[發明專利]基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置和方法

在審

• 申請號: 202210321264.1
• 申請日: 2022-03-24
• 公開（公告）號: CN114739521A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 朱坪;徐英明;易友建;朱健強;劉誠;謝興龍;潘興臣
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01J11/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置，其特征在于，包括：

波前分束模塊(1)，用于將待測光束按能量比Q1∶Q2分束，Q1和Q2根據需求確定；

光柵分束模塊(2)，用于將分束后的待測光束分為不同角度的子光束；

波長選通模塊(3)，使不同角度的子光束通過不同的窄帶波長；

波前調制模塊(4)，用于對待測波前進行波前調制；

探測器模塊(5)，用于記錄經過波前調制模塊(4)調制后波前的光強。

時間相位測量模塊(6)，用于測量超短脈沖時間相位分布；

控制及數據處理模塊(7)，用于控制探測器模塊(5)，及時記錄衍射光斑，并存儲衍射光斑，對數據進行處理。

2.根據權利要求1所述的基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置，其特征在于，在所述波前分束模塊(1)之前同光軸設有激光器模塊(8)，該激光器模塊(8)為超短脈沖光源。

3.根據權利要求2所述的基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置，其特征在于，所述的激光器模塊(8)，產生啁啾脈沖光束還包括：色散棱鏡A(9)和色散棱鏡B(10)，用于產生空間啁啾脈沖。

激光器模塊(8)產生的脈沖光束，經過色散棱鏡A(9)和色散棱鏡B(10)之后生成啁啾脈沖作為系統的待測光束。

4.根據權利要求2所述的基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置，其特征在于，在所述的波前分束模塊(1)和光柵分束模塊(2)之間，沿光路還依次設有色散透鏡A(11)和色散透鏡B(12)，用于產生空間啁啾脈沖。

5.根據權利要求1-4任一所述的基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置，其特征在于，所述的光柵分束模塊(2)為振幅型或相位型二維光柵。

6.根據權利要求1-4任一所述的基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置，其特征在于，所述的波前調制模塊(4)為二元臺階相位波前調制器、三元臺階相位波前調制器、十元臺階相位波前調制器、連續相位調制器、連續振幅相位調制器或純振幅型波前調制器。

7.利用權利要求1-6任一所述的基于空頻復用的單次曝光超短脈沖時空測量裝置進行單次曝光超短脈沖時空測量方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

步驟1)標定波前調制模塊(4)對某一波長的復振幅透過率函數T_m，m表示為光柵不同的衍射級次，m＝1，2，3..M；

步驟2)波前調制模塊(4)之前的光束復振幅分布，初始猜測公式如下：

Oguess_m＝Aguess_m·(rand(nx，ny)·exp(i·rand(nx，ny)·π))_m

式中，Aguess_m為第m個衍射級次的振幅系數，rand(nx，ny)為產生nx行，ny列的隨機矩陣，nx和ny分別是運算數據矩陣的行和列；

步驟3)控制及數據處理模塊(7)波前迭代計算過程：

①前向傳播過程：初始猜測波前Oguess_m經過波前調制模塊(4)后變為波前：P_m＝Oguess_m·T_m，然后波前P_m傳播至探測器模塊(5)得到波前其中表示波前的前向傳播過程，L為傳播距離，L₃₄為波前調制模塊(4)與探測器模塊(5)之間的距離；

由探測器模塊(5)記錄的衍射光斑IA，對衍射光斑IA分割為不同波長對應的衍射光斑I_m＝cut(IA)，cut()為分割操作；

控制及數據處理模塊(7)對波前IP_m進行更新：IP′_m＝I_m·exp(i·angle(IP_m))，并計算估計衍射光斑與記錄衍射光斑之間的誤差RMS，公式如下：

RMS＝sum(I_m)/(sum(IP′_m²)-sum(I_m))²

其中，sum為對矩陣中所有元素進行求和，angle為對波前取相位操作；

②后向傳播過程：更新后的波前IP′_m后向傳播至波前調制模塊(4)得到波前其中表示后向傳播過程，L為傳播距離；

利用以下更新公式得到波前調制模塊(4)前的波前為：

Oguess′_m＝Oguess_m+conj(T_m)/max(conj(T_m)·T_m)·(P′_m-P_m)

將更新后的波前Oguess′_m傳播至焦點面，得到焦點面波前施加孔函數更新焦點面波前為：F′_m＝F_m·R_n，其中R_m為第m個波前對應的孔函數；然后將F′_m傳播至波前調制模塊(4)之前得到調制模塊(4)前的波前

用更新后的波前U_m代替初始猜測波前Oguess_m，進行下一次迭代，直到誤差RMS小于預定值結束迭代過程，得到每個波長對應波前調制模塊(4)之前的波前分布，將波前進行傳播可以得到其他位置不同波長待測光束的空間相位分布，表示為

步驟4)：由時間相位測量模塊(6)可以測量得到不同時間對應的復振幅，其復振幅表示為結合步驟3)中得到的可以將N個實現時空耦合，得到待測脈沖的波前分布