性；分开定标也就扩大了幅度动态范围的测量。
4、通过采用薄膜结构设计而成的大口径光脉冲转换器与大口径平面探测器诊断飞秒PW激光，由于采用薄膜相干设计和空心夹层设计，使得输入飞秒脉冲变换实现0色散的测量，这样可以保证足够的测量带宽，从而保真的测量。同时这样的结构利用国内现有的加工技术就能够实现。
5、通过采用三阶相关仪两臂的结构、薄膜结构设计等技术诊断飞秒PW激光，避免倍频光激光串与待测基频光没有在同一处相交而导致的很难保证同时满足相位匹配，从而各个光束间的可比性大打折扣的尴尬问题。同时避免了短波长倍频光的光学路径较长以及对光学元器件的损伤的问题。
6、通过将大口径光脉冲转换器与大口径平面探测器平行设计，克服了取样倍频光激光串与待测基频光一起入射到三阶和频产生晶体(THG)中时，除了发生三阶和频效应以外，还会同时发生强烈的相干作用的尴尬问题。并且克服了要保持所有成百上千束倍频光脉冲串与基频光都同时都满足相位匹配条件的非常困难的问题。使用平面探测器的最大好处就是不需要相位匹配，仅仅要求时空同步就可以。
7、采用层析光谱相干光谱相位复原方法来实现精确测量飞秒拍瓦激光脉冲波形，解决了大动态范围超快超强脉冲的诊断困难的问题。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的单发激光脉冲检测装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例1的单发激光脉冲检测装置的光路示意图；
图3是根据本发明实施例2的单发激光脉冲检测装置的光路示意图；
图4是根据本发明实施例3的单发激光脉冲检测装置的光路示意图；
图5是根据本发明实施例4的单发激光脉冲检测装置的光路示意图；
图6是根据本发明实施例5的单发激光脉冲检测装置的光路示意图。
具体实施方式
众所周知，无论原始脉冲的形状如何，二阶相关的输出脉冲只能是对称的曲线，因此无法判断脉冲的前后沿的信噪比。利用三阶非线性效应可以测量出脉冲的非对称形状，从而被选作飞秒PW激光脉冲信噪比测量。而且三阶效应的效率相对还不是很低，有利于提高测试仪器的灵敏度。基于三阶相关仪测量的原理是相关运算：
是由三阶和频产生(SFG，Sum-Frequency generation)而实现的。式(2)中，
是由非线性通过倍频过程实现的。其中τ是相对两个入射脉冲引入的相对延时，时间窗口就对应于其起止范围。从式(2)和式(3)可以看出测量飞秒PW脉冲相位在测试中的重要性。上述非线性过程是基于三波非线性耦合原理，在缓变振幅近似下，正向传输方程为：
从式(4)可以看出飞秒PW脉冲的非线性过程与常规非线性过程显著的不同。除了要求波矢失配Δκ→0，使得相位匹配Δκ＝0以外，其中左边第二项就表明了还有群速度匹配
的要求，从而具有独特的性质。三阶相关仪的测量实际上是一种三次谐波的产生和时间的测量过程，数学表达式描述就是，由式(4)实现式(3)，再由待测激光脉冲与式(3)通过式(4)的非线性过程，最终实现式(2)，输出三倍频光进行测量。虽然在粗略的测量中，也有报道采用三倍频光的信噪比代替基频光的信噪比。但是从上述过程涉及待测脉冲I(ω,t)与三阶互相关I(3ω,t)面探测器的变换可以看出，最好采用迭代算法就(1)-(4)编程进行校准。
这里的三阶互相关信号可以通过光谱剪切相干获得。可以将一束入射光分为两束，让其中一束通过一个线性光谱相位调制器，让另一束通过一个线性时域相位调制器，然后再将它们重叠在一起。线性延时调制器的传递函数为：
S＝exp(iωτ) (5)
其实是外调制一个附加相位。线性频移调制器的传递函数为：
N＝exp(-iΩt) (6)
其实是将输入脉冲在频率域中展宽频移。当两束重叠在一起时，发生干涉：
S(ω，τ)＝|E1(ω-Ω)exp(-iφ1(ω-Ω))+E2(ω)exp(-iφ2(ω))exp(iωτ)|2
