轉鏡式自相關測量儀的製作方法
2023-09-21 12:37:05
專利名稱：轉鏡式自相關測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種主要用於測量超短雷射脈衝寬度(10-14～10-12秒)的轉鏡式自相關測量儀。
由於電子探測技術的時間極限分辯率，目前一般制約在1皮秒(10-12秒)左右，人們只能用光學方法來測量飛秒量級(10-15～10-13秒)的雷射脈寬。多年來，測量皮秒量級(10-12～10-10秒)或飛秒量級雷射脈寬的主要方法有二次諧波相關法。根據該方法製作的儀器稱為自相關測量儀。
目前，這種儀器大多處於實驗室階段，而且某些局部結構不太合理或過於複雜，儀器調試困難，使用步驟繁瑣，可重複性差。並且往往用一些散件拼湊起來，沒有成為一個真正意義上的儀器。
自相關測量儀中比較重要的部分是一個可引起光程變化的部件。在一般的自相關測量儀中，該部件由裝在沿光線方向前後振動的喇叭上或步進電機帶動的可前後位移的機構上的全反射鏡實現的。由於喇叭振動位移極小，相應光程掃描範圍小，從而儀器調試困難。而且喇叭振動是非線性的，給測量結果帶來誤差。用步進電機帶動的機構，結構比較複雜，而且步進電機來回位移頻率較小，不能實時監測。
本實用新型的目的是設計一種結構緊湊、使用方便的轉鏡式自相關測量儀，以達到調試方便快速，運行穩定，可重複性好，適用範圍廣，抗幹擾能力強，可實時檢測等要求。
本實用新型測量光脈衝寬度的基本光路依著光束前進方向依次是將待測光脈衝輸進自相關測量儀透光光闌24，經過半反鏡6將光脈衝分成兩束強度相同的光脈衝，分別通過不同的光路。其中一路由半反鏡6反射後，再經過全反鏡M5、M3、M4一系列反射後沿原光路返回到半反鏡6，此時有50％的光透過半反鏡6到透鏡7。為敘述方便起見，將該光脈衝稱為R光脈衝，R光脈衝從半反鏡6到透鏡7所經過的光程稱為光程R。待測光脈衝另一路透過半反鏡6後，再經過全反鏡M2及全反鏡M1後也回到半反鏡6(可能不是原路返回)，到達半反鏡6後50％反射到透鏡7上。同樣為敘述方便起見，將該光脈衝稱為T光脈衝，T光脈衝從半反鏡6到透鏡7所經過的光程稱為光程T。經過透鏡7聚焦，兩光脈衝在透鏡7焦點處相交，在此處放一倍頻晶體8，如果光程T和R非常接近，光脈衝在時間上有重疊，則在倍頻晶體8內相互作用產生諧波信號，經過光電倍增管9將光脈衝轉換成放大的電信號，接到示波器上即可觀測到諧波信號，如圖1所示。由於全反鏡M3、M5是裝在一個由電機20驅動的轉鏡板29上。隨著電機20的轉動，光程R是隨著時間變化的。正是由於光程R的變化，使得光脈衝T和R有不同的重疊，產生不同強度的諧波信號，再利用光程R與時間的關係，就可得到諧波信號與時間的曲線，從而得到諧波信號寬度，再乘以一個與光脈衝形狀有關的係數，就得到了光脈衝寬度，即光脈衝寬度DL＝ADX，其中A為一個與脈衝形狀有關的常數，DX為測得的諧波信號寬度。
本實用新型的總體結構見圖2，是個光機電一體化的儀器。在一個不易變形的密閉的金屬外殼18的底板13上固定有光闌座23上裝有透光光闌24，調整架25裝有半反鏡6，調整架14裝有全反鏡M2，調整架11裝有全反鏡M1，調整架17裝有全反鏡M4，轉鏡22含有全反鏡M3、M5，帶有電機20的轉鏡板29，在晶體透鏡座12上裝有倍頻晶體8和透鏡7，光電倍增管9裝在光電倍增管筒10內，時間延遲觸發器含有光電開關16和延遲電路19，觸發器的觸發信號耦合到轉鏡22上，以提供示波器所需要的同步觸發信號。觸發器的同步觸發信號插座27，光電倍增管9輸出的諧波信號插座28，連接於延遲電路19的時間延遲旋鈕21，千分杆26和其它插座、開關等則安置在外殼18的面板上光脈衝是通過透光光闌24進入自相關測量儀的。可以更換不同大小的透光光闌24。由於光闌座23的特殊結構，總能保持透光光闌24在所需的固定位置上。在放置自相關測量儀時，需要調整自相關測量儀的位置，使待測光束垂直於自相關測量儀上帶有透光光闌24的面板而入射到透光光闌24內。因而透光光闌24起到了衰減光強和對自相關測量儀定位的雙重功能。
