配有氣體延遲線的非相干光時間延遲四波混頻系統的製作方法

2023-08-10 02:23:51 1

專利名稱：配有氣體延遲線的非相干光時間延遲四波混頻系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學超快速過程時間參數測量技術領域。
超快速時間測量是光學非線性研究中的一種非常重要而又很常見的項目。在這方面使用最多的方法是用超短脈衝雷射器對非線性介質材料進行的超快速測量。非相干光延遲四波混頻的方法的建立擺脫了超快速測量對超短脈衝雷射器的依賴，使得用連續雷射器或寬時間脈衝雷射器也能測量非線性材料的超快速時間特性。但由於該方法所使用的光路複雜，對時間延遲線的精度要求高，使得該方法的使用受到了限制。以往人們所使用的機械延遲線的精度受機械加工精度的限制，穩定性也比較差，光路調節困難，很難達到預期的目的。
本發明的目的是通過配置氣體延遲線提供一種穩定性好、精度高、使用方便的非相干光時間延遲四波混頻系統。這種光學系統可以高精度地測量超快速時間參數。
本發明的構思是這樣的，在雷射輸出方面用全反鏡代替分頻器件，使得染料雷射器輸出的雷射具有非常寬的譜帶，從而使雷射的相干時間達到飛秒量級(可以達到幾個飛秒)。經輸出透鏡準直後，再經過小孔光闌，造成一條準直性很好的雷射線。經過數個分束器和反射鏡，形成四波混頻光路。其中，在探測光的光路中加入氣體延遲線，在前向泵浦光和後向泵浦光分光之前的光路中加入機械延遲線，在後向泵浦光到達樣品之前加入另外一個機械延遲線。在探測光反射鏡與樣品之間放入一分束器，以取出相共軛光信號。該信號由此分束器反射進入光電倍增管，經放大後送入計算機處理。同時，氣體延遲線的氣壓變化信號，也經過壓力傳感器、信號放大電路送入計算機。經計算機處理後得到的時間延遲光譜由印表機繪出。
本發明的技術方案如下述1.泵浦染料的雷射器(1)，採用YAG雷射器的二倍頻光作為泵浦源，泵浦用全反鏡替代光柵與輸出鏡一起形成染料雷射器(7)的諧振腔，使得輸出的雷射線寬可達近百個波數，雷射的相干時間為飛秒量級。
2.配置有氣體延遲線的非相干光四波混頻光路設計如圖2所示，由雷射器(1)輸出的泵浦光經一柱面透鏡泵浦染料雷射器(7)，由(7)輸出的寬帶雷射經(8)準直和小孔光闌(9)後，形成一束準直的雷射線束。雷射線在分束器(10)上反射30％的光強給全反鏡(14)，反射的光線經氣體延遲線(15)和分束器(16)後照射在樣品(18)上，形成探測光。另一束透過分束器(10)的光線經機械延遲線(11)到分束器(12)，50％的光強被反射到全反鏡(17)再由(17)反射到樣品上，形成前向泵浦光；透過分束器(12)的50％光強由全反鏡(13)反射到機械延遲線(19)，經延遲後照在樣品(18)上，形成後向泵浦光。設置全反鏡(17)和(13)的角度，使前向泵浦光和後向泵浦光共線，並通過探測光照射在樣品(18)的斑點區。設置全反鏡(14)的角度，使得探測光和前後向泵浦光的夾角在5-10度左右。調節機械延遲線(11)和(19)使得前後向泵浦光及探測光達到樣品(18)的光程大致相等。精確調節氣體延遲線(15)使得前向泵浦光和探測光的光程時間差為飛秒量級。在樣品(18)上產生的相共軛光由分束器(16)反射進入光電倍增管(20)。信號送入計算機處理。時間延遲譜由印表機(6)繪出。
3.本設計採用配置氣體延遲線的非相干光延遲四波混頻系統用於測量非線性介質的失相時間等超快速過程的時間參數配置如

圖1所示出。泵浦染料的雷射器(1)經非相干光延遲四波混頻光路(2)，在(2)中由全反鏡(17)反射的前向泵浦光和由分束器(16)分出的探測光之間的飛秒量級的時間延遲是由氣體延遲線(15)來實現的，信號送入高壓電源(4)供電的光電倍增管(3)，然後經計算機(5)處理，由印表機(6)輸出時間延遲光譜。
