專利名稱：?jiǎn)沃芷?、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)量裝置及方法，特別是一種單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
早在光脈沖達(dá)到皮秒量級(jí)時(shí)，因?yàn)闆](méi)有探測(cè)器和顯示儀器能夠響應(yīng)這樣短的持續(xù)時(shí)間(簡(jiǎn)稱脈寬)而提出了相關(guān)測(cè)量技術(shù)。相關(guān)測(cè)量的實(shí)質(zhì)就是把對(duì)時(shí)間的測(cè)量變成對(duì)空間的測(cè)量。脈沖的相關(guān)測(cè)量就是用將邁克爾遜干涉儀改造成的光學(xué)相關(guān)器(見(jiàn)圖4)，使光脈沖通過(guò)半反半透鏡一分為二，然后又合二為一，使之相關(guān)；再經(jīng)過(guò)聚焦、倍頻和濾波，用光電倍增管探測(cè)和記錄儀記錄，在不斷改變延遲時(shí)間的情況下得到其二階強(qiáng)度(非線性)相關(guān)曲線(簡(jiǎn)稱3∶1曲線，見(jiàn)圖5-1和圖6曲線1)。激光鎖模技術(shù)和高次諧波技術(shù)分別把光脈沖的持續(xù)時(shí)間縮短到幾飛秒和幾百阿秒量級(jí)，面對(duì)如此短的光脈沖用直接測(cè)量法測(cè)量是不可能的，顯然，只能用上述所說(shuō)的相關(guān)方法測(cè)量，所不同的是應(yīng)該對(duì)原有的方法進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)10飛秒以下的光脈沖的測(cè)量，用3∶1曲線在時(shí)間分辨率上就有困難了；特別對(duì)可見(jiàn)光單周期、亞周期脈沖，測(cè)量幾乎是不可能的，因?yàn)橛涗泝x器不可能有這樣快的響應(yīng)。我們于87年提出的利用二階干涉相關(guān)曲線(簡(jiǎn)稱8∶1曲線)上包絡(luò)等值寬度的方法，對(duì)單周期、亞周期脈沖也不能適用，因?yàn)榇藭r(shí)已無(wú)包絡(luò)可言(見(jiàn)圖6曲線2)。國(guó)外在對(duì)待幾個(gè)飛秒的光脈沖的測(cè)量，是在斷續(xù)改變延遲的情況下，從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得8∶1曲線的一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后進(jìn)行曲線的擬合。根據(jù)擬合曲線求得脈寬(見(jiàn)圖7)，這種方法很麻煩，而且曲線擬合的好壞影響測(cè)量的精度?，F(xiàn)在人們利用飛秒級(jí)激光脈沖產(chǎn)生高次諧波獲得亞飛秒、即幾百阿秒級(jí)的真空紫外光和軟X射線。在這種脈沖的測(cè)量中，最大的困難是其非線性效應(yīng)非常弱，以致不能用二次諧波法測(cè)量，而是用飛秒基波與高次諧波的互相關(guān)法測(cè)量。此法的缺點(diǎn)是由于高次諧波的產(chǎn)生與測(cè)量糾纏在一起，難于理解，操作麻煩。
(三)本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種單周期、亞周期光脈沖的相關(guān)器裝置及測(cè)量方法，它使得單周期和亞周期、甚至阿秒光脈沖的測(cè)量成為可能。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置，包括相關(guān)器的活動(dòng)臂和固定臂，其特征在于它是由分束器、二反射鏡、光電二極管和函數(shù)記錄儀所組成，分束器與入射光成45°角，反射鏡一和反射鏡二分別置于分束器的兩側(cè)且分別與分束器的反射光和透射光垂直，光電二極管位于分束器的光束輸出端，函數(shù)記錄儀連接于光電二極管的電信號(hào)輸出端。
上述所說(shuō)的函數(shù)記錄儀也可以采用計(jì)算機(jī)。
上述所說(shuō)的二反射鏡可取空心直角棱鏡。
