精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置的製作方法

2023-05-15 02:20:51

專利名稱：精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置的製作方法
技術領域：
本發明是一種關於精確測量兩個匯聚在空間某點的超短雷射脈衝相互間時間同步或延時的裝置，主要適用於精密測量兩個波長相同，偏振方向相同或相互垂直的超短雷射脈衝匯聚在空間某點相互間時間延時長短，應用於雷射研究領域。
背景技術：
在超短雷射脈衝的一些重要應用中，例如超短雷射脈衝與物質相互作用物理實驗和超短雷射脈衝微加工實驗中，要求兩個強弱不同的工作波長相同，偏振方向相同或相互垂直的超短雷射脈衝在空間上匯聚成一點，並且要求超短雷射脈衝之間保持一定的時間間隔，這就要求脈衝間的相互延時可以得到精確的測量，以求得到超短脈衝間的準確的時間延時和同步情況。對於fs級的超短脈衝之間的延時測量就要求脈衝間延時測量有fs級的精度。在先技術中，C.Y.Chien等人提供了一種典型的調節裝置(Optics Letters，Vol.25，No.8，578-580，2000)，其光路布置見圖1所示。一個脈衝寬度為2ps的超短雷射脈衝作為泵浦光脈衝直接入射到非線性晶體KDP片5上，而另一個工作波長相同，偏振方向與泵浦光脈衝相互垂直的2ps的超短雷射脈衝作為探測光脈衝入射到反射鏡1上，通過反射鏡1反射到反射鏡4上，再反射到反射鏡3上，最後通過反射鏡2反射後，探測光脈衝入射到II類位相匹配的非線性晶體KDP片5上。泵浦光脈衝和探測光脈衝的空間交點在非線性晶體KDP片5中。反射鏡3和反射鏡4相互夾角為直角，組成直角反射器6，直角反射器6可以將探測光脈衝沿入射方向的逆方向反射回去，而且直角反射器6可以沿探測光脈衝的入射方向前後移動。當探測光脈衝和泵浦光脈衝同時到達非線性晶體KDP片5上的時候，在非線性晶體KDP片5上產生二次諧波，通過沿探測光脈衝入射方向前後移動角反射器6，通過測量直角反射器6的移動距離可以得到兩個光脈衝之間的空間延時，然後可以換算得到脈衝之間的時間延時。
在上述裝置中，脈衝之間的延時通過移動距離的測量間接來得到，但是移動平臺或遊標卡尺的測量精度一般最高達到10μm，相對於時間測量精度為＞33fs，而且存在機械誤差和讀數誤差等誤差，這個精度對於脈衝寬度＜50fs的超短脈衝之間同步延時的調節和測量，精度是不夠的，還有一種利用壓電陶瓷來控制延時光路的裝置可以得到很高的精度，但讀數不方便且價格昂貴，並且壓電陶瓷移動的距離有限，一般在幾十微米，對應的測量超短脈衝間間隔的動態範圍就在五百飛秒以內，而且都要求兩束光之間的偏振方向相互垂直，才能夠滿足II類位相匹配條件產生二次諧波。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述在先技術的不足，提供一種精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置，以達到測量精度高，fs量級，測量誤差小的目的。
本發明的技術解決方案的基本思想是利用一塊薄反射—透射鏡將兩個不共線的波長相同，偏振方向相同或相互垂直的匯聚的超短雷射脈衝在匯聚點收集成一束雙脈衝光束，通過一塊1/4波片和偏振片組成的分束器分成等強度的兩束偏振方向相互垂直的光，共同入射到一塊非線性晶體片上，獲得倍頻輸出，通過測量多個倍頻光在空間的相對位置來獲得多個脈衝之間的相對時間延遲。
本發明的技術解決方案如下一種精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置，其光路布置如圖2所示。其特徵在於它主要包括薄反射—透射鏡8、45°全反鏡7、由1/4波片11和偏振片10構成的分束器18、全反鏡12、由45°全反鏡13和45°14全反鏡互為直角而構成直角反射器15、全反鏡16、全反鏡19、非線性晶體KDP片22、線陣CCD21和示波器9，其位置關係如下薄反射—透射鏡8置於兩個不同方向入射的待測光束的匯聚點，將該兩束光脈衝收集成一束平行出射的雙脈衝光束，經45°全反鏡7的反射進入分束器18，分束器18中的1/4波片11用於將入射光變成圓偏振光，經偏振片10形成強度基本相等而偏振方向相互垂直的兩束雷射，其反射光經全反鏡12、直角反射器15和全反鏡16射到非線性晶體KDP片22上，由偏振片10透射的偏振光經全反鏡19反射到非線性晶體KDP片22上，該兩束偏振方向相互垂直的雷射脈衝在晶體中和晶體相互作用產生二次諧波，由線陣CCD21探測該二次諧波在空間的位置，示波器9連接線陣CCD21。
