高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置

摘要

一种高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置，特点在于其构成包括：高速数字示波器和待测的高功率激光器；由第一光电探测器通过第一电缆接所述的高速数字示波器第一输入端构成外触发线路；在所述的待测的高功率激光器的多个待测点设置多路采样光路：每路采样光路由依次连接的取样镜、光衰减器、耦合装置和采样光纤构成；所述的多路采样光路的采样光纤与光纤合束器的输入端相连，该光纤合束器的输出端与第二光电探测器相连，该第二光电探测器的输出端经第二电缆与所述的高速数字示波器的第二输入端相连。本发明具有体积小、抗干扰能力强、长度可调、光束导向灵活、便于集成控制等优点。

权利要求

1.一种高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置，特征在于其构成包括：

高速数字示波器和待测的高功率激光器；

由第一光电探测器通过第一电缆接所述的高速数字示波器的第一输入端构成外触发线路；

在所述的待测的高功率激光器的多个待测点设置采样光路形成多路采样光路：每路采样光路由依次连接的取样镜、光衰减器、耦合装置和采样光纤构成，所述采样光纤的长度依次增加，以保证各路光纤传输的光信号在达到光纤合束器的时间相互隔开；

所述的多路采样光路的采样光纤都与所述的光纤合束器的输入端相连，该光纤合束器的输出端与第二光电探测器相连，该第二光电探测器的输出端经第二电缆与所述的高速数字示波器的第二输入端相连。

2.根据权利要求1所述的高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置，其特征在于，所述的耦合装置的构成包括伽利略望远镜和显微物镜，该伽利略望远镜的长焦距的凸透镜和短焦距的凹透镜分别置于两个四维调节架上，用带显微物镜架和采样光纤端面固定装置的五维调整架夹持所述的显微物镜和采样光纤并置于一个带光纤夹具的五维光纤耦合架上，所述显微物镜的数值孔径小于采样光纤的数值孔径。

3.根据权利要求1所述的高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置，其特征在于，所述的采样光纤是多模石英光纤。

说明书

高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及高功率激光器时间波形测量，尤其是一种高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置。

背景技术

[0002] 惯性约束聚变(ICF)的研究和发展对驱动激光及其诊断系统提出了十分严格的要求。黑腔靶内靶球温度的均匀性、超热电子的产生与驱动激光的宏观参数(能量、束数、排布方式)及细致参数密切相关。细致参数中最重要的一个指标是各路激光的功率平衡。功率平衡的内容包括各路光束脉冲的能量平衡、波形一致等。目前，对于脉宽为纳秒量级的驱动激光，其时间特性的测量还仅限于现有测量设备：光电探测器将光信号转化为电信号、一个示波器通道对应一个测量点的诊断。由于高时间分辨率的测量设备，如高速数字示波器，价格昂贵，而且高功率激光装置参数诊断系统中测量点多且各测量点距离较远，如果每个测量点对应一套测量装置，不仅成本高昂，而且增加了系统的复杂性，不便于系统的维护和实时多路测量。

发明内容

[0003] 本发明的主要任务是克服多个采集点带来的测量成本的提高和系统的复杂性，提供一种高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置，该装置测量高功率激光时间波形应具有经济、简洁、高效的特点。

[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

[0005] 一种高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置，特点在于其构成包括：

[0006] 高速数字示波器和待测的高功率激光器；

[0007] 由第一光电探测器通过第一电缆接所述的高速数字示波器的第一输入端构成外触发线路；

[0008] 在所述的待测的高功率激光器的多个待测点设置采样光路形成多路采样光路：每路采样光路由依次连接的取样镜、光衰减器、耦合装置和采样光纤构成；

[0009] 所述的多路采样光路的采样光纤与光纤合束器的输入端相连，该光纤合束器的输出端与第二光电探测器相连，该第二光电探测器的输出端经第二电缆与所述的高速数字示波器的第二输入端相连。

