多功能雷射幹涉儀的製作方法
2023-04-26 03:24:21
專利名稱：多功能雷射幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明是一種多功能雷射幹涉儀。
主要適用於測量光脈衝、電脈衝以及磁脈衝的信號，如測量光強和電壓隨時間變化的波形。因為它的響應速度極快，是微微秒(Ps)量級。所以，它非常適用於超快變電場和超短光脈衝信號變化的測量。
已有技術主要有兩個方面。一是普通幹涉儀，如一九八七年機械工業出版社出版的「剪切幹涉儀及其應用」一書中描述的幹涉儀，可用來做多樣的測量工作，但它既不能像示波器一樣示波顯示電信號的波形，也不能示波顯示光信號、磁信號的波形。另一方面，中國專利87101030.5描述的超快變電場的測量系統和美國專利4472053描述的測量系統，雖然能示波顯示電信號和光信號的波形，但不能示波顯示其他如磁信號的波形等。而且，這些測量系統內不含有幹涉系統。
本發明的目的是設計一種可以示波顯示一系列的超快變信號，如電信號、光信號、磁信號等隨時間變化波形的測量裝置。既有高精度的時間解析度，又能測量多種類型的信號。
為下述方便，先進行附圖的圖面說明。
圖1是本發明的多功能雷射幹涉儀的結構方框圖。
圖2是本發明的多功能雷射幹涉儀的光路圖。
本發明的多功能雷射幹涉儀由十一部分構成超短脈衝發射光源1、雙脈衝形成裝置2、擴束器3、微分時間延遲器4、聚焦系統5、幹涉系統6、轉換元件7、幹涉條紋的接收處理顯示系統8、被測信號接口9、同步裝置10和補償元件11。其中，轉換元件7在幹涉系統6的一個臂的光路A中，補償元件11是在幹涉系統6的另一個臂的光路B中，如圖2所示。
由超短脈衝發射光源1發射的基礎光束經雙脈衝形成裝置2後，將單個脈衝變成與原單脈衝形狀相同的兩個脈衝。兩個脈衝一前一後，時間相差幾個毫微秒。這個時間差比微分時間延遲器所造成的最大時間差大三倍以上。由雙脈衝形成裝置2輸出的光脈衝再經擴束器3橫向擴束後，入射到微分時間延遲器4上。該延遲器4出射的脈衝光束中，在光束橫截面上各處有不同的時間延遲，延遲量相對光束垂直面的水平方向上遞增。由延遲器4輸出的光束再經聚焦系統5進入幹涉系統6，由於幹涉系統6出射的光束已產生了幹涉條紋。再由幹涉條紋的接收處理顯示系統8對這些幹涉條紋進行處理後，顯示其測量結果。轉換元件7置於幹涉系統6中一個臂的光路A中，如圖2所示。被測量信號經由被測信號接口9加於轉換元件7上。補償元件11置於幹涉系統6的另一個臂的光路B中，起光程補償作用，促使幹涉系統6兩個臂的光程儘可能相等。當被測信號加在轉換元件7上時，轉換元件的折射率變化，導致幹涉系統的一個臂的光程起變化，因此幹涉系統產生的幹涉條紋會移動。由於微分時間延遲器的作用，不是整條幹涉條紋處處移動，而是與被測信號作用相關的局部產生移動。因此，幹涉條紋形狀產生波動，這種波動的波形正是被測信號隨時間變化的波形。此波形由接收處理顯示系統8顯示出來。至此完成了測量。由上述可知，不管哪種類型的信號，只要能使相應的轉換元件7改變折射率，便能用本發明的多功能雷射幹涉儀進行測量。使用雙脈衝形成裝置2把具有單個光脈衝的基礎光束改變成具有兩個光脈衝的基礎光束，是為了使測量結果更準確。由同步裝置10控制，當基礎光束的第二個光脈衝剛好到達轉換元件7時，將被測信號加在轉換元件上。這樣，基礎光束的第一個光脈衝形成的幹涉條紋是不加被測信號的幹涉條紋。第二個光脈衝形成的幹涉條紋是加被測信號的幹涉條紋。兩組幹涉條紋對比處理，將得到精確的被測信號波形。
本發明的超短脈衝發射光源1當前選用雷射系統來實現。該光源1可以是一臺鎖模雷射器帶單脈衝選擇器，或者是一臺同步泵浦染料雷射器，或者是帶有脈衝壓縮裝置和雷射放大系統的雷射系統。所以，前面所述的基礎光束是一束超短脈衝雷射束。
轉換元件7當測量電信號時，用普通克爾盒，測量光信號時，可用光克爾材料做成的組件作為轉換元件7。
所用幹涉系統6可以是馬赫幹涉儀，或者是麥可遜幹涉儀，或者是剪切幹涉儀等。
接收處理顯示系統8的接收器可選用二維二極體列陣，或選用二維電荷耦合器件(CCD)，或用OMA。
微分時間延遲器是衍射光柵，或者是色散稜鏡，或者是階梯光柵。