為了改善裝置，在全反鏡19和非線性晶體KDP片22之間還有反射鏡20和21，如圖3所示。
所述的直角反射器(15)可以沿入射光方向前後移動。
所述的精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置在使用前要定標，定標包括如下測量具體步驟(1)首先將薄反射—透射鏡8放置在兩待測脈衝光束在空間的交點上，調節薄反射—透射鏡8的方向，使得一光束入射到薄反射—透射鏡8部分透過薄反射—透射鏡8出射，而另一束入射到薄反射—透射鏡8上的光束部分被薄反射—透射鏡8反射，並形成共線光束；(2)通過45°全反鏡7反射進入相關測量儀17中的一束平行光，首先調節1/4波片11使成為圓偏振光，偏振片10將入射的圓偏振光分成強度基本相同的兩路偏振方向垂直的反射和透射偏振光；(3)通過偏振片10透射出去的一束偏振光經過全反鏡19反射後，入射到非線性晶體KDP片22上；(4)通過偏振片10反射的一束偏振光經過全反鏡12反射進入由45°全反鏡13和45°全反鏡14構的成直角反射器15，再經全反鏡16將這束偏振光反射到非線性晶體KDP片22上；(5)擋住一個方向入射到薄反射—透射鏡8上的脈衝，只留任意一個單脈衝入射，仔細前後調節直角反射器15的位置，使得從入射到非線性晶體KDP片22上的兩束偏振光在非線性晶體KDP片22中產生的二次諧波沿兩束入射的偏振光的角平分線出射；此時表明從分束器18輸出的兩路偏振方向相互垂直的兩路光束到達非線性晶體KDP片20的光程相同。
(6將入射到薄反射—透射鏡8上的脈衝都放過來，在非線性晶體KDP片22上產生三個空間出射方向不同的二次諧波脈衝，入射到線陣CCD23上；(7)在示波器9上測試線陣CCD21上採集到的多脈衝信號。
(8)然後移動直角反射器15改變一路偏振光的光程，移動長度為L，在示波器9上測量入射到線陣CCD21上的二次諧波位置的改變量T0，則示波器9上得到的脈衝間隔ΔT對應的時間為t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
本發明的原理見圖4。首先將空間的兩個超短脈衝合併成一束雙脈衝的平行光束，然後分成強度基本相同的兩束雙脈衝平行光束。以相互間延遲為Δt的雙脈衝為例，合束後再分成的A和B兩路雙脈衝光束在非線性晶體KDP片22中，有如圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)描述的三種相互作用方式，在空間將產生三束不同方向出射的二次諧波入射到線陣CCD21上，而在示波器9上顯示如圖4(d)所示的脈衝波形。三個脈衝是等間隔的，間隔ΔT就對應雙脈衝之間的延時Δt。根據定標的結果，就可以從示波器9上顯示的脈衝間隔ΔT推算出脈衝延時Δt。
測量的原理是，當A路光和B路光在晶體中交錯時，A路光中的兩個脈衝和B路光中的兩個脈衝會分別在四個位置相交。其中，圖4(a)當A路光中的前一個脈衝和B路光中的前一個脈衝相交時，由於有相同的延時，在非線性晶體KDP片20中同樣的位置A路光中的後一個脈衝和B路光中的後一個脈衝相交；圖4(b)當A路光中的後一個脈衝和B路光中的前一個脈衝相交時，由於和圖4(a)中不同的延時，所以它們在非線性晶體KDP片20中的交點也和圖4(a)情況下的交點不同，圖4(c)當A路光中的前一個脈衝和B路光中的後一個脈衝相交時，由於和圖4(a)、圖4(b)中不同的延時，所以它們在非線性晶體KDP片20中的交點也和圖4(a)、圖4(b)情況下的交點不同。同時因為前後兩個脈衝的延時是相同的，所以非線性晶體KDP片20中的三個交點是等距離的。空間的兩個超短脈衝的延時Δt和非線性晶體KDP片20上圖4(a)情況下的交點和圖4(b)情況下的交點之間的距離x0的關係為 其中為兩束光入射到非線性晶體KDP片20上的夾角，n為非線性晶體KDP片20的折射率。x0在示波器9上顯示的脈衝間隔ΔT，就可以從示波器9上顯示的脈衝間隔ΔT推算出脈衝間隔Δt。