本發明中用於時間延遲四波混頻系統的氣體延遲線(15)，是氣體延遲線組件的核心部分，它利用氣體在不同的氣體壓力下對光的折射率不同的原理，通過改變氣體壓力的方法改變光程，達到光線時間延遲的目的。氣體的壓力通過壓力傳感器及其放大、顯示和輸出電路給出，將壓力的改變量換算成氣體的折射率的變化量，折射率的變化量再乘上光線通過的光學氣體腔的長度，即可得到光程的變化。對於不同的充入氣體、不同的光波波長以及不同的溫度，折射率的變化不同。
本發明中實現上述氣體延遲原理的氣體延遲線組件包括高壓氣體室(22)，氣體延遲線(15)，壓力傳感器(17)，壓強顯示器(18)，其特徵在於固定在底座(21)上的圓筒形耐高壓氣體室(22)的上端密封連接一個六角形的耐壓密封蓋(23)，其上與氣體室(22)連通，壓力傳感器(27)由電纜與壓強顯示器(28)相連，帶閥門的高壓氣體管(29)與氣體延遲線(15)軟連接，圓筒形的氣體延遲線(15)的上、下兩端面由法蘭盤(32)和(37)通過密封膠墊(35)固定有光學窗口(31)、(36)，圓筒內為光學氣體腔(33)，(33)的中部開有充氣閥(34)，並與帶閥門的高壓氣管(29)相連。在四波混頻系統工作時，只有氣體延遲線(15)布置在光路中。
本發明的附圖的圖面說明如下圖1是採用本發明的四波混頻系統處理超快速過程的配置框圖。圖2是本發明四波混頻系統光路配置圖。圖3是本發明中氣體延遲線組件的結構示意圖。圖4是氣體延遲線光學氣體腔結構示意圖。圖中(1)泵浦染料的雷射器 (2)非相干光延遲四波混頻光路(3)光電倍增管 (4)高壓電源(5)計算機 (6)印表機(7)寬譜帶染料雷射器 (8)輸出光準直透鏡(9)小孔光闌 (10)分束器(11)機械延遲線(12)分束器(13)全反鏡(14)全反鏡(15)氣體延遲線(16)分束器(17)全反鏡(18)樣品(19)機械延遲線(20)光電倍增管(21)底座 (22)高壓氣體室(23)耐壓密封蓋(24)安全閥(25)充氣閥(26)放氣閥(27)壓力傳感器(28)壓強顯示器(29)帶閥門的高壓氣管 (30)(31)光學窗口 (32)法蘭盤(33)光學氣體腔(34)充氣嘴(35)密封膠墊 (36)光學窗口(37)法蘭盤以上所描述的系統，其光程延遲精度取決於所使用的壓力傳感器(27)的精度。如壓力傳感器的測量精度為1000Pa，時間延遲的精度約為10-3飛秒。而機械延遲線的精度要達到1飛秒，就意味著超高精度的機械加工和昂貴的價格。由於沒有機械活動部分，因此氣體延遲線完全無振動，不會造成光線抖動和偏折。相對於壓電晶體的光程延遲方法來說，氣體延遲線具有大的調節範圍。該範圍取決於延遲線氣體光學腔的長度和可充入氣體的最大氣壓。在氣體光學腔的長度為30釐米，充入氣體的壓力為20個大氣壓時，光程的最大變化為0-6000飛秒。充入氣體的光學腔越的長度越長，充入氣體的壓力越大，光程變化範圍也就越大。因此可以說，本發明的裝置比以往人們所使用的具有很多的優點。
本發明克服了機械延遲線精度小、穩定性差、造價昂貴和壓電陶瓷延遲線變化範圍小、使用不便等缺點，在沒有超短雷射脈衝的情況下，測量非線性介質的失相時間等超快速過程的時間參數。使得超快速時間的處理精度可以達到10-3飛秒。
本發明的一個實施例如下寬譜帶染料雷射器(7)；本實施例用全反鏡替代光柵與輸出鏡一起形成染料雷射器的諧振腔，使得輸出的雷射線寬可達近百個波數，雷射的相干時間為飛秒量級；(8)-輸出光準直透鏡；(9)-小孔光闌；本實施例採用的光闌直徑為5毫米；(10)-反射率為30％的分束器；(11)、(19)-機械延遲線；採用它們的目的是粗調前、後泵浦光及探測光之間的光程差使其基本達到等光程；(12)、(16)-反射率為50％的分束器；(13)、(14)、(17)-全反鏡；(15)-氣體延遲線；它是本設計的核心，由於它的高穩定性、高精度及操作方便等特點，使得非相干光延遲四波混頻的方法變得非常實用。本實施例採用的氣體延遲線腔長為30釐米，充入10個大氣壓的氮氣。在操作溫度為20℃，雷射波長為580nm時，時間延遲的變化範圍為0-3000飛秒；(18)-具有非線性超快速光程的樣品；(20)-光電倍增管。
