Research on time domain parameters measurement of single pulse femtosecond laser
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摘要: 钛宝石飞秒激光放大系统具有重复频率低、脉冲波形复杂等特点，为准确测量其峰值功率，提出对单次脉冲波形和脉冲宽度测量的需求。介绍了单脉冲飞秒激光时域波形和脉冲宽度的测量原理和测量方法，设计了基于频率分辨光学开关法的单脉冲飞秒激光时域参数测量装置。讨论了单脉冲飞秒激光时域参数测量校准面临的问题及解决方法。Abstract: The Ti sapphire femtosecond laser amplification system has the characteristics of low repetition frequency and complex pulse waveform. In order to accurately measure the peak power of the femtosecond laser amplification system, the measurement demand of single pulse waveform and pulse width was proposed. The measurement principle and method of single pulse femtosecond laser time domain waveform and pulse width were introduced, the time domain parameters measuring device of single pulse femtosecond laser based on frequency-resolved optical gating method was designed, and the technical problems and solutions in the calibration of time domain parameters measurement of single pulse femtosecond laser were discussed.
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Keywords:
- femtosecond laser /
- pulse width /
- pulse waveform /
- single pulse measurement
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引言
光电倍增管（photomultiplier tube, PMT）是微光探测系统的核心器件[1]，可以工作在紫外光谱、可见光谱甚至近红外光谱区[2]，在化学分析[3]、医学影像[4-5]、粒子物理学[6]、天文学[7]、紫外探测[8]等领域都有着重要应用。自1934年第一只聚焦型PMT诞生以来，各种PMT不断涌现。根据倍增方式，PMT可以分为打拿极PMT、微通道板光电倍增管（microchannel plate-photomultiplier tube, MCP-PMT）以及硅光电倍增管（silicon photomultiplier tube, SiPM）3大类。国外打拿极PMT的研制和生产厂商有日本Hamamatsu公司、英国ET公司和美国BURLE公司等[9]。国内主要有北方夜视技术股份有限公司、中国电子科技集团第五十五研究所以及海南展创光电技术有限公司等单位。但由于国内打拿极PMT起步较晚，产品在性能方面仍有待提升。此外，国内正在建设JUNO探测器、地中海KM3NET中微子探测器以及南极IceCube中微子观测站等，需要大量的高性能打拿极PMT。因此，研发和生产高性能国产打拿极PMT具有重要意义。逐级增益是评价打拿极PMT性能的重要参数之一。
目前，国内尝试通过优化打拿极PMT的电子光学输入系统及倍增极系统结构，以期改进其增益特性，并取得了一定成果。最近中国科学院高能物理研究所与国内PMT产商合作，设计了世界最短的3英寸超紧凑型打拿极PMT，其增益在1100 V电压下可达到106量级，在一定电压下甚至可以达到107量级[10]。增益测试是研发和生产高增益国产打拿极PMT不可缺少的重要环节。现在国内仅有一台由海南展创研制的打拿极PMT逐级增益测试系统，通过人工调整各倍增级的电压设置实现逐级增益测试，操作繁琐且测试效率不高。为提高测试效率，本文拟根据打拿极PMT的逐级增益测试方法，采用实验室自主研发的逐级增益信号控制与处理电路得到输出信号，并基于Visual Studio 2012软件开发平台实现自动测试，设计一套打拿极PMT逐级增益自动测试系统，以期为国产打拿极PMT的逐级增益特性提供准确高效的自动测试手段，并为其增益改进提供参考。
1 测量原理
1.1 打拿极PMT基本结构和工作原理
打拿极PMT主要包括光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统和阳极组成。电子倍增系统是分立的[11]，且有8个以上倍增级[12]，可分为环形笼状、盒栅状、线聚焦形、条状波形、细筛形和微通道板型。图1为盒栅状打拿极PMT的结构示意图[13]。其工作原理如下：入射光透过输入窗照射在光电阴极上，光电阴极因外光电效应产生光电子；施加在光电阴极和多级电子倍增系统间的负高压使得光电子被加速并聚焦到第一倍增级上，第1倍增级随即发生二次电子发射产生更多的倍增电子，这些倍增了的二次电子又被加速聚焦到第2倍增级上……经过多次倍增后，电子被阳极收集并输出。