與先技術相比，本發明具有顯著的特點1、採用薄反射—透射鏡將兩個不同方向入射的脈衝合併成一束雙脈衝的平行光，然後分束匯聚到非線性晶體片中產生二次諧波。而在先技術中是兩個脈衝直接在非線性晶體片中產生二次諧波。
2、在定標後，測量的時候不需要改變光路，測量方法簡單，不存在機械誤差和讀數誤差。而在先技術中，需要通過移動直角反射器的位置來測量脈衝之間的間隔。
3、測量的精度高，可以達到fs的量級。而在先技術中，由於受到螺杆精度的限制，測量的精度＞33fs的量級。
4、兩束脈衝光可以是任意角度的夾角，而在先技術中兩束光的夾角受晶體的匹配角的限制。
5、不需要採用壓電陶瓷等昂貴元件，並且測量動態範圍大，可以達到ps的量級。


圖1為在先技術精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置和方法的結構示意圖。
圖2為本發明的精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置實施例一結構示意圖。
圖3為本發明的精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置實施例二結構示意圖。
圖4為本發明的精密測量超短雷射脈衝時間同步方法的原理圖。
圖5為利用本發明的精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置測量的波形圖。
具體實施例方式先請參閱圖2、圖3，本發明的超短脈衝時間同步精密測量裝置主要包括薄反射—透射鏡8，45°全反鏡7。1/4波片11和偏振片10構成的分束器18。通過45°全反鏡7將通過薄反射—透射鏡8輸出的光反射到分束器18中。45°全反鏡13和45°全反鏡14相互夾角為直角，構成直角反射器15，直角反射器15可以沿入射光方向前後移動。直角反射器15，全反鏡12，全反鏡16，全反鏡19置於分束器18和非線性晶體KDP片22之間。直角反射器15，全反鏡12，全反鏡16，全反鏡19，分束器18，非線性晶體KDP片22和線陣CCD21共同構成相關測量儀17。置於非線性晶體KDP片20後的線陣CCD21連接到示波器9上。
如上所述，本發明裝置包括薄反射—透射鏡8，用於將待測量的兩個不同方向入射的匯聚的超短雷射脈衝收集成一束平行出射的雙脈衝的光束，薄反射—透射鏡8厚度為2μm，置於兩束光的匯聚點。根據入射光的角度和強度的不同，薄反射—透射鏡8鍍相應的反射和透射膜，使得一束入射到薄反射—透射鏡8上的光束部分透過薄反射—透射鏡8射向45°全反鏡7，而另一束入射到薄反射—透射鏡8上的光束部分被薄反射—透射鏡8反射，沿透射光的方向入射45°全反鏡7，使得入射45°-全反鏡7的兩個共線脈衝的強度相近。45°全反鏡7用於反射光。1/4波片11和偏振片10構成分束器18，用於將入射的一束光分成強度基本相等，而偏振方向相互垂直的兩束雷射，其中1/4波片11用於將入射光的偏振方向變成圓偏振光。全反鏡12，直角反射器15和全反鏡16將通過分束器18中偏振片10反射輸出的一束偏振光反射到非線性晶體KDP片22上。全反鏡19將通過分束器18中偏振片10透射輸出的另一束偏振光反射到非線性晶體KDP片22上。直角反射器15可以延入射光方向前後移動，用於調節通過偏振片10反射輸出的這一路偏振光的光程，使得從偏振片10上分別反射和透射的兩束偏振光到達非線性晶體KDP片22上的光程相等。這兩束偏振方向相互垂直的光在非線性晶體KDP片20中相交。非線性晶體KDP片22按照II類位相匹配角度切割，偏振方向相互垂直的雷射脈衝在晶體中和晶體相互作用產生二次諧波。置於非線性晶體KDP片22後的線陣CCD21用於探測二次諧波在空間的位置。示波器9連接線陣CCD21用於測量CCD上採集到的脈衝信號。
在本發明的裝置和方法中，根據超短雷射脈衝工作波長的不同，裝置中各種光學元件需要和工作波長對應。本發明裝置和方法適用于波長相同的兩個偏振方向相同或相互垂直的脈衝之間的時間同步和延時的測量。採用薄反射—透射鏡8是用於將待測量的兩個不同方向入射的匯聚的超短雷射脈衝收集成一束平行出射的雙脈衝的光束，而分束器18是將一束入射的雷射束分成兩路強度基本相等、偏振方向垂直的雷射束。由於是對超短雷射脈衝的測量，分束器18中採用了透射光學元件，要求各種透射光學元件比較薄，避免造成超短雷射脈衝通過透射光學元件後脈衝寬度展得太寬而脈衝峰值功率下降，影響最後的二次諧波輸出，儘管脈衝展寬不影響測量的精度。