光束到達半反鏡6後，50％反射到轉鏡22上。全反鏡M3和M5二反射面相對平行固定在轉鏡板29上，而轉鏡板29固定在一個電機20上。打開電機20開關，二全反鏡M3、M5即在光路中轉動。先使電機20停止運轉，而且二全反鏡M3、M5都處在光路之中，調節全反鏡M4，使光脈衝原路返回，那麼電機20轉起來之後，只要二全反鏡M3、M5轉動到都處於光路之中，那麼光脈衝都能原光路返回，並且光程R幾乎隨時間作線性變化。當全反鏡M3、M5的兩反射面中心距離為76毫米，M3、M5有效直徑為25毫米，那麼光程R掃描範圍為35毫米，光程隨時間變化的非線性度僅為7％。這樣大的光程變化範圍，給儀器調試帶來極大方便。因為調試自相關測量儀的一個重要步驟是調節全反鏡M1使光程T處在光程R的掃描範圍之中。因此要改變全反鏡M1沿光線方向的前後位置以滿足上述要求。對有轉鏡22的自相關測量儀，轉鏡22上的兩全反鏡M3和M5要放置得非常平行，否則測量難以進行。通常M3和M5二者之間的平行度控制在10″以內。
透過半反鏡6的光束經過全反鏡M2反射到全反鏡M1上，光束也將返回。
兩光脈衝返回到半反鏡6後各有50％到達透鏡7上，經過聚焦後在倍頻晶體8內相互作用。透鏡7與倍頻晶體8裝在晶體透鏡座12上。透鏡7和倍頻晶體8之間距離可調，使倍頻晶體8在透鏡7焦點處。調節控制倍頻晶體8的千分杆26可使倍頻晶體8水平偏轉，以達到兩光脈衝相互作用產生諧波所需的位相匹配條件。
本實用新型中的全反鏡M1可以是直角全反鏡(如圖1)，也可以是平板全反鏡。如果是直角全反鏡，透過半反鏡6的光束經過全反鏡M2反射到直角全反鏡M1上，光束反方向返回但產生一定位移。在光電倍增管筒10前面開一小孔光闌，僅讓兩光脈衝相互作用產生的倍頻信號進入光電倍增管筒10內，而兩光脈衝的自倍頻信號無法進入(參考圖1)，這樣就可測量無背景的諧波信號。
如果全反鏡M1是一平板全反鏡，那麼透過半反鏡6的光脈衝也將原路返回，光脈衝T和R共線進入透鏡7，這種結構也可測量脈寬。由於自倍頻信號與相互作用產生的信號無法分開，因此這種測量是有背景的，背景即為自倍頻信號。
為觀測示波器上的信號，在轉鏡22處安置有時間延遲觸發器。在轉鏡板29下安裝一遮擋光闌15，遮擋光闌15控制著光電開關16。隨著電機20的轉動，當遮擋光闌通過光電開關16的槽時，光電開關16立即產生一個脈衝。光電開關16產生的脈衝半高寬在幾十納秒以內，該脈衝再經過一個延遲電路19，就可觸發示波器。電路延遲時間從100納秒～1毫秒連續可調，觸發脈衝高度為4伏。
由於是測量超短光脈衝，光脈衝經過晶體或玻璃會引起色散而導致光脈衝展寬。因此在設計時，半反鏡6、倍頻晶體8，透鏡7都應該儘可能地薄以減少色散。
讓雷射進入自相關測量儀的透光光闌24之前通過一倍頻晶體，倍頻晶體也可以直接放在透光光闌24上。光脈衝通過倍頻晶體後部分被倍頻，同時在光脈衝T所經過的光路(如半反鏡6和全反鏡M2之間)和光脈衝R所經過的光路(如半反鏡6和轉鏡22之間)中分別加入不同的濾光片，一路濾掉倍頻光，一路濾掉基頻光，這樣就可使得雷射的基頻光與倍頻光相互作用產生三次諧波。對三次諧波進行分析就可得到信噪比。
測信噪比時，除了要加一塊新的倍頻晶體之外，倍頻晶體8要換成滿足三次相關位相匹配要求的晶體，另外光電倍增管9需換成對紫外光有響應的管子。如測低重複頻率脈衝信噪比，轉鏡22須固定不動，而全反鏡M1須裝一個調節精度在1微米以下的絲杆，使其沿光路前後移動，最大調節範圍在零點幾毫米。
本實用新型主要有以下優點1)整體設計是合理的。由於採用了上述結構，全部組件構成一體化的測量儀，結構簡單而緊湊。
2)有金屬外殼，對環境要求低。抗震，抗電磁波、雜散光(如照明燈光等)的能力強。
3)使用方便，測量簡單快速，可重複性好，可用於雷射器的實時檢測。
4)由於採用了轉鏡22，其掃描範圍大，測量範圍廣，可對脈寬為幾十飛秒到幾十皮秒光脈衝的各種超短雷射器進行測量。而一般使用喇叭的自相關測量儀只能測量幾十飛秒到小於10皮秒之間的雷射脈衝。