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图 1 盒栅状打拿极PMT的基本结构示意图Figure 1. Schematic diagram of basic structure for box-grid type of dynode PMT1.2 打拿极PMT逐级增益测试原理
《GB/T 12564—2008 光电倍增管总规范》规定：增益是指在一定工作电压下阳极输出电流与阴极电流的比值[14]。增益可按（1）式计算：
$$ G = \frac{{{I_a}}}{{{I_k}}} $$ (1) 式中：Ia为阳极输出电流，单位为mA；Ik为阴极电流，单位为mA。由此可知，逐级增益和整管增益分别为
$$ {G_i} = \frac{{{I_i}}}{{{I_{i - 1}}}} $$ (2) $$ G = \prod\limits_{_{i = 1}}^k {{I_i}} $$ (3) 式中：Gi是第i级增益；Ii是第i倍增级的阳极输出电流，单位为mA；Ii−1是第i−1倍增级的阳极输出电流，单位为mA；k为打拿极级数。
2 测量装置组成
测试系统由自动光源系统、测试暗箱、信号控制与处理电路和测试软件组成，测试系统的原理图如图2所示。
图3为逐级增益测试系统示意图。信号控制与处理电路、显示屏和工控机均放在机柜内。
2.1 硬件组成
1） 自动光源
测试时一般要求目标阴极电流值为10 nA，且逐级倍增后电流值可能会超过电流计设定阈值，因此需要设计自动光源，通过改变光源输出强度调整输出电流。
卤钨灯的连续光谱波段范围为450 nm ～940 nm，具有体积小、发光效率高、色温稳定、寿命长等特点，是可见-红外波段的理想光源[15]。因此，本文基于色温为2 856 K的24 W溴钨灯设计了自动光源，采用多通道数字电源给其供电。光源在正式工作前必须进行预热才能进入稳定工作状态，为保证测试效率，设计了电动挡板，可以在不改变光源状态的情况下控制光路的通断。
配备了6块光密度（OD）值分别为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0的中性滤光片的电动滤光片轮粗调光源输出强度，相邻2块滤光片之间照度的细调通过电动可调光阑调节。
经过测试，自动光源可以实现10−9 lm～10−3 lm内光源输出强度连续可调，满足测试要求。
2） 信号控制与处理电路
光电倍增管正常工作时，阴极和阳极间的电压可高达上千伏，且要求高压供电电源的稳定性和输入电压的稳定性优于0.05%[16]。为满足上述要求，实验室自主研发了PMT逐级增益测试信号控制与处理电路，包含高压控制模块、电流计模块和继电器阵列。
高压控制模块可产生−3 000V～0 V稳定无过冲电压，可通过RS485串口与其通信，从而实现模式设置、电压调节和高压启停。电流计模块负责采集电流信号，可通过RS485串口将电流值传送至上位机做进一步的处理。此外，电流计有手动和自动2种操作模式，且有1 mA、200 mA、2 μA、10 μA、50 μA、100 μA、500 μA、20 nA共8个档位，在自动模式下，电流计可根据当前电流值大小自动切换至相应的档位。
在逐级测试每个倍增级时，保持前几个倍增级间的电压和分压比不变是个难点，因此设计了如图4所示的继电器阵列，通过多个可变电阻和继电器开关的组合实现了级间电压的通断控制，而且分压稳定性在0.05%以内。其中，R1～R20为可变电阻，SW1～SW42为继电器开关。
2.2 测试软件
在Visual Studio 2012开发环境下，基于模块化设计方法，利用Micorosoft Foundation Classes编写了PMT逐级增益自动测试系统软件，通过ADO数据库访问技术将数据实时保存至Microsoft Access 2010中，其界面如图5所示。软件包含测试信息输入、电源控制、高压电源控制、电流计控制、测试模式设置、继电器阵列控制和数据库操作等功能，并通过多线程开发技术实现自动控制。
3 实验结果与分析
3.1 测试流程
本文对北方夜视技术股份有限公司南京分公司研制的打拿极PMT进行了逐级增益测试。实验过程中，先运行测试软件30 min给溴钨灯预热，光源供电电压为12 V，电流为2 A，保证光源功率为24 W，遮光板保持关闭。再将第一个标准管放至暗箱里的PMT插座上，阴极面对着平行光管出光口。给PMT阴极加上相应的工作电压，使其正常工作。继电器选择阴极测量模式。此时的电流计读数为阴极暗电流值，打开遮光板，调节光阑值，使得电流计读数减去暗电流的电流值能够达到测试要求的目标阴极电流值I0。此时可以准备第一倍增级的增益测试。
测试第一倍增级时，先关闭遮光板，系统自动切换至第一级测试的继电器阵列，输出测试该级所需的高压值。控制电流计读取电流值，当前值为该级暗电流值。再打开遮光板，此时电流计读取的电流需减去该级暗电流值才是该级倍增后的实际电流值I1，根据（1）式可以得出该级增益。余下倍增级各级增益测量方法与第一倍增级相同。PMT的整管增益为各级增益相乘。
3.2 实验结果与讨论
1） 增益特性
一般情况下，PMT的整管增益G与工作电压U的关系为[17]
$$ G = {{a}}{U^b} $$ (4) $$ \ln G = b\ln U + \ln {{a}} $$ (5) 式中：a是常数；b与打拿极材料和倍增级级数有关。由此可知，工作电压对PMT增益有直接影响：工作电压越高，PMT增益越大，且增益G与工作电压U的对数值呈线性关系。