[0010] 所述的耦合装置的构成包括伽利略望远镜和显微物镜，该伽利略望远镜的长焦距的凸透镜和短焦距的凹透镜分别置于两个四维调节架上，用带显微物镜架和采样光纤端面固定装置的五维调整架夹持所述的显微物镜和采样光纤并置于一个带光纤夹具的五维光纤耦合架上，所述显微物镜数值孔径小于采样光纤的数值孔径。

[0011] 所述的采样光纤是多模石英光纤。

[0012] 所述采样光纤的长度依次增加，以保证各路光纤传输的光信号在达到所述的光纤合束器的时间相互隔开。

[0013] 所述的取样镜用是取待测点信号光的一部分来测量，而且保证测量光路不会对高功率激光器本身的光路造成干扰。

[0014] 所述的光衰减器用来衰减信号光以同时保证：

[0015] 1、将信号光能量衰减到小于光脉冲在光纤中非线性传输的阈值；

[0016] 2、光纤合束器输出的光信号能量大于光电探测器的线性响应阈值。

[0017] 所述的耦合装置是将空间光耦合到光纤的耦合装置用以将测量点的光信号耦合到采样光纤中去；对应于各个测量点的光纤长度依次增大，经采样光纤传输后的各路光脉冲在时间上拉开相应的间隔；所述的光纤合束器将各路光纤中的信号合并到一路光纤中输出；第二光电探测器探测光纤合束器中输出的待测信号，第一光电探测器探测高功率激光器的触发信号；所述的光电探测器将光信号转变为电信号后通过相应的电缆，将电信号送入所述的高速数字示波器。该高速数字示波器的第二输入端接收合成后的信号，在该示波器的界面上同时显示多个测量点的激光脉冲的时间波形。

[0018] 本发明的技术效果：

[0019] 本发明采用的外触发方式，可以减小激光装置各个电源系统所产生的高频电磁辐射对高速数字示波器工作的干扰。

[0020] 本发明中所述的空间光到光纤的耦合装置包括伽利略望远镜和显微物镜的组合。使用伽利略望远镜具有长焦距的凸透镜和短焦距的凹透镜，先将光束进行准直、缩束，这样做可以使光束更好地聚焦后平行传输。伽利略望远镜是因为它没有内部实焦点，否则容易使激光束聚焦产生的高功率密度会使周围空气电离。在伽利略望远镜之后，用短焦距的显微物镜进行聚焦耦合，其数值孔径接近并稍微小于采样光纤的数值孔径。当入射光斑直径小于光纤纤芯直径，且入射光锥的数值孔径小于光纤的数值孔径时，有较大的耦合效率。所述的采样光纤是多模光纤，多模光纤纤芯直径较大、数值孔径高，可以减小光脉冲到光纤耦合的调节难度，同时保证较高的耦合效率；所述的多模光纤为渐变折射率光纤，其模间色散小，传输带宽大，既能满足测量对于带宽的需要又能保证光纤的耦合传输效率，是较佳的选择；所述的光纤进一步包括石英包层光纤，因为石英包层光纤相对于塑料包层光纤而言有较高的抗损伤阈值，可以减小由于激光能量过高而导致的光纤损伤的可能，同时石英包层光纤具有较高的数值孔径，其耦合效率高于有相同纤芯直径的塑料包层光纤。

[0021] 本发明高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置的突出优点是：用一个光电转换器完成多个采样脉冲的光电转换，用一个示波器通道实现多个信号的采集和存储，利用这些特点可以大量简化激光脉冲时间波形测量系统；用光纤对目标脉冲进行采样，使得该装置还具有抗干扰能力强、长度可调、光束导向灵活、易于集成等优点。采用本发明高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置使得测量成本大幅降低，对提高驱动器束间功率平衡诊断能力有重要意义。

附图说明

[0022] 图1是本发明高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置实施例的光路结构示意图

[0023] 图2是光纤采样测量装置四路光纤测试结果图

[0024] 图中：

[0025] 1、11、12、13-取样镜，2、21、22、23-光衰减器，3、31、32、33-耦合装置，4、41、42、43-采样光纤，5-光纤合束器，6-第一光电探测器，61-第二光电探测器，7-第一电缆、
71-第二电缆，8-高速数字示波器，9-高功率激光器