＝|E1(ω-Ω)|2+|E2(ω)|2+2|E1(ω-Ω)|·|E2(ω)|·cos[φ1(ω-Ω)-φ2(ω)+ωτ] (7)
经过频率转换和光谱干涉，用光谱仪器进行测量可以得到两束光的光谱干涉条纹。从式(7)中的干涉条纹，可以直接算术求出对应频率的相位差：θ(ω)＝φ1(ω-Ω)-φ2(ω)。由于中心频率对应脉冲最大值，其相位通常是平直的，从而可以通过中心频率处相位确定出整个光谱的相位。由此，通过对测量光谱以及光谱相位进行傅立叶变换，就可以测出待测飞秒拍瓦激光脉冲的时间波形，以及信噪比参数。
本发明在三阶相关仪测量的原理基础上，采用层析光谱相干光谱相位复原方法，利用平面探测器来记录飞秒拍瓦激光脉冲互相关图像，通过三阶相关反演程序迭代计算层析光谱相干光谱相位，求出待测飞秒拍瓦激光脉冲的时间波形，以及信噪比参数。
本发明将待测激光脉冲分为两束，一束通过倍频产生2ω的倍频参考光脉冲，再形成时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的具有双脉冲形式的子脉冲；将另一束1ω的基频探测光脉冲时域展宽并进行光谱分离，然后1ω的基频探测光脉冲与2ω的倍频参考光脉冲共同入射到相位匹配不敏感的非线性晶体上，产生3ω的和频脉冲串，利用其空间分离的特性，反演就可以检测到不同时间延迟的待测脉冲时间波形以及信噪比参数。
图1是根据本发明一个实施例的单发激光脉冲检测装置的示意性图。单发激光脉冲检测装置一般性地可包括平面探测器103；参考光路120，设置在参考光路120中的双脉冲发生器122、光程调节器123、光脉冲转换器124以及衰减器125；探测光路110，设置在探测光路110中的脉冲展宽器111、第二空间滤波器112、色散器113以及平行光发生器114。
其中，探测光路110用于传输基频探测光脉冲，基频探测光脉冲由待测激光脉冲形成。参考光路120用于传输倍频参考光脉冲，所述倍频参考光脉冲由待测激光脉冲通过倍频处理形成。双脉冲发生器122用于从倍频参考光脉冲分出两个倍频光脉冲，以获得双脉冲形式的倍频参考光脉冲，两个倍频光脉冲之间具有第一延时并且沿参考光路120共线传输。双脉冲发生器122可以选为迈克耳孙干涉仪或光纤回荡器。
光程调节器123用于调节基频探测光脉冲在探测光路110上的光程与倍频参考光脉冲在参考光路120上的光程的差异。在该实施例中，光程调节器123设置在参考光路120上，用于增大或减小倍频参考光脉冲在参考光路120上的光程。在其他的实施例中，也可以设置在探测光路110上，或者也可以不用设置。光脉冲转换器124用于将双脉冲形式的倍频参考光脉冲转换为在时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的子脉冲，每个子脉冲均为双脉冲形式。衰减器125用于在倍频参考光脉冲入射到平面探测器之前对一系列子脉冲选择性地分别进行不同程度的衰减。脉冲展宽器111用于将基频探测光脉冲各频率分量进行平移，从而在时域上进行展宽。脉冲展宽器可以具有用于补偿与光束大小有关的高阶色散的望远镜系统。第二空间滤波器112用于提高经展宽的基频探测光脉冲的均匀性。第二空间滤波器可以包括第二望远镜系统以及设置在第二望远镜系统的焦点处的陶瓷狭缝。
色散器113用于将经展宽的基频探测光脉冲进行色散，以将基频探测光脉冲中的各频率分量在空间上进行分离。色散器113可以为反射式或透射式的色散光栅。平行光发生器114用于将经色散的基频探测光脉冲转换为扩大口径的平行光后入射到平面探测器103。平行光发生器114可以为球面反射镜或柱面反射镜，或者为球面透镜或柱面透镜。平面探测器103用于接收来自平行光发生器114的基频探测光脉冲和来自光脉冲转换器124的倍频参考光脉冲，并产生基频探测光脉冲和倍频参考光脉冲的三阶互相关脉冲信号。平面探测器103可以为双光子吸收面探测器。双光子吸收面探测器可以设置成使得基频探测光脉冲和倍频参考光脉冲在其中产生三阶和频脉冲分布。在其他的实施例中，平面探测器也可以为例如半导体面探测器，和频晶体，大口径KDP晶体，微通道板MCP探测器，光频率变换微通道板MCP探测器，或荧光功能玻璃等。平面探测器均可设置成使得基频探测光脉冲和倍频参考光脉冲在其中产生三阶和频脉冲分布。
