新方法测量高功率激光调频脉冲波形

本文为中国激光第1734篇。

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封面文章| 张波,彭志涛,孙志红,夏彦文,卢宗贵,董军. 基于阵列透镜和光纤集束的调频脉冲波形测试技术[J]. 中国激光, 2020, 47(3): 0301004

高功率激光装置中，脉冲波形的准确测量对于评估装置输出性能和物理实验数据分析具有重要意义。传统的透镜耦合单模光纤测量方式抗干扰能力强，但近场耦合效率低，测量结果难以反映光束近场的整体时间波形；可采用光束聚焦后直接进入大口径真空光电管的方法测量，结果准确，但抗干扰能力和经济性较差。

调频脉冲波形测量系统应具备三个特性方能满足波形准确、经济测量的需要：一、近场取样比例应尽可能高以消除奇异点对测量结果的影响；二、具备较强的抗电磁干扰能力；三、可进行多光路测量设备复用。

中国工程物理研究院激光聚变研究中心激光参数测量课题组提出了一种基于阵列透镜和大芯径高带宽光纤集束的调频脉冲测量方法。该方法通过大芯径高带宽多模光纤提供较大的接收孔径，利用阵列透镜子孔径拼接取样方式降低取样光斑在光纤端面的漂移，两者相结合实现了光束近场能量到光纤集束的高效稳定耦合，完成了脉冲的高对比度保真测量，为大型激光装置调频脉冲波形准确测量提供了技术路径。

该方法采用阵列透镜进行取样，渐变折射率多模光纤集束进行传输，其系统原理如图1所示。光路A束组中任一光路的光束经一个3×3排布的微透镜阵列耦合到光纤集束中并长程传输到真空光电管，真空光电管完成被测光束光电转换后将输出电信号接入功率分配器和示波器，示波器记录光电管的输出信号从而完成该路激光脉冲波形的测量，多路光束间通过控制光纤集束的长度实现时分复用测量。

图1 波形测试系统原理结构图

对调频脉冲的实际测试效果如图2所示，在不同的输入波形下阵列透镜耦合光纤集束取样测量得到的时间波形均与近场全口径聚焦取样测量得到的波形一致。这表明本技术方案可实现光束近场整体时间特性的保真测量；光纤集束输出幅值可达6.3 V，如使用功分器将此信号分为两路后单路幅值为3.15 V，示波器能够明显分辨识别的信号最小幅度为约5 mV，波形保真测量的对比度为630:1。

图2 调频脉冲波形测量的实验结果。(a)输入波形无幅度调制；(b)输入波形有幅度调制

该研究结果为高功率激光装置波形测量系统的建设提供了技术支撑，并能够有效降低波形测量系统的建设成本。

课题组介绍

中国工程物理研究院激光聚变研究中心激光参数测量课题组主要从事大型激光装置激光脉冲特性参数测量精密诊断工作，以更精确、更可靠为目标，从器件、部组件到系统多层面研究开发高动态精密激光参数测量技术，致力于为激光装置提供稳定可靠的测量系统和精确的测量数据。

主持承担的科研项目有国家863重点项目，国家自然科学基金（面上，青年）项目，国防基础科研项目，近五年发表文章EI、SCI论文20余篇，申请专利20余项。

延伸阅读：

[1] 李磊,张波,夏彦文,彭志涛,董军,孙志红. 基于自聚焦透镜耦合光纤取样的高功率激光装置调频脉冲时间波形测量技术[J]. 中国激光, 2017, 44(5): 0504002

[2] 宋巍,刘奂奂,庞拂飞,杨俊锋,张春香,文建湘,商娅娜,黄素娟,陈娜,曾祥龙,王廷云. 倾斜锥形微透镜单模光纤激发高阶涡旋光模式[J]. 中国激光, 2019, 46(9): 0906001

[3] 孙志红,吕嘉坤,张波,董军,卢宗贵,彭志涛. 高功率激光装置三倍频脉冲时间波形测量技术[J]. 中国激光, 2016, 43(3): 0308001

[4] 李 磊,张 波,夏彦文,彭志涛,董 军,孙志红. 高功率激光装置中调频小宽带脉冲的时间波形与光谱的关联特性[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(10): 101405

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