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详细描述。

[0027] 先请参阅图1，图1是本发明高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置实施例的光路结构示意图。由图可见，本发明高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置的构成包括：

[0028] 高速数字示波器8和待测的高功率激光器9；

[0029] 由第一光电探测器6通过第一电缆7接所述的高速数字示波器8的第一输入端构成外触发线路：；

[0030] 在所述的待测的高功率激光器9的多个待测点设置多路采样光路：每路采样光路由依次连接的取样镜1、11、12、13、光衰减器2、21、22、23、耦合装置3、31、32、33和采样光纤4、41、42、43构成；

[0031] 所述的多路采样光路的采样光纤4、41、42、43与光纤合束器5的输入端相连，该光纤合束器5的输出端与第二光电探测器61相连，该第二光电探测器61的输出端经第二电缆71与所述的高速数字示波器8的第二输入端相连。

[0032] 所述的耦合装置3、31、32、33的构成相同，包括伽利略望远镜和显微物镜，该伽利略望远镜的长焦距的凸透镜和短焦距的凹透镜分别置于两个四维调节架上，用带显微物镜架和采样光纤端面固定装置的五维调整架夹持所述的显微物镜和采样光纤并置于一个带光纤夹具的五维光纤耦合架上，所述显微物镜数值孔径小于采样光纤的数值孔径。

[0033] 所述的采样光纤4、41、42、43是多模石英光纤。

[0034] 图1中示出高功率激光器4个测量点：第一测量点、第二测量点、第3测量点和第4测量点对应的高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置各路光纤采样测量装置，是本发明的一个实施例，该实施例用四路采样光纤对高功率激光器9的四个测量点进行光纤采样并束测量。

[0035] 本实施例中使用的采样光纤4、41、42、43为纤芯直径400um的多模石英光纤，其长度分别是1m、4m、7m、10m，光纤长度间隔为3m，可以保证四条光路到达高速数字示波器8的时间间隔约为13.5ns，以保证各路信号之间不会产生重叠干扰(光脉宽为3ns)。通过计算获得对于本实施例中光纤，波长1053nm、脉宽3ns的光信号，产生非线性的功率阈值为3142w，所述的光电探测器51的功率响应阈值为10w。本实施例中采用较佳的10倍衰减后获得592w的待测光脉冲信号，以保证信号在采样光纤4、41、42、43中线性传输同时输出信号能够被第二光电探测器51探测到。

[0036] 空间光到光纤的耦合装置3、31、32、33，都包括伽利略望远镜和显微物镜的组合。伽利略望远镜的长焦距的凸透镜和短焦距的凹透镜分别置于两个四维调节架上，用带显微物镜架和采样光纤端面固定装置的五维调整架夹持所述的显微物镜和采样光纤。高功率激光器输出的波长为1053nm，束腰直径为40mm，通过伽利略望远镜对其进行准直缩束，缩束比为10∶1，缩束后的束腰直径为4mm。10倍显微物镜位于缩束后束腰的位置。将活接头连同采样光纤插入五维调整架夹持光纤接头，然后固紧活接头。利用五维调整架调节光纤端面和显微物镜的距离，本实施例中当采样光纤端面和显微物镜的距离为6-7mm时，空间光到光纤的耦合效率最高。第一光电探测器5采集待测的高功率激光器8的触发信号光转换成电信号后通过第一电缆触发所述的高速数字示波器7，第一测量点、第二测量点、第n-1测量点和第n测量点的光信号由各自的取样镜1、11、12、13取样，经相应的光衰减器2、21、
22、23、耦合装置3、31、32、33和采样光纤4、41、42、43后，通过光纤合束器5集合到一起，将输出的光信号送到第二光电探测器61感光面上，信号转换成电信号后通过第二电缆71传输到高速数字示波器8上。

[0037] 测试结果如图2所示，表明本发明中的装置可以成功地在高速数字示波器的一个通道上现实四路波形测量。本发明具有体积小、抗干扰能力强、长度可调、光束导向灵活、便于集成控制等优点。