一種用上述相關(guān)器裝置測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法，其特征在于它是由以下步驟所構(gòu)成①待測(cè)光脈沖經(jīng)分束器一分為二，即成二二子脈沖，它們由上述反射鏡一和反射鏡二返回，并分別在分束器處發(fā)生透射和反射，然后共線地發(fā)生干涉相關(guān)，這種干涉相關(guān)信號(hào)被光電二極管所接收，并送入到函數(shù)記錄儀；②分開(kāi)的兩子脈沖合成一束后必須共線，其共線的標(biāo)準(zhǔn)是兩子脈沖的空間干涉條紋只有一個(gè)；③上述反射鏡二沿著光束的方向緩慢地移動(dòng)，以改變兩相關(guān)脈沖的延遲時(shí)間τ，繪出光脈沖的一階干涉相關(guān)實(shí)驗(yàn)曲線，即光脈沖相關(guān)的2∶1曲線；④如果光脈沖相關(guān)的2∶1曲線存在邊峰，則量取第一邊峰的高度I(τ0)，即縱坐標(biāo)，按如下公式計(jì)算脈寬，式中P為載波光的周期 ⑤如果光脈沖相關(guān)的2∶1曲線沒(méi)有邊峰只有主峰，則量取與主峰半高度處所對(duì)應(yīng)的自變量值τ0，按如下公式計(jì)算脈寬，式中ω為載波光的圓頻率 本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、本案的特點(diǎn)是不用二階相關(guān)，而是用原始脈沖的一階相關(guān)曲線測(cè)量脈寬，這不但省去了傳統(tǒng)相關(guān)器的聚焦、倍頻、濾波和放大，而且大大提高了信噪比；2、導(dǎo)出了用線性相關(guān)曲線測(cè)量脈寬的公式，這是測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間的新方法。


附圖1為本發(fā)明所涉一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為本發(fā)明所涉一種用上述相關(guān)器裝置測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法中有邊峰時(shí)量取該峰高度的示意圖。
附圖3為本發(fā)明所涉一種用上述相關(guān)器裝置測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法中測(cè)量光脈沖相關(guān)的2∶1曲線只有主峰時(shí)量取與半高度處對(duì)應(yīng)的自變量示意圖。
附圖4-圖7主要描述已有技術(shù)所涉圖示。
其中P為待測(cè)入射光脈沖，S為分束器，P1和P2為分束后的子脈沖，M1和M2為反射鏡，Δt為待測(cè)脈沖的脈寬，T為與脈寬有關(guān)的參數(shù)，PMT為光電倍增管，D為光電二極管，X-Y為函數(shù)記錄儀。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置(見(jiàn)圖1)，包括相關(guān)器的活動(dòng)臂和固定臂，其特征在于它是由分束器S、反射鏡M1和M2、光電二極管D和函數(shù)記錄儀X-Y所組成，分束器S與入射光P成45°角，一反射鏡M1和另一反射鏡M2分別置于分束器S的兩側(cè)且分別與分束器S的反射光P1和透射光P2垂直，光電二極管D位于分束器S的光束輸出端，函數(shù)記錄儀X-Y連接于光電二極管D的電信號(hào)輸出端。
上述所說(shuō)的X-Y函數(shù)記錄儀也可以采用計(jì)算機(jī)。
上述所說(shuō)的反射鏡M1和M2可取空心直角棱鏡。
上述所說(shuō)的分束器S可用厚度小于0.5mm的光學(xué)玻璃鍍成對(duì)入射光半透半反的膜制得，反射鏡M1和M2加工成空心直角棱鏡并鍍上全反膜，M1安裝在相關(guān)器的固定臂上，M2安裝在相關(guān)器的活動(dòng)臂上。
一種用上述相關(guān)器裝置測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法(見(jiàn)圖2-3)，其特征在于它是由以下步驟所構(gòu)成①待測(cè)的光脈沖P進(jìn)入相關(guān)器后，一部分被S反射，成為子脈沖P1，再經(jīng)M1兩次反射，平行地透過(guò)S，另一部分透過(guò)S，成為子脈沖P2，經(jīng)M2兩次反射，然后再被S反射，兩脈沖P1和P2最后要共線，共線的檢驗(yàn)方法是觀察兩脈沖形成的干涉條紋只有一個(gè)；