擴束器可用球而望遠鏡，或把望遠鏡和球面改成柱面的望遠鏡，或者用稜鏡。
雙脈衝形成裝置2由兩塊半透反射鏡和一塊直角稜鏡構成，如圖2所示。單脈衝雷射束經第一塊半透反射鏡分成兩束，透過的光束再透過第二塊半透反射鏡，形成第一個光脈衝。在第一塊半透反射鏡處反射的光束經直角稜鏡反射回來，再經第二塊半透反射鏡反射，形成第二個脈衝。這兩個脈衝合成一束光，其中第二個脈衝比第一個脈衝延遲了一段時間。
本發明的雷射幹涉儀的時間解析度精度取決於基礎光束的脈衝寬度和轉換元件7的性能。而且這兩部分均可選到理想的器件。
本發明的雷射幹涉儀優點是1.能示波顯示多種類型的信號隨時間變化的波形，而且時間解析度精度高，至少達到10-12秒。
2.由於本發明採用了微分時間延遲器和幹涉系統，所以應用範圍廣。除用以測量光脈衝、電脈衝、磁脈衝信號外，還可以測量非線性光學材料的非線性折射率係數n2。測量時，把被測材料放在轉換元件7的位置，用一超短光脈衝照射被測材料，由同步裝置10使該脈衝與基礎光束的脈衝同步，可以一次測出由n2形成的折射率變化量△n在光照射後隨時間的衰減曲線。由此曲線可求得n2值，也可求得非線性的弛豫時間。
3.測量速度快，是實時測量。只要超短脈衝發射光源1發射一個光脈衝，其測量就可方便地完成。
實施例如圖1和圖2所示的結構。超短脈衝發射光源1選用一臺超短脈衝鎖模雷射器，它帶有單脈衝選擇器，可以輸出單個的脈衝寬度為5×10-14秒的光脈衝。選用柱面凹透鏡和柱面凸透鏡組成擴束器3。選用衍射光柵作為微分時間延遲器4。選用會聚透鏡作為聚焦系統5。幹涉系統6選用馬赫幹涉儀。基礎光束的焦點分別落在馬赫幹涉儀的兩個臂中。一個臂中的焦點處或焦點附近放置轉換元件7，另一個臂中的焦點處或附近置放補償元件11。測電信號時轉換元件7用普克爾盒，補償元件11是一塊晶體，它和普克爾盒中的晶體相同。置於馬赫幹涉儀出口處的接收處理顯示系統8選用二維二極體列陣作為接收器，接收到信號後存儲、處理，最後把被測信號隨時間變化的波形顯示在螢光屏上。時間解析度精度為5×10-14秒。
權利要求
1.一種多功能雷射幹涉儀，其特徵在於它含有十一部分；由雷射系統構成的超短脈衝發射光源(1)發射的基礎光束，經過雙脈衝形成裝置(2)形成的兩個單脈衝由擴束器(3)橫向擴束後，入射到微分時間延遲器(4)上，由微分時間延遲器(4)輸出的光束經過聚焦系統(5)進入幹涉系統(6)後，輸出的帶有幹涉條紋的光束被幹涉條紋的接收處理顯示系統(8)接收，幹涉系統的一個臂的光路A中置有轉換元件(7)，幹涉系統的另一個臂的光路B中置有補償元件(11)，被測量的信號由同步裝置(10)控制經被測信號接口(9)加於轉換元件(7)上。
2.依照權利要求1所述的一種多功能雷射幹涉儀，其特徵在於幹涉系統(6)是馬赫幹涉儀，或者是麥可遜幹涉儀，或者是剪切幹涉儀。
3.依照權利要求1所述的一種多功能雷射幹涉儀，其特徵在於超短脈衝發射光源(1)的雷射系統是一鎖模雷射器帶單脈衝選擇器，或者是一同步泵浦的染料雷射器，或者是帶有脈衝壓縮裝置和雷射放大系統的雷射系統。
4.依照權利要求1所述的一種多功能雷射幹涉儀，其特徵在於微分時間延遲器(4)是衍射光柵，或者是階梯光柵，或者是色散稜鏡。
5.依照權利要求1所述的一種多功能雷射幹涉儀，其特徵在於置於超短脈衝發射光源(1)和擴束器(3)之間的雙脈衝形成裝置(2)是由兩塊半透反射鏡和一直角稜鏡所構成。
全文摘要
本發明是一種多功能雷射幹涉儀，適用於測量光脈衝、電脈衝、磁脈衝和超快變電場以及超短光脈衝信號的變化。它含有超短脈衝發射光源、雙脈衝形成裝置、擴束器、微分時間延遲器、聚焦系統、幹涉系統、轉換元件、幹涉條紋和接收處理顯示系統、被測信號接口、同步裝置和補償元件。具有時間解析度精度高、響應速度快、用途廣，可以實時測量的優點。
文檔編號G01J11/00GK1089723SQ9311245
公開日1994年7月20日 申請日期1993年6月16日 優先權日1993年6月16日
發明者高福源, 陳淑琴 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所