單次定標二階單發自相關測量儀的製作方法

2023-05-30 21:18:36 2

專利名稱：單次定標二階單發自相關測量儀的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種能夠單次定標的二階單發自相關測量儀，能夠同時測量二維信息(一維為脈衝自相關函數時間寬度，一維為該寬度在空間上的分布)，並利用此特性實現單次定標，用於飛秒～皮秒的超短脈衝雷射的單次測量及這種雷射波前不同位置的脈寬信息測量。
背景技術：
隨著超短脈衝雷射的發展，超短雷射脈衝的測量成為一種經常使用的測量措施。其中對放大後的脈衝進行測量時，由於放大脈衝相對于振蕩級脈衝而言，脈衝強度和脈寬波動較大，所以通常使用二階單發自相關測量儀。在先技術中二階單發自相關測量儀的結構如圖1所示它主要包括雷射光源發射的雷射束首先通過小孔光闌1，用於截取一部分波前；再經過分束鏡2分成兩束光，一束經過固定在一維千分平移臺上的直角反射鏡5，再經過全反射鏡4至倍頻晶體6，另一束光經過兩全反射鏡10、3至倍頻晶體6，由倍頻晶體6輸出的雷射束再通過柱透鏡7，線列陣電荷耦合器件(CCD)9進入示波器10顯示。光線經過分束鏡2分束後分兩路(10→3→6，5→4→6)進入倍頻晶體6，如果兩路光程相等且光斑在倍頻晶體6表面重合，則會在倍頻晶體6中形成相干倍頻信號，信號光沿兩入射光的角平分線傳播。如果入射光的波前強度分布均勻，則信號在圖1中x方向的分布代表二階相關函數的分布，經柱透鏡7成像後由線列陣電荷耦合器件(CCD)9採集並輸入到示波器8。由示波器8測得該信號寬度並進行定標，即可得二階相關函數的寬度，由此可以反推雷射脈衝寬度信息(參見在先技術[1]F.Salin，P.Georges，G.Roger，and A.Brun，「Single-shot measurement of a 52-fs pulse」，Applied Optics Vol，26，No.21，4528～4531(1987))。
為了將示波器8上顯示脈衝寬度變換成為二階自相關函數的時間寬度，必須進行定標。定標的方法是前後移動角反射鏡5，則信號光的位置會發生變化，反映在示波器上，就是波形的最大值發生移動。設示波器上波形寬度為τ，角反射鏡5移動距離為Δx，在示波器8上信號最大值移動了Δt，則該二階自相關函數的寬度為T＝2(Δx/c)τ/Δt，(c是光速)脈衝寬度為T/α，α稱作形狀因子，需假設脈衝形狀然後計算α因子。(關於二階單發自相關測量儀的定標、計算公式推導詳細過程請參見在先技術[2]王益民李傳東韓申生張正泉徐至展等發明人提供的「飛秒放大雷射脈衝的單次測量」，《中國雷射》，Vo.25，No.2，132～134(1998))。
超短脈衝一般具有超寬頻譜的頻帶。這樣的脈衝在空間傳播時，由於自由空間衍射的波長依賴，會出現頻率依賴的模式尺度效應(frequency-dependent mode size)，此效應將引起雷射波面上光譜、位相以及脈衝時間形狀等參數在橫向的分布。經過展寬、多級放大並壓縮的超短脈衝，其波面的各項參數分布則更為複雜。測量和分析這種效應將有助於定量分析超短、頻帶超寬脈衝在空間以及介質中傳播時的各種物理現象，具有非常重要的意義。這種測量脈衝特性在空間分布就需要空間分辨的測量系統。已經有人利用更為複雜的儀器(SPIDER)對此作了測量(詳見在先技術[3]L.Gallmann，G.Steinmeyer，D.H.Sutter，and T.Rupp，「Spatially resolved amplitudeand phase characterization of femtosecond optical pulses」，Optics Letters，Vol.26，No.2，96～98(2001))。實際上，二階單發自相關測量儀的倍頻晶體給出的倍頻信號是長、寬兩個方向，在寬度方向(x方向)給出的是該點的二階相關函數的強度分布，同時在倍頻信號的垂直x的方向給出了不同點的相關函數的強度分布。在採用傳統的用線列陣電荷耦合器件(CCD)探測和用示波器顯示時，一次測量只能在一點測量相關信號的寬度，無法做到空間分辨，這樣，用一點的脈寬代表了整個波面的脈寬，顯然是不合理的，這是在先技術用傳統二階單次自相關測量的重大缺陷。