在图1所示的实施例中，还可以包括分光器102，用于从待测激光脉冲中分出第一部分和第二部分；其中，第一部分进入到探测光路110中，第二部分进入到参考光路120中。在该实施例中，还可以包括用于对待测激光脉冲进行倍频处理的倍频晶体。进一步地，还可以包括与倍频晶体一同使用的第一空间滤波器121或121’。第一空间滤波器包括第一望远镜系统；其中，倍频晶体位于第一望远镜系统的焦点处。第一空间滤波器可以设置在分光器102之前，如图1中的121’所示。待测激光脉冲经倍频晶体进行倍频处理后入射到分光器102，经倍频晶体出射的倍频光脉冲被分光器102分送至参考光路120中作为倍频参考光脉冲传输，基频光被分光器102分送至探测光路110中作为基频探测光脉冲传输。第一空间滤波器也可以设置在分光器102之后的参考光路120中，如图1中的121所示。待测激光脉冲经分光器102分为两路光脉冲，一路作为基频探测光脉冲分送至探测光路110中传输，另一路分送至参考光路120中经倍频晶体形成倍频光，作为倍频参考光脉冲在参考光路120中传输。
该实施例中，还可以包括第三空间滤波器101，用于在使得待测激光脉冲形成为超高斯平顶光束的形式。第三空间滤波器101可以设置在分光器102之前。第三空间滤波器可以包括第三望远镜系统以及设置在第三望远镜系统的焦点处的软边小孔。
图1所示出的实施例中，第一空间滤波器，第二空间滤波器112，第三空间滤波器101，光程调节器123，衰减器125以及平行光发生器114都不是组成本发明的单发激光脉冲检测装置必要的组成部分，但在优选的方案中可以包括在内。
在一个实施例中，第一望远镜系统、第二望远镜系统和/或第三望远镜系统为缩束望远镜系统。在一个实施例中，还可以包括空间成像光谱仪和/或运算器。空间成像光谱仪用于获取与三阶互相关脉冲信号对应的干涉条纹图像。运算器用于根据干涉条纹图像通过三阶相关反演运算来获得待测激光脉冲的参数，如时间波形和/或信噪比等。
在一个实施例中，光脉冲转换器124可以包括高反射镜和部分反射镜；高反射镜和部分反射镜分别为平面镜的形状且相互面对地平行设置。平面探测器103可以设置成平行于光脉冲转换器124的高反射镜和部分反射镜。
在本发明中，因为是单次脉冲测量，为了扩大幅度动态范围，也同时为了扩大测量时间窗口，采用通过特殊设计的大口径光脉冲转换器，将待测脉冲在时间和空间上都产生分离的脉冲串，逐一采用上述三阶相关测量；由于采用平面探测器，这样二维图像保证了探测结果的唯一性，且一次就可以检测到不同时间延迟的待测脉冲信噪比。
在设计单发激光脉冲检测装置时，尽量保证(1)所有光学元器件的色散足够小到可以忽略，或者不致使基频探测光脉冲以及倍频参考光脉冲发生时间或空间上的畸变；(2)使相位匹配带宽足够保证飞秒光不致被展宽或被压缩；为防止倍频效应和三波相互作用中出现“倒空”效应而引起测量结果畸变，必须保持较小的转换效率；(3)在单次脉冲测量中，尤其要使得光束强度与横向(x,y)尺度无关；(4)在共线相关中，必须保证倍频参考光脉冲与基频探测光脉冲严格重合。同时，测量仪器要求具有足够的敏感度，加上由于三阶非线性过程中相位失配需要一个较大的容限，所以采用平面探测器或和频或差频或四波混频的三阶非线性过程，来获得相关信号。
下面示出几个具体实施例来说明图1所示出的单发激光脉冲检测装置在光路中的具体实现形式。
实施例1
