專利名稱：精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種關(guān)于精確測量兩個匯聚在空間某點(diǎn)的超短激光脈沖相互間時間同步或延時的裝置，主要適用于精密測量兩個波長相同，偏振方向相同或相互垂直的超短激光脈沖匯聚在空間某點(diǎn)相互間時間延時長短，應(yīng)用于激光研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在超短激光脈沖的一些重要應(yīng)用中，例如超短激光脈沖與物質(zhì)相互作用物理實(shí)驗(yàn)和超短激光脈沖微加工實(shí)驗(yàn)中，要求兩個強(qiáng)弱不同的工作波長相同，偏振方向相同或相互垂直的超短激光脈沖在空間上匯聚成一點(diǎn)，并且要求超短激光脈沖之間保持一定的時間間隔，這就要求脈沖間的相互延時可以得到精確的測量，以求得到超短脈沖間的準(zhǔn)確的時間延時和同步情況。對于fs級的超短脈沖之間的延時測量就要求脈沖間延時測量有fs級的精度。在先技術(shù)中，C.Y.Chien等人提供了一種典型的調(diào)節(jié)裝置(Optics Letters，Vol.25，No.8，578-580，2000)，其光路布置見圖1所示。一個脈沖寬度為2ps的超短激光脈沖作為泵浦光脈沖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沖相互垂直的2ps的超短激光脈沖作為探測光脈沖入射到反射鏡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，最后通過反射鏡2反射后，探測光脈沖入射到II類位相匹配的非線性晶體KDP片5上。泵浦光脈沖和探測光脈沖的空間交點(diǎn)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可以將探測光脈沖沿入射方向的逆方向反射回去，而且直角反射器6可以沿探測光脈沖的入射方向前后移動。當(dāng)探測光脈沖和泵浦光脈沖同時到達(dá)非線性晶體KDP片5上的時候，在非線性晶體KDP片5上產(chǎn)生二次諧波，通過沿探測光脈沖入射方向前后移動角反射器6，通過測量直角反射器6的移動距離可以得到兩個光脈沖之間的空間延時，然后可以換算得到脈沖之間的時間延時。
在上述裝置中，脈沖之間的延時通過移動距離的測量間接來得到，但是移動平臺或游標(biāo)卡尺的測量精度一般最高達(dá)到10μm，相對于時間測量精度為＞33fs，而且存在機(jī)械誤差和讀數(shù)誤差等誤差，這個精度對于脈沖寬度＜50fs的超短脈沖之間同步延時的調(diào)節(jié)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(shù)不方便且價格昂貴，并且壓電陶瓷移動的距離有限，一般在幾十微米，對應(yīng)的測量超短脈沖間間隔的動態(tài)范圍就在五百飛秒以內(nèi)，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(chǎn)生二次諧波。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置，以達(dá)到測量精度高，fs量級，測量誤差小的目的。
本實(shí)用新型的技術(shù)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激光脈沖在匯聚點(diǎn)收集成一束雙脈沖光束，通過一塊1/4波片和偏振片組成的分束器分成等強(qiáng)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沖之間的相對時間延遲。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置，其光路布置如圖2所示。其特征在于它主要包括薄反射-透射鏡8、45°全反鏡7、由1/4波片11和偏振片10構(gòu)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(gòu)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(guān)系如下薄反射-透射鏡8置于兩個不同方向入射的待測光束的匯聚點(diǎn)，將該兩束光脈沖收集成一束平行出射的雙脈沖光束，經(jīng)45°全反鏡7的反射進(jìn)入分束器18，分束器18中的1/4波片11用于將入射光變成圓偏振光，經(jīng)偏振片10形成強(qiáng)度基本相等而偏振方向相互垂直的兩束激光，其反射光經(jīng)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(jīng)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激光脈沖在晶體中和晶體相互作用產(chǎn)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后移動。