上述精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置，其結構如圖2所示，本發明描述的精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置在正式測量之前需要進行定標。定標的步驟如下(1)首先將薄反射—透射鏡8放置在雙脈衝在空間的交點上，調節薄反射—透射鏡8的方向，使得一束入射到薄反射—透射鏡8上的光束部分透過薄反射—透射鏡8出射，而另一束入射到薄反射—透射鏡8上的光束部分被薄反射—透射鏡8反射，使得沿透射光的出射方向出射，這兩束分別經過薄反射—透射鏡8反射和透射輸出的光束共線。
(2)經過45°全反鏡7反射，將通過薄反射—透射鏡8輸出的一束平行光反射入由直角反射器15，全反鏡12，全反鏡16，全反鏡19，分束器18，非線性晶體KDP片20和線陣CCD21組成的相關測量儀17中。
(3)通過45°全反鏡7反射進入相關測量儀17中的一束平行光首先透過1/4波片11進入由1/4波片11和偏振片10組成的分束器18中，調節1/4波片11改變入射光的偏振態，使得通過1/4波片11入射到偏振片10上的一束平行光為圓偏振光，偏振片10將入射的圓偏振光分成強度基本相同的兩路偏振方向垂直的線偏振平行光分別反射和透射導出分束器18。
(4)通過偏振片10透射出去的一束偏振光經過全反鏡19反射後，入射到非線性晶體KDP片20上。
(5)通過偏振片10反射出去的一束偏振光經過全反鏡12反射進入由45°全反鏡13和45°全反鏡14構的成直角反射器15中，然後光束被直角反射器15反射到全反鏡16上，全反鏡16將這束偏振光同樣入射到非線性晶體KDP片20上。兩路入射到非線性晶體KDP片20上的偏振方向相互垂直的偏振光在非線性晶體KDP片20內相交，兩束光的交角～10度。
(6)由45°全反鏡13和45°全反鏡14構的成直角反射器15可以將從全反鏡12入射的光束沿其逆方向反射到全反鏡16上，並且直角反射器15可以沿從全反鏡12入射的入射光的方向前後移動而保持反射到全反鏡16上的光路不變。
(7)擋住一個方向入射到薄反射—透射鏡8上的脈衝，只留任意一個單脈衝入射，仔細前後調節直角反射器15的位置，使得從入射到非線性晶體KDP片20上的兩束偏振光在非線性晶體KDP片20中產生二次諧波沿兩束入射的偏振光的角平分線出射。此時表明從分束器18輸出的兩路偏振方向相互垂直的兩路光束到達非線性晶體KDP片20的光程相同。
(8)將入射到薄反射—透射鏡8上的脈衝都放過來，在非線性晶體KDP片20上產生三個空間出射方向不同的二次諧波脈衝，入射到線陣CCD21上。
(9)在示波器9上顯示線陣CCD21上採集到的多脈衝信號。
從步驟(1)到步驟(9)與上述步驟完全相同，然後移動直角反射器15改變一路偏振光的光程，移動長度為L，在示波器9上測量入射到線陣CCD21上的二次諧波位置的改變量T0，則示波器9上得到的脈衝間隔ΔT對應的時間t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
移動長度L及其對應的T0可以多次測量取平均值，減小機械和長度測量讀數的誤差，增加定標的精度。
移動長度L及其對應的T0可以多次測量取平均值，減小機械和長度測量讀數的誤差，增加定標的精度。
應用如圖3所示的結構，在超短脈衝與半導體物質的相互作用實驗中，共有兩個脈寬為50fs的偏振方向相同的線偏振光超短脈衝在空間匯聚到一點，分別作為泵浦脈衝和探測脈衝，通過薄反射—透射鏡8合併為一束雙脈衝平行光通過45°全反鏡7反射入相關測量儀17中，通過1/4波片11將線偏振光轉變為圓偏振光。在非線性晶體KDP片22中產生三束二次諧波輸出到線陣CCD23上，在示波器上顯示波形見圖5。通過定標得到在示波器上讀數4ms對應於1125fs，圖5中兩個相鄰脈衝之間間隔為1.432ms，因此測量得到兩個脈衝之間的間隔為403fs。
權利要求