由雷射器(1)輸出的泵浦光經一柱面透鏡泵浦染料雷射器(7)，由(7)輸出的寬帶雷射經(8)準直和小孔光闌(9)後，形成一束準直的雷射線束。雷射線在分束器(10)上反射30％的光強給全反鏡(14)，反射的光線經氣體延遲線(15)和分束器(16)後照射在樣品(18)上，形成探測光。另一束透過分束器(10)的光線經機械延遲線(11)到分束器(12)，50％的光強被反射到全反鏡(17)再由(17)反射到樣品上，形成前向泵浦光透過分束器(12)的50％光強由全反鏡(13)反射到機械延遲線(19)，經延遲後照在樣品(18)上，形成後向泵浦光。設置全反鏡(17)和(13)的角度，使前向泵浦光和後向泵浦光共線，並通過探測光照射在樣品(18)的斑點區。設置全反鏡(14)的角度，使得探測光和前後向泵浦光的夾角在5-10度左右。調節機械延遲線(11)和(19)使得前後向泵浦光及探測光達到樣品(18)的光程大致相等。精確調節氣體延遲線使得前向泵浦光和探測光的光程時間差為飛秒量級。在樣品(18)上產生的相共軛光由分束器(16)反射進入光電倍增管(20)。信號送入計算機處理。時間延遲譜由印表機(6)繪出。
權利要求
1.一種非相干光延遲四波混頻系統，其特徵在於1)用全反鏡代替分頻器件，與輸出鏡一起形成染料雷射器的諧振腔；2)由寬譜帶染料雷射器(7)輸出的光由準直透鏡(8)和小孔光闌(9)準直後在分束器(10)上分束；3)經過分束器(10)、(12)、(16)，全反鏡(13)、(14)、(17)形成四波混頻光路其中在探測光路中設置氣體延遲線(15)，在前向泵浦和後向泵浦光分光之前加入機械延遲線(11)，在後向泵浦光到達樣品(18)之前加入另一個機械延遲線(19)，在探測光反射鏡(14)和樣品(18)之間，放入一取出相共軛信號的分束器(16)，和接收該信號的光電倍增管(20)，放大的信號由計算機(5)進行處理。4)由氣體延遲線組件支持工作的氣體延遲線(15)的氣壓變化信號，經壓力傳感器(17)和壓強信號的放大與顯示電路(28)送入計算機(5)，處理後得到時間延遲光譜由印表機(6)給出。
2.根據權利要求1的非相干光延遲四波混頻系統，所述的氣體延遲線組件包括高壓氣體腔(22)，氣體延遲線(15)，壓力傳感器(17)，壓強信號放大與顯示器(18)，其特徵在於固定在底座(21)上的圓筒形耐高壓氣體室(22)的上端密封連接一個六角形的耐壓密封蓋(23)，其上與氣體室(22)連通，壓力傳感器(27)由電纜與壓強顯示器(28)相連，帶閥門的高壓氣體管(29)與氣體延遲線(15)軟連接，圓筒形的氣體延遲線(15)的上、下兩端面由法蘭盤(32)和(37)通過密封膠墊(35)固定有光學窗口(31)、(36)，圓筒內為光學氣體腔(33)，(33)的中部開有充氣閥(34)，並與帶閥門的高壓氣管(29)相連。
3.根據權利要求1的非相干光延遲四波混頻系統，其特徵在於分束器(10)的反射率為30％，(12)，(16)的反射率為50％。
4.根據權利要求1或2的非相干光延遲四波混頻系統，其特徵是探測光和前後泵浦光的夾角在5-10度左右，調整機械延遲線(11)和(19)，使前後泵浦光和探測光得到樣品(18)的光程大致相等，精確調節延遲線(15)，是前後向泵浦光和探測光的光程時間差為飛秒量級。
全文摘要
本發明屬於一種用非相干光延遲四波混頻的方法測量超快速過程的光路配置,其特點在於使用了氣體光程延遲線,使得超快速時間的測量精度可以達到10
文檔編號G04F13/00GK1253306SQ9812426
公開日2000年5月17日 申請日期1998年11月5日 優先權日1998年11月5日
發明者秦偉平, 呂少哲, 黃世華, 張家驊, 王淑梅 申請人:中國科學院長春物理研究所