所述的精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置在使用前要定標(biāo)，定標(biāo)包括如下測量具體步驟(1)首先將薄反射-透射鏡8放置在兩待測脈沖光束在空間的交點(diǎn)上，調(diào)節(jié)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，并形成共線光束；(2)通過45°全反鏡7反射進(jìn)入相關(guān)測量儀17中的一束平行光，首先調(diào)節(jié)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(qiáng)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(jīng)過全反鏡19反射后，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(jīng)過全反鏡12反射進(jìn)入由45°全反鏡13和45°全反鏡14構(gòu)的成直角反射器15，再經(jīng)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上的脈沖，只留任意一個單脈沖入射，仔細(xì)前后調(diào)節(jié)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(chǎn)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(dá)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上的脈沖都放過來，在非線性晶體KDP片22上產(chǎn)生三個空間出射方向不同的二次諧波脈沖，入射到線陣CCD23上；(7)在示波器9上測試線陣CCD21上采集到的多脈沖信號。
(8)然后移動直角反射器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上得到的脈沖間隔ΔT對應(yīng)的時間為t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
本實(shí)用新型的原理見圖4。首先將空間的兩個超短脈沖合并成一束雙脈沖的平行光束，然后分成強(qiáng)度基本相同的兩束雙脈沖平行光束。以相互間延遲為Δt的雙脈沖為例，合束后再分成的A和B兩路雙脈沖光束在非線性晶體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(chǎn)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)所示的脈沖波形。三個脈沖是等間隔的，間隔ΔT就對應(yīng)雙脈沖之間的延時Δt。根據(jù)定標(biāo)的結(jié)果，就可以從示波器9上顯示的脈沖間隔ΔT推算出脈沖延時Δt。
測量的原理是，當(dāng)A路光和B路光在晶體中交錯時，A路光中的兩個脈沖和B路光中的兩個脈沖會分別在四個位置相交。其中，圖4(a)當(dāng)A路光中的前一個脈沖和B路光中的前一個脈沖相交時，由于有相同的延時，在非線性晶體KDP片20中同樣的位置A路光中的后一個脈沖和B路光中的后一個脈沖相交；圖4(b)當(dāng)A路光中的后一個脈沖和B路光中的前一個脈沖相交時，由于和圖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(diǎn)也和圖4(a)情況下的交點(diǎn)不同，圖4(c)當(dāng)A路光中的前一個脈沖和B路光中的后一個脈沖相交時，由于和圖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(diǎn)也和圖4(a)、圖4(b)情況下的交點(diǎn)不同。同時因?yàn)榍昂髢蓚€脈沖的延時是相同的，所以非線性晶體KDP片20中的三個交點(diǎn)是等距離的。空間的兩個超短脈沖的延時Δt和非線性晶體KDP片20上圖4(a)情況下的交點(diǎn)和圖4(b)情況下的交點(diǎn)之間的距離x0的關(guān)系為 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上顯示的脈沖間隔ΔT，就可以從示波器9上顯示的脈沖間隔ΔT推算出脈沖間隔Δt。
與先技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有顯著的特點(diǎn)1、采用薄反射-透射鏡將兩個不同方向入射的脈沖合并成一束雙脈沖的平行光，然后分束匯聚到非線性晶體片中產(chǎn)生二次諧波。而在先技術(shù)中是兩個脈沖直接在非線性晶體片中產(chǎn)生二次諧波。
2、在定標(biāo)后，測量的時候不需要改變光路，測量方法簡單，不存在機(jī)械誤差和讀數(shù)誤差。而在先技術(shù)中，需要通過移動直角反射器的位置來測量脈沖之間的間隔。
3、測量的精度高，可以達(dá)到fs的量級。而在先技術(shù)中，由于受到螺桿精度的限制，測量的精度＞33fs的量級。
4、兩束脈沖光可以是任意角度的夾角，而在先技術(shù)中兩束光的夾角受晶體的匹配角的限制。
5、不需要采用壓電陶瓷等昂貴