1.一種精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置，其特徵在於它主要包括薄反射—透射鏡(8)、45°全反鏡(7)、由1/4波片(11)和偏振片(10)構成的分束器(18)、全反鏡(12)、由45°全反鏡(13)和45°全反鏡(14)互為直角而構成直角反射器(15)、全反鏡(16)、全反鏡(19)、非線性晶體KDP片(22)、線陣CCD(21)和示波器9，其位置關係如下薄反射—透射鏡(8)置於兩個不同方向入射的待測光束的匯聚點，將該兩束光脈衝收集成一束平行出射的雙脈衝光束，經45°全反鏡(7)的反射進入分束器(18)，分束器(18)中的1/4波片(11)用於將入射光變成圓偏振光，經偏振片(10)形成強度基本相等而偏振方向相互垂直的兩束雷射，其反射光經全反鏡(12)、直角反射器(15)和全反鏡(16)射到非線性晶體KDP片(22)上，由偏振片(10)透射的偏振光經全反鏡(19)反射到非線性晶體KDP片(22)上，該兩束偏振方向相互垂直的雷射脈衝在晶體中和晶體相互作用產生二次諧波，由線陣CCD(21)探測該二次諧波在空間的位置，示波器(9)連接線陣CCD(21)。
2.根據權利要求1所述的精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置，其特徵是透射光路中，在全反鏡(19)和非線性晶體KDP片(22)之間還有反射鏡(20、21)。
3.根據權利要求1所述的精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置，其特徵在於所述的直角反射器(15)可以沿入射光方向前後移動。
4.根據權利要求1所述的精密測量超短雷射脈衝時間同步的裝置的定標方法，其特徵在於包括如下具體步驟(1)首先將薄反射—透射鏡(8)放置在兩待測脈衝光束在空間的交點上，調節薄反射—透射鏡(8)的方向，使得一光束入射到薄反射—透射鏡(8)部分透過薄反射—透射鏡(8)出射，而另一束入射到薄反射—透射鏡(8)上的光束部分被薄反射—透射鏡(8)反射，並形成共線光束；(2)通過45°全反鏡(7)反射進入相關測量儀(17)中的一束平行光，首先調節1/4波片(11)使成為圓偏振光，偏振片(10)將入射的圓偏振光分成強度基本相同的兩路偏振方向垂直的反射和透射偏振光；(3)通過偏振片(10)透射出去的一束偏振光經過全反鏡(19)反射後，入射到非線性晶體KDP片(22)上；(4)通過偏振片(10)反射的一束偏振光經過全反鏡(12)反射進入由45°全反鏡(13)和45°全反鏡(14)構的成直角反射器(15)，再經全反鏡(16)將這束偏振光反射到非線性晶體KDP片(22)上；(5)擋住一個方向入射到薄反射—透射鏡(8)上的脈衝，只留任意一個單脈衝入射，仔細前後調節直角反射器(15)的位置，使得從入射到非線性晶體KDP片(22)上的兩束偏振光在非線性晶體KDP片(22)中產生的二次諧波沿兩束入射的偏振光的角平分線出射；此時表明從分束器(18)輸出的兩路偏振方向相互垂直的兩路光束到達非線性晶體KDP片(22)的光程相同。(6將入射到薄反射—透射鏡(8)上的脈衝都放過來，在非線性晶體KDP片(22)上產生三個空間出射方向不同的二次諧波脈衝，入射到線陣CCD(23)上；(7)在示波器(9)上測試線陣CCD(21)上採集到的多脈衝信號。(8)然後移動直角反射器(15)改變一路偏振光的光程，移動長度為L，在示波器(9)上測量入射到線陣CCD(21)上的二次諧波位置的改變量T0，則示波器(9)上得到的脈衝間隔ΔT對應的時間為t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
全文摘要
一種精密測量超短雷射脈衝時間同步裝置，主要是對空間兩個不同方向匯聚於一點的超短雷射脈衝，通過一塊薄反射－透射鏡輸出成一束共線雷射光束，通過一片1/4波片和偏振片分成強度相近而偏振方向相互垂直的兩束雷射，入射到一塊非線性晶體中，通過在非線性晶體中脈衝間的相互作用，得到一系列二次諧波脈衝，通過一個連接示波器的線陣CCD測量二次諧波脈衝在空間的分布，在示波器上可以得到一系列的脈衝波形，通過測量示波器上脈衝之間的間隔，就可以獲得多個超短脈衝之間的相互延時。本發明的裝置可以精密測量超短雷射脈衝之間的延時，測量精度高，達到fs量級，測量誤差小。
文檔編號G01J11/00GK1444024SQ0311663
公開日2003年9月24日 申請日期2003年4月25日 優先權日2003年4月25日
發明者鄧蘊沛, 冷雨欣, 唐斌, 陸海鶴, 林禮煌, 李儒新, 季忠剛 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所