5)信號無本底，測試結果誤差小。
6)儀器色散小，可精確測量幾十飛秒光脈衝。
圖1是本實用新型″轉鏡式自相關測量儀″的光路示意圖。
圖2是本實用新型的整體平面示意圖。
圖3是利用本實用新型實施例中測得的二次諧波相關信號曲線，圖中橫坐標t為時間，縱坐標I為諧波信號強度。
實施例如圖1、圖2所示的轉鏡式自相關測量儀，用來測量從波長為700～1100納米的高重複頻率鈦寶石雷射脈衝寬度，脈寬測量範圍希望能達到20飛秒～幾十皮秒。
採用的光電倍增管9型號為GDB-223，光譜響應範圍為300～670納米。光電倍增管9採用具有去耦電容的電阻分壓電路。光電開關型號是GDJ125-AH010W1B。
全反鏡M1採用直角全反鏡，倍頻晶體8採用LBO晶體。為減小反射和防止潮解，LBO晶體兩面鍍有增透膜和保護膜。晶體被切割成滿足一類位相匹配條件。
首先，雷射脈衝經過一個1/2波片，使雷射垂直偏振。前面提到的脈衝T和R經過透鏡7後相交成9.5°入射到LBO晶體上。LBO晶體厚度為1毫米，水平偏轉LBO晶體，使其滿足位相匹配。在光電倍增管筒10前開一小孔光闌，僅讓二脈衝相互作用的二次諧波相關信號進入，脈衝自倍頻信號則被擋在筒外，這樣示波器上就得到相對時間的無背景的二次諧波相關信號曲線(信號曲線見圖3)。該曲線半高寬為15.849微秒。我們使用的示波器頻寬600MHz，取樣頻率5G。
根據轉鏡式自相關測量儀測得的具體數據可得，雷射脈衝的諧波相關信號半高寬DX為315.4飛秒。根據對脈衝形狀的判斷，A＝0.648，從而得到了雷射脈衝寬度(半高寬)DL＝ADX＝204.4飛秒。
權利要求1.一種轉鏡式自相關測量儀，含有調整架(11)、(14)、(17)、(25)，半反射鏡(6)和全反射鏡(1)、(2)、(4)，其特徵在於具體結構是在一金屬外殼(18)的底板(13)上，沿著光束前進方向依次固定有裝於光闌座(23)上的透光光闌(24)，裝於調整架(25)上的半反鏡(6)沿著半反鏡(6)反射光前進的R光路上依次裝有轉鏡(22)和置於調整架(17)上的全反鏡M(4)；沿著半反鏡(6)透射光的T光路上裝有置於調整架(14)上的全反鏡M(2)和置於調整架(11)上的全反鏡M(1)；沿著半反射鏡(6)反射和透射光前進的T和R光路上依次裝有置於晶體透鏡座(12)上的透鏡(7)和倍頻晶體(8)以及置於光電倍增管筒(10)內的光電倍增管(9)。
2.根據權利要求1的自相關測量儀，其特徵在於構成轉鏡(22)的是兩反射面相對平行地固定於帶有電機(20)的轉鏡板(29)上的全反鏡M(5)和M(3)。
3.根據權利要求1或2的自相關測量儀，其特徵在於裝於轉鏡(22)處的有構成時間延遲觸發器的光電開關(16)和延遲電路(19)，光電開關(16)是由裝於轉鏡板(29)下的遮擋光闌(15)來控制。
4.根據權利要求1的自相關測量儀，其特徵在於裝在調整架(11)上的全反鏡M(1)是直角全反鏡，或者是平板全反鏡。
4.根據權利要求1的自相關測量儀，其特徵在於裝在調整架(11)上的全反鏡M(1)是直角全反鏡，或者是平板全反鏡。
專利摘要本實用新型是用於測量超短雷射脈衝寬度的轉鏡式自相關測量儀。在金屬外殼內,由一半反鏡將待測光脈衝分成強度相同的兩路光;一路由半反鏡反射的R光束經過一轉鏡和全反鏡原光路返回到半反鏡,另一路由半反鏡透過的T光束經過兩全反鏡也返回到半反鏡。兩路光都經過半反鏡後再經一透鏡聚焦於倍頻晶體上。由光電倍增管接受倍頻晶體上產生的諧波相關信號送到示波器上。本新型具有抗電磁波、抗雜散光,結構簡單緊湊,使用方便,可重複性好,可實時檢測等優點。
文檔編號G01J11/00GK2275714SQ9524670
公開日1998年3月4日 申請日期1995年12月21日 優先權日1995年12月21日
發明者吳建光, 姚勁松, 徐冰, 張正泉, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所