为验证上述理论，分别测试了3个打拿极PMT产品在不同工作电压下的整管增益，结果如表1所示。
表 1 不同工作电压下3个PMT的逐级增益Table 1. Progressive gain of three PMT at different operating voltages工作电压/V 不同管号PMT的增益 9166 9171 R09289 300 3.67×102 4.84×102 1.48×102 400 5.73×103 8.01×103 1.89×103 500 3.60×104 6.87×104 1.17×104 600 1.18×106 4.07E×105 6.43×104 700 1.21×106 1.90×106 2.27×105 800 5.15×106 8.00×106 9.54×105 900 1.44×107 2.70×107 2.69×106 1000 3.50×107 7.92×107 7.20×106 1100 1.10×108 2.22×108 1.58×107 1200 2.82×108 6.76×108 4.77×107 1300 8.82×108 1.30×109 8.76×107 基于最小二乘法在Matlab平台对数据进行拟合，得到的增益特性曲线如图6所示。
从图6可以看出，随着工作电压逐渐升高，PMT的整管增益越来越大，且整管增益与工作电压的对数值确实呈线性关系。
2） 重复性测试
重复性是评价测试系统性能的重要指标。其计算方法如下：
$$ \sigma = \sqrt {\frac{{\sum {{{({x_i} - x)}^2}} }}{{n - 1}}} $$ (6) $$ \delta = \frac{\sigma }{x} \times 100{\text{%}} $$ (7) 式中：δ为重复性；σ为标准差；x是n次测试的平均值；xi是第i次测得的数据。
首先在工作电压为1 000 V的情况下，分别对编号为PPH、8160和PJ的打拿极PMT样品连续测试6次，得到的测试数据和计算出的重复性结果分别如表2、表3和表4所示。
表 2 PPH号PMT逐级增益测量结果Table 2. Progressive gain measurement results for PMT of PPH级数 测试次数 重复性/% 1 2 3 4 5 6 1 6.272 6.186 6.322 6.144 6.067 6.267 1.53 2 6.483 6.527 6.484 6.482 6.541 6.535 0.44 3 5.253 5.289 5.261 5.267 5.279 5.269 0.24 4 5.735 5.679 5.624 5.595 5.649 5.629 0.87 5 2.989 3.012 3.004 3.006 3.011 3.005 0.28 6 2.719 2.739 2.741 2.748 2.744 2.745 0.38 7 4.984 4.976 4.958 4.95 4.981 4.968 0.27 8 5.334 5.363 5.347 5.365 5.379 5.367 0.30 9 3.879 3.904 3.909 3.882 3.908 3.901 0.34 10 3.138 3.138 3.125 3.150 3.130 3.140 0.28 整管增益 3.23×106 3.27×106 3.23×106 3.15×106 3.20×106 3.7×106 1.45 表 3 8160号PMT逐级增益测量结果Table 3. Progressive gain measurement results for PMT of 8160级数 测试次数 重复性/% 1 2 3 4 5 6 1 11.080 11.342 11.302 11.316 11.300 11.149 0.95 2 2.626 2.631 2.630 2.628 2.635 2.633 0.12 3 2.668 2.637 2.647 2.642 2.653 2.650 0.40 4 2.140 2.069 2.088 2.073 2.084 2.087 1.23 5 1.947 1.928 1.939 1.935 1.940 1.943 0.34 6 2.082 2.088 2.085 2.090 2.083 2.090 0.17 7 2.425 2.410 2.414 2.417 2.415 2.418 0.21 8 1.953 1.950 1.948 1.951 1.945 1.953 0.16 9 2.005 1.997 2.000 1.996 1.994 1.999 0.19 10 1.905 1.905 1.899 1.904 1.900 1.900 0.15 11 1.869 1.856 1.862 1.865 1.859 1.867 0.27 整管增益 2.27×104 2.18×104 2.21×104 2.20×104 2.20×104 2.21×104 1.38% 由表可知，单级增益测试重复性大部分在0.12%～0.95%之间波动，个别单级增益重复性超过1%，但仍小于2%。整管增益测试重复性最高为1.94%，也在2%以内。因此测试结果重复性保持在2%以内，系统重复性很好。并且，前几个倍增级由于光很弱，光电流与暗电流比值较小，暗电流对测试结果影响较大，导致重复性波动，随着光强的增大，光电流逐渐加大，重复性也趋于稳定。