②用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)M2沿相關(guān)器的活動(dòng)臂緩慢移動(dòng)，使P1和P2由不相關(guān)到部分相關(guān)、全部相關(guān)，然后又由全部相關(guān)到部分相關(guān)、不相關(guān)；與此同時(shí)用計(jì)錄儀記下全部過(guò)程，從而得到實(shí)驗(yàn)的2∶1曲線；③為了提高某些數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量精度，整個(gè)裝置可以置于可抽真空的容器中，改變室內(nèi)氣壓，以實(shí)現(xiàn)兩相關(guān)脈沖的微延遲；④所得2∶1曲線如果有邊峰，則量取第一邊峰的高度值(見(jiàn)圖2)，代入所給公式即可求得脈沖的持續(xù)時(shí)間，所給公式為 ⑤所得2∶1曲線如果有主峰，則量取與主峰半高度處對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間τ0值(見(jiàn)圖3)，代入所給公式即可求得脈沖的持續(xù)時(shí)間，所給公式為
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置，包括相關(guān)器的活動(dòng)臂和固定臂，其特征在于它是由分束器、二反射鏡、光電二極管和函數(shù)記錄儀所組成，分束器與入射光成45°角，反射鏡一和反射鏡二分別置于分束器的兩側(cè)且分別與分束器的反射光和透射光垂直，光電二極管位于分束器的光束輸出端，函數(shù)記錄儀連接于光電二極管的電信號(hào)輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置，其特征在于所說(shuō)的函數(shù)記錄儀也可以采用計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置，其特征在于所說(shuō)的二反射鏡可取空心直角棱鏡。
4.一種用上述相關(guān)器裝置測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的方法，其特征在于它是由以下步驟所構(gòu)成①待測(cè)光脈沖經(jīng)分束器一分為二，即成二子脈沖，它們由上述反射鏡一和反射鏡二返回，并分別在分束器處發(fā)生透射和反射，然后共線地發(fā)生干涉相關(guān)，這種干涉相關(guān)信號(hào)被光電二極管所接收，并送入到函數(shù)記錄儀；②分開(kāi)的兩子脈沖合成一束后必須共線，其共線的標(biāo)準(zhǔn)是兩子脈沖的空間干涉條紋只有一個(gè)；③上述反射鏡二沿著光束的方向緩慢地移動(dòng)，以改變兩相關(guān)脈沖的延遲時(shí)間τ，繪出光脈沖的一階干涉相關(guān)實(shí)驗(yàn)曲線，即光脈沖相關(guān)的2∶1曲線；④如果光脈沖相關(guān)的2∶1曲線存在邊峰，則量取第一邊峰的高度I(τ0)，即縱坐標(biāo)，按如下公式計(jì)算脈寬，式中P為載波光的周期 ⑤如果光脈沖相關(guān)的2∶1曲線沒(méi)有邊峰只有主峰，則量取與主峰半高度處所對(duì)應(yīng)的自變量值τ0，按如下公式計(jì)算脈寬，式中ω為載波光的圓頻率
全文摘要
一種用于測(cè)量單周期、亞周期光脈沖持續(xù)時(shí)間的相關(guān)器裝置及方法，裝置是由分束器、二反射鏡、光電二極管和函數(shù)記錄儀所組成；方法為用光脈沖的一階干涉相關(guān)曲線的參數(shù)獲得脈寬的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)越性在于1.本案是不用二階相關(guān)，而是用原始脈沖的一階相關(guān)曲線測(cè)量脈寬，這不但省去了傳統(tǒng)相關(guān)器的聚焦、倍頻、濾波和放大，而且大大提高了信噪比；2.導(dǎo)出了用線性相關(guān)曲線測(cè)量脈寬的公式，這是測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間的新方法。
文檔編號(hào)G01J9/00GK1580721SQ0313053
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者龔正烈, 葛文卓, 程曉曼, 蔣振平, 詹仰欽 申請(qǐng)人:天津理工學(xué)院