如图2所示，由计算机100控制触发器85触发脉冲发生装置(图中未示出)产生单发的待测激光脉冲，再由计算机100控制电快门1打开的时间，当待测激光脉冲通过电快门1(Shutter)时使单发激光脉冲检测装置与脉冲发生装置同步运行，减小仪器内的杂散光，提高仪器本身的信噪比。之后通过二分之一波片2使得待测激光脉冲偏振偏转45度，以调整分光比例；再通过由球面镜41、软边光阑陶瓷小孔71和球面镜42组成的第三空间滤波器(Spatial Filter)，软边光阑陶瓷小孔71设置在其焦点处，是使待测激光脉冲变为超高斯平顶光束，同时扩大光束口径M1倍；通过比例分光镜321将待测激光脉冲分为两路：上臂p偏振的参考光路和下臂s偏振的探测光路。
上臂p偏振的参考光路，通过有球面镜43、非线性晶体LBO晶体72和球面镜44组成的第一空间滤波器，焦点前设置I类匹配(ooe)非线性LBO晶体，产生倍频输出；球面镜44为双色镀膜反射镜，其滤掉o偏振的基频光1ω，反射e偏振的倍频光2ω；此时，相应的上臂p偏振光变为s偏振的倍频参考光脉冲；再由包括双路分光镜731和平面反射镜51、平面反射镜52组成延时线1(Optical Delay Line1)，以及由双路分光镜731和平面反射镜53、平面反射镜54组成延时线2(Optical Delay Line2)的双脉冲发生器产生具有两个不同延时的双脉冲形式并共线传输的倍频参考光脉冲，应用SPIDER技术为产生干涉条纹做准备；这里的双脉冲发生器为迈克耳孙干涉仪。然后通过由平面反射镜55、56、57、58组成的光程调节器(实际上相当于可调长短的延时线)，实现参考光路与探测光路的光程差一致；通过平面反射镜59和平面反射镜60反射后，入射到特殊设计的比例延时分光反射镜40上将双脉冲形式的倍频参考光脉冲转换为在时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的子脉冲，每个子脉冲均为双脉冲形式；这里的比例延时分光反射镜40包括高反射镜和部分反射镜；高反射镜和部分反射镜分别为平面镜的形状且相互面对地平行设置。这些从比例延时分光反射镜40出射的一系列双脉冲形式的子脉冲通过衰减器6进行不同程度的衰减，可以通过衰减器6的电动马达5驱动衰减器6相对比例延时分光反射镜40的出射平面上下移动，以改变一系列双脉冲形式的子脉冲的衰减程度。衰减后的一系列双脉冲形式的子脉冲等待下臂探测光路的基频探测光脉冲以实现相关运算。
下臂s偏振的探测光路，由平面反射镜61反射，入射到由反射光栅81、球面镜45或柱面镜45和平面反射镜50组成的脉冲展宽器上，产生线性啁啾展宽。这里的脉冲展宽器为Offner展宽器(Offner Stretcher)。然后通过由柱面镜46、陶瓷狭缝73和柱面镜47组成的第二空间滤波器(相当于望远镜系统)，焦点前设置陶瓷狭缝73，使得成像光谱均匀，同时扩大光束口径M3倍；形成均匀光束投射到由反射光栅82构成的色散器上，再通过球面镜48或柱面镜48平行投射到大口径双光子吸收面探测器66或者大口径KDP上；由反射光栅81以及反射光栅82产生延时可调的啁啾脉冲，等待上臂一系列双脉冲形式的子脉冲在大口径双光子吸收面探测器66上实现相关运算。
可以通过调整光程调节器的电动马达70，使基频探测光脉冲与倍频参考光脉冲在大口径双光子吸收面探测器66或大口径KDP上时间同步，使双光子吸收面探测器66获得最大信号输出。使用双光子吸收面的最大好处就是不需要相位匹配，仅仅要求时空同步就可以(而KDP则要求所有脉冲串都同时满足相位匹配条件，因此，调试要困难很多，同时注意到制作大口径KDP是非常困难的工作)。同时，为了更好的达到大角度、大带宽的相位匹配，使输出三阶信号3ω最强，需要对面探测成像装置进行精心设计。再由成像镜头80成像，由空间成像光谱仪90记录，由计算机100采集数据，并进行迭代解卷积运算求出待测激光脉冲波形以及信噪比特性。