另外，在先技術中二階單發自相關的，測量儀一般採用線列陣電荷耦合器件(CCD)作為探測元件，把倍頻信號在x方向的強度分布轉換成為線列陣電荷耦合器件(CCD)輸出的電信號在時間上的分布並且由示波器顯示出來。這樣，信號光在x方向的移動轉換成電信號中脈衝波形相對線列陣電荷耦合器件(CCD)的同步信號的移動，所以定標時要求線列陣電荷耦合器件(CCD)有同步信號能夠正確的觸發示波器。在實際操作中，經常存在有不能同步觸發或觸發後不能鎖定的問題。同時，每次測量必須先行定標，對定標就需要進行多次測量。定標時兩束光的程差由推動角反射鏡5前後移動的千分螺杆刻度讀出，一般最小刻度僅能達到10μm，讀數誤差是5μm，而對於飛秒脈衝測量，千分螺杆前後移動位移僅能在數十微米(μm)，相對誤差非常大。雖然通過多次測量取平均定標數據可以在一定程度上降低讀數誤差，但是多次測量會面臨千分螺杆的往復誤差，同時，對於啁啾脈衝放大系統，放大脈衝的能量、脈寬、波形都會有波動(一般的重複性指標是5％)，勢必會給多次定標帶來更多的誤差。
其次，為了準確測量讀數，必須採用比較高級的數字示波器，而且即使這樣也只能得到脈衝的形狀、寬度等，而不能得到比較具體的數值信息，無法對相關曲線進行準確的擬合和分析。

發明內容
本發明提供一種有空間分辨且能單次定標的二階單發自相關測量儀，能夠在單次測量中自行定標，並且能夠進行一維空間分辨的單次脈寬測量。
本發明的單次定標二階單發自相關測量儀，包括被測雷射脈衝G0首先經過小孔光闌1入射到分束鏡2上。經過分束鏡2將被測雷射脈衝分成兩束Gf，Gt，其中一束是由分束鏡2反射的光束Gf經過第一全反射鏡10和第二全反射鏡3射到倍頻晶體6上；另一束是由分束鏡2透射的光束Gt經過階梯反射面角反射鏡11和第三全反射鏡4射到倍頻晶體6上。由倍頻晶體6輸出的雷射束經過拄透鏡7後射入到二維的探測元件13上，探測元件13的輸出連接到計算機12上。如圖2所示。
所說的階梯反射面角反射鏡11的一面內角反射面為有一個臺階的高反射面1103和低反射面1101所構成，另一面內角反射面為平面反射面1102。如圖3所示。
所說的探測元件13是二維的視頻電荷耦合器件(CCD)。
如上述的結構，當被測雷射脈衝經過小孔光闌1限束後，再經過分束鏡2分成兩束，一束經過第一、第二全反射鏡10、3後，射到倍頻晶體6上；另一束經過階梯反射面角反射鏡11和第三全反射鏡4後，也射到倍頻晶體6上。兩分束被測雷射脈衝當光程相等時，同時達到倍頻晶體6上，兩分束雷射脈衝在倍頻晶體6上產生相干信號。因為產生幹涉的兩分束雷射脈衝都是由被測雷射脈衝本身分束的，所以稱為自相干。在倍頻晶體6上產生的相干信號再經過倍頻晶體6倍頻，輸出的相干的倍頻信號經過二維的探測元件13輸入到計算機12內進行數據處理。
上述經過階梯反射面角反射鏡11的一分束被測雷射脈衝，由於階梯反射面角反射鏡11的一面內角反射面是有一個臺階的階梯反射面，這就使得這一分束被測雷射脈衝又分成兩束有光程差ΔL≠0的先後到達倍頻晶體6上的被測雷射脈衝，先到達的一束為測量的幹涉信號，後到達的一束為定標的幹涉信號。所以本發明的測量儀只要取一個被測雷射脈衝就可以同時測量和定標。
如上所述的本發明為了實現在測量中單次定標，本發明的角反射鏡為一面內角反射面為階梯反射面的階梯反射面角反射鏡11。如圖3所示，階梯反射面角反射鏡11一內角反射面變成為有一個階梯的反射面，階梯的高度為δl(當脈衝寬度為數十飛秒量級時，該階梯高度可以取數十～一百微米)。光束通過該階梯反射面角反射鏡11時，高反射面1103和低反射面1101之間有一個階梯，在這兩部分之間引入一個光程差，這兩部分二階自相關強度信號將錯開一個位移。該位移由兩部分之間的程差決定。
光束射入階梯反射面角反射鏡11的入射角一般為45度，如圖4所示。如此，兩部分光之間的程差為L=2l2/2=2l]]>設上下兩部分二階自相關強度信號在計算機12上顯示的圖象中錯開的位移為N個屏幕點，而計算機上顯示的自相關函數寬度為n個點(這兩個數均可在計算機上讀出)，則對應的二階自相關函數的時間寬度為T＝n/N·ΔL/c如此，本發明實現了全新的二維圖像和二維圖像的形相，實現了一維空間分辨的單次二階相關測量，並充分利用該空間分辨能力，僅需單次測量，就可以實現同時獲得定標參數、二階相關函數的時間寬度信息、該寬度為在垂直x方向的一維空間分布信息。
本發明與在先技術相比，本發明實現了1.本發明通過一個脈衝的單次測量就可以同時定標和採集兩維的信息，實現了一維空間分辨的單次脈衝寬度測量。與在先技術相比，本發明對一個脈衝的一次測量就能夠同時採集二維的平面信息，即對x方向一維進行分析就是在先技術中傳統的二階單發自相關測量儀所得到的相關函數強度曲線，同時在垂直x方向可以得到不同位置的相關函數強度曲線，獲得一維空間分辨信息，對分析脈衝特性、了解超短脈衝的傳播具有重要的實用意義。