表 4 PJ号PMT逐级增益测量结果Table 4. Progressive gain measurement results for PMT of PJ级数 测试次数 重复性/% 1 2 3 4 5 6 1 3.821 3.843 3.817 3.998 3.844 3.833 1.78 2 4.884 4.856 5.080 4.889 5.041 4.882 1.94 3 7.052 7.140 7.090 7.099 7.086 7.048 0.48 4 7.146 7.132 7.025 7.079 7.182 7.128 0.78 5 8.511 8.582 8.499 8.468 8.477 8.502 0.47 6 6.577 6.581 6.541 6.627 6.544 6.571 0.47 7 8.85 8.845 8.850 8.868 8.755 8.842 0.46 8 6.777 6.735 6.744 6.757 6.686 6.738 0.45 9 9.400 9.450 9.436 9.343 9.305 9.398 0.59 整管增益 2.97×107 3.02×107 3.0×107 3.09×107 2.98×107 2.94×107 1.71 3.3 误差分析
本文所述测量方法中，影响打拿极PMT逐级增益测量准确性的主要因素是高压电源的稳定性和电流计的稳定性，因此，本文对高压电源的稳定性和电流计的稳定性进行了测量。
为了具体分析，在高压电源空载输出1 000 V的情况下，对其输出进行了测量，并读取了编号为PVB2210-4002的PMT工作时，在该电压下电流计的输出值，结果如表5所示。
表 5 高压电源输出和电流计输出6次测量结果Table 5. Six measurement results output by high-voltage power supply and galvanometer序号 电压/V 电流/μA 序号 电压/V 电流/μA 1 996.0 1.5815 4 999.8 1.5807 2 1 001.0 1.5796 5 1 000.0 1.5823 3 998.5 1.5800 6 1 000.4 1.5803 高压电源输出误差引起的标准不确定度分量u1和电流计测量误差引起的标准不确定度分量u2为
$$ {u_1} = \sqrt {\frac{{\displaystyle\sum\limits_{n = 1}^6 {{{({x_n} - x)}^2}} }}{{6 \times (6 - 1)}}} \approx 0.0006 $$ $$ {u_2} = \sqrt {\frac{{\displaystyle\sum\limits_{n = 1}^6 {{{({x_n} - x)}^2}} }}{{6 \times (6 - 1)}}} \approx 0.0018 $$ 由于不确定度分量u1和u2相互独立，它们之间的相关系数为0 ，根据合成标准不确定度的计算公式可得：
$$ u = \sqrt {u_1^2 + u_2^2} \approx 0.0019 $$ 4 结论
针对国产高性能打拿极PMT的逐级增益性能检测需求，结合打拿极PMT的工作原理，设计了一套可自动检测打拿极PMT逐级增益的测试系统，实现了光源自动调节、信号采集转换和数据保存等多项功能。在测试电路里设计了继电器阵列，成功解决了倍增级极间电压难以自动控制的难题。通过改变打拿极PMT电压获得了相应的电压增益关系曲线，并在Matlab平台上进行了拟合，结果表明打拿极PMT的增益与工作电压符合指数关系。此外，在1 000 V工作电压下，对3只打拿极PMT进行了增益测试，测试结果重复性稳定在2%以内。该系统为国产打拿极PMT的增益特性提供了准确高效的自动测试手段，为提升打拿极PMT的增益性能提供了实验支撑。
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图 2 单脉冲SHG-FROG信号光与光开关延迟示意图
Figure 2. Schematic diagram of delay time for single pulse SHG-FROG signal light and optical gating
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图 4 单脉冲飞秒激光时域参数测量装置组成图
Figure 4. Composition block diagram of time domain parameters measuring device for single pulse femtosecond laser
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图 5 热释电激光能量计探头硬件组成图
Figure 5. Composition block diagram of pyroelectric laser energy meter probe hardware
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图 6 FROG脉冲波形测量单元组成图
Figure 6. Composition block diagram of FROG pulse waveform measurement unit
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