将上述的各光学器件校准好以后，就可以进行单次脉冲的测量了。可以实行实时检测。另外，空间滤波器不一定都是扩束使用，也可以采用缩束使用；在本发明中由于三阶非线性过程的需要，采用缩束使用更加具有可行，此时要求输入光束有较大的口径。同时，这三个空间滤波器不是必须的，仅为优化设置。若取消这三个空间滤波器，本方案仍然使用，只是此时是高斯分布的光束进行三阶相关运算，算法要修正一下。
实施例2
如图3所示，由计算机100控制触发器85触发脉冲发生装置(图中未示出)产生单发的待测激光脉冲，再由计算机100控制电快门1打开的时间，当待测激光脉冲通过电快门1时使单发激光脉冲检测装置与脉冲发生装置同步运行，减小仪器内的杂散光，提高仪器本身的信噪比。之后通过二分之一波片2使得待测激光脉冲偏振偏转，以适应非线性晶体(ooe)的相位匹配需要，以调整分光比例；再通过透镜20汇聚到非线性倍频晶体371上产生倍频光，这样基频光与倍频光正好相互垂直，通过比例分光镜321将输入脉冲分为两路：上臂p偏振的倍频的参考光路和下臂s偏振的基频的探测光路。
上臂p偏振的参考光路，通过平面镜94反射；再由包括双路分光镜731和平面反射镜51、52组成延时线1(Optical Delay Line1)，以及由双路分光镜731和平面反射镜53、54组成延时线2(Optical Delay Line2)的双脉冲发生器产生具有两个不同延时的双脉冲形式并共线传输的倍频参考光脉冲，应用SPIDER技术为产生干涉条纹做准备；经过二分之一玻片3后通过由平面反射镜55、56、57、58组成的光程调节器，实现参考光路与探测光路的光程差一致；通过平面反射镜59和球面反射镜98反射，入射到特殊设计的比例延时分光反射镜40上将双脉冲形式的倍频参考光脉冲转换为在时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的子脉冲，每个子脉冲均为双脉冲形式；这里的比例延时分光反射镜40包括高反射镜和部分反射镜；高反射镜和部分反射镜分别为平面镜的形状且相互面对地平行设置。这些从比例延时分光反射镜40出射的一系列双脉冲形式的子脉冲通过衰减器6进行不同程度的衰减，可以通过衰减器6的电动马达5驱动衰减器6相对比例延时分光反射镜40的出射平面上下移动，以改变一系列双脉冲形式的子脉冲的衰减程度。衰减后的一系列双脉冲形式的子脉冲等待下臂探测光路的基频探测光脉冲以实现相关运算。
下臂s偏振的探测光路，通过分束镜33，再通过法拉第圆筒97，投射到透射光栅91、透射光栅93上衍射，最后由平面反射镜92反射，从而由透射光栅91、透射光栅93和平面反射镜92构成的脉冲展宽器展宽，在该实施例中，脉冲展宽器为负群速色散展宽器(NegativeGVD Stretcher)。展宽后返回再通过法拉第圆筒97，使得出射光与入射光正好偏振相互垂直；再由分光镜33反射，投射到反射镜95、反射镜96上反射；通过由透镜21、狭缝73和透镜22构成的第二空间滤波器，形成均匀光束投射到由透射光栅83构成的色散器上，再通过透镜35(球面或柱面透镜)平行投射到大口径双光子吸收面探测器66上；由光栅91、93以及透射光栅83产生的延时可调的啁啾脉冲，等待上臂一系列双脉冲形式的子脉冲在大口径双光子吸收面探测器66上实现相关运算。
可以通过调整光程调节器的电动马达70，实现探测光路与参考光路的光程差一致，使基频探测光脉冲与倍频参考光脉冲在大口径双光子吸收面探测器66上时间同步，使双光子吸收面探测器66获得最大信号输出。再由成像镜头80成像，由空间成像光谱仪90记录，由计算机100采集数据，并进行迭代解卷积运算求出待测激光脉冲波形以及信噪比特性。
实施例3