2.基於本發明的一維空間分辨能力，通過本發明的階梯反射面角反射鏡11，引入固定的光程差，實現在單次操作中同時完成定標和脈寬測量。由於該光程差由固定的階梯反射面1101與1103的機械加工決定，可以準確控制到1μm，避免了在先技術中往復移動千分杆的誤差和讀數誤差，單次脈衝的操作也消除了脈衝波動的影響，使得定標更為簡單容易，測量更為準確。一個脈衝信號同時測得所需要的準確的信息數據，這是在先技術中無法相比的本發明所具有的顯著進步。
3.通過本發明的測量儀測得的分布信息是逐點的強度數值信息，比在先技術中示波器上顯示的波形信息更為完整和精確，這樣可以對相關函數的曲線進行精確的擬合和分析，從而得到更為準確的相關函數信息，如此即可得到更為精確的脈衝形狀和寬度的信息。所有信息都通過二維平面圖像顯示並通過計算機加以分析，實現存儲、輸出、列印出精確的數據。
4.本發明所採用的二維普通視頻CCD、採集卡、計算機都是比較通用化的商品，成本和易用性低於在先技術中的線列陣電荷耦合器件(CCD)加數字示波器。
總之，本發明實現了能夠空間分辨的單次超短脈衝測量，對一個脈衝信號能夠同時完成準確定標和脈寬參數測量、獲得飛秒脈衝寬度在雷射波面的分布這一重要信息成為可能，同時實現了更為簡單易行、更為精準的單次超短脈衝參數的測量。


圖1是在先技術二階單發自相關測量儀的結構示意2是本發明的測量儀的結構示意3是本發明的測量儀中所用的階梯反射面角反射鏡11的結構示意圖，其中圖3-1是階梯反射面角反射鏡11的內角正視示意圖，圖3-2是階梯反射面角反射鏡11的階梯反射面的示意圖。
圖4是階梯反射面角反射鏡11引入的光程差示意圖
具體實施例方式按照以上所述，依圖2的光路和光學元件排布，階梯反射面角反射鏡11的內角為90°，階梯反射面高反射面1103與低反射面1101之間的階梯高度δl＝0.1mm，小孔光闌1的尺寸為5mm。
用本發明的測量儀測量強光光學實驗室5太瓦飛秒雷射裝置升級後的脈寬，被測雷射脈衝總能量為10mJ，小孔光闌1選取了光斑中心直徑為5mm進行測量，得到最小二階相關函數半高寬T＝54.3fs，對於高斯形狀脈衝，相當於脈衝半高寬為37.7fs，對於平方雙曲正割形脈衝，相當於脈衝半高寬為35fs。
在被測雷射脈衝的光斑的橫截面，測量結果的分布，T的數值在54.3～60之間。
倍頻晶體6採用的是偏硼酸鋇(BBO)晶體。
權利要求
1.一種單次定標二階單發自相關測量儀，包括被測雷射脈衝(G0)首先經過小孔光闌(1)射到分束鏡(2)上，經分束鏡(2)將被測雷射脈衝分成兩束(Gf，Gt)，一束是由分束鏡(2)反射的光束(Gf)經過第一全反射鏡(10)和第二全反射鏡(3)射到倍頻晶體(6)上，另一束是由分束鏡(2)透射的光束(Gt)經過第三全反射鏡(4)射到倍頻晶體(6)上，由倍頻晶體(6)輸出的雷射束經過柱透鏡(7)後射入探測元件(13)上，其特徵在於在分束鏡(2)與第三全反射鏡(4)之間的反射光束(Gt)的光路上置有階梯反射面角反射鏡(11)，二維探測元件(13)的輸出連接到計算機(12)上。
2.根據權利要求1所述的單次定標二階單發自相關測量儀，其特徵在於所說的階梯反射面角反射鏡(11)的一面內角反射面為有一個臺階的高反射面(1103)和低反射面(1101)所構成，另一面內角反射面為平面反射面(1102)。
全文摘要
一種單次定標二階單發自相關測量儀,包括被測雷射脈衝經過分束鏡分成兩束,一束經過第一全反射鏡和第二全反射鏡射入倍頻晶體,另一束經過一面內角反射面為有一個臺階的階梯反射面的階梯反射面角反射鏡和第三全反射鏡後射進倍頻晶體。由倍頻晶體輸出的雷射脈衝經過柱透鏡後射到連接到計算機上的探測元件上。上述的一束雷射脈衝經過階梯反射面角反射鏡後引入一個光程差,可以單次定標和測得對應的二階自相關函數的時間寬度,實現了一維空間分辨的單次二階相關測量。一個脈衝信號一次測量就可以同時定標和採集到二維的平面信息,比在先技術中定標簡單容易,更為準確可靠。
文檔編號G01J11/00GK1358987SQ0113236
公開日2002年7月17日 申請日期2001年11月30日 優先權日2001年11月30日
發明者帥斌, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所