如图4所示，由计算机100控制触发器85触发脉冲发生装置(图中未示出)产生单发的待测激光脉冲，再由计算机100控制电快门1打开的时间，当待测激光脉冲通过电快门1时使单发激光脉冲检测装置与脉冲发生装置同步运行，减小仪器内的杂散光，提高仪器本身的信噪比。之后通过二分之一波片2使得待测激光脉冲偏振偏转，以适应非线性晶体(ooe)的相位匹配需要，以调整分光比例；再通过透镜20汇聚到非线性倍频晶体371上产生倍频光，这样基频光与倍频光正好相互垂直，通过比例分光镜321将输入脉冲分为两路：上臂p偏振的倍频的参考光路和下臂s偏振的基频的探测光路。
其中，上臂p偏振的参考光路与实施例2中的参考光路相同。
下臂s偏振的探测光路，通过分束镜33，再通过法拉第圆筒97，投射到由反射光栅99，透镜23，透镜24，反射光栅81，和平面反射镜92构成的脉冲展宽器上展宽；这里的脉冲展宽器为Martinez展宽器(Martinez Stretcher)。展宽后返回再通过法拉第圆筒97旋转后出射，出射光正好与入射光偏振垂直；再由分束镜33反射；投射到反射镜95、96上反射；通过由透镜21、狭缝73和透镜22构成的第二空间滤波器，形成均匀光束投射到由反射光栅82构成的色散器上，再通过柱面镜48平行投射到大口径双光子吸收面探测器66上；由反射光栅99、81以及反射光栅82产生的延时可调的啁啾脉冲，等待上臂一系列双脉冲形式的子脉冲在大口径双光子吸收面探测器66上实现相关运算。
可以通过调整光程调节器的电动马达70，实现探测光路与参考光路的光程差一致，使基频探测光脉冲与倍频参考光脉冲在大口径双光子吸收面探测器66上时间同步，使双光子吸收面探测器66获得最大信号输出。再由成像镜头80成像，由空间成像光谱仪90记录，由计算机100采集数据，并进行迭代解卷积运算求出待测激光脉冲波形以及信噪比特性。
实施例4
如图5所示，本实施例中所示出的光路与实施例3除了脉冲展宽器不同外，其余完全相同。
图5中的脉冲展宽器是由反射光栅99、反射光栅81和平面反射镜92构成的另一种形式的负群速色散展宽器。下臂s偏振的探测光路，通过分束镜33，再通过法拉第圆筒97，投射到由反射光栅99，反射光栅81，平面反射镜92构成的脉冲展宽器上展宽；展宽后再通过法拉第圆筒97旋转后出射，出射光正好与入射光偏振垂直；再由分束镜33反射；投射到反射镜95、96上反射；通过由透镜21、狭缝73和透镜22构成的第二空间滤波器，形成均匀光束投射到由反射光栅82构成的色散器上，再通过柱面镜48平行投射到大口径双光子吸收面探测器66上。
实施例5
如图6所示，本实施例中所示出的光路与实施例3相比，下臂s偏振的探测光路中的脉冲展宽器和色散器不同。
在本实施例中，脉冲展宽器是由棱镜34、77和平面反射镜92组成的正群速色散展宽器(Positive GVD Stretcher)。色散器由透射光栅构成。具体的光路如下：
下臂s偏振的探测光路，通过分束镜33，再通过法拉第圆筒97，投射到棱镜34、77上色散衍射，再由平面反射镜92反射；展宽后再通过法拉第圆筒97旋转后出射，出射光正好与入射光偏振垂直；再由分束镜33反射；投射到反射镜95、96上反射；通过由透镜21、狭缝73和透镜22构成的第二空间滤波器，形成均匀光束投射到由透射光栅83构成的色散器上，再通过透镜35平行投射到大口径双光子吸收面探测器66上。
在其他的实施例中，实施例1-5中的脉冲展宽器可以替换为其他形式的Martinez展宽器、正群速色散展宽器以及负群速色散展宽器，还可以替换为镀膜的块材料展宽器，非线性光纤或光子晶体光纤展宽器，正色散光纤展宽器，啁啾光纤展宽器，光纤布拉格光栅展宽器，由短的非线性啁啾光纤光栅展宽器和长的线性啁啾光纤光栅展宽器组成的展宽器以及双光纤布拉格光栅展宽器等。实施例1-5中的双脉冲发生器可以替换为光纤回荡器。实施例1-5中的分光器可以替换为光纤比例分光镜。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种单发激光脉冲检测装置，用于检测单发的待测激光脉冲，包括：
探测光路，用于传输基频探测光脉冲；所述基频探测光脉冲由所述待测激光脉冲形成；
参考光路，用于传输倍频参考光脉冲；所述倍频参考光脉冲由所述待测激光脉冲通过倍频处理形成；
设置在所述参考光路中的双脉冲发生器，用于从所述倍频参考光脉冲分出两个倍频光脉冲，以获得双脉冲形式的所述倍频参考光脉冲，所述两个倍频光脉冲之间具有第一延时并且沿所述参考光路共线传输；
设置在所述参考光路中的光脉冲转换器，用于将所述双脉冲形式的所述倍频参考光脉冲转换为在时间上相互延迟的、空间上相互分离的、且基本平行传播的一系列的子脉冲，每个所述子脉冲均为双脉冲形式；
设置在所述探测光路中的脉冲展宽器，用于将所述基频探测光脉冲各频率分量进行平移，从而在时域上进行展宽；
设置在所述探测光路中的色散器，用于将经展宽的所述基频探测光脉冲进行色散，以将所述基频探测光脉冲中的各频率分量在空间上进行分离；
平面探测器，用于接收来自所述色散器的所述基频探测光脉冲和来自所述光脉冲转换器的所述倍频参考光脉冲，并产生所述基频探测光脉冲和所述倍频参考光脉冲的三阶互相关脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
分光器，用于从所述待测激光脉冲分出第一部分和第二部分；其中，所述第一部分进入到所述探测光路中，所述第二部分进入到所述参考光路中；和
用于对所述待测激光脉冲进行所述倍频处理的倍频晶体。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第一空间滤波器，所述第一空间滤波器包括第一望远镜系统；
其中，所述倍频晶体位于所述第一望远镜系统的焦点处。
4.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，还包括：
所述光脉冲转换器包括高反射镜和部分反射镜；所述高反射镜和所述部分反射镜分别为平面镜的形状且相互面对面的平行设置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
所述平面探测器设置成平行于所述光脉冲转换器的所述高反射镜和所述部分反射镜。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
所述脉冲展宽器具有用于补偿高阶色散的望远镜系统。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
平行光发生器，用于将经色散的所述基频探测光脉冲转换为扩大口径的平行光后入射到所述平面探测器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
光程调节器，用于调节所述基频探测光脉冲在所述探测光路上的光程与所述倍频参考光脉冲在所述参考光路上的光程的差异。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
设置在所述参考光路中的衰减器，所述衰减器用于在所述光脉冲入射到所述平面探测器之前对所述一系列子脉冲选择性地分别进行不同程度的衰减；
设置在所述探测光路中的第二空间滤波器，用于提高经展宽的所述基频探测光脉冲的均匀性；和/或
第三空间滤波器，用于使得所述待测激光脉冲形成为超高斯平顶光束的形式。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
空间成像光谱仪，用于获取与所述三阶互相关脉冲信号对应的干涉条纹图像；和
运算器，用于根据所述干涉条纹图像通过三阶相关反演运算来获得所述待测激光脉冲的参数；所述待测激光脉冲的参数包括时间波形和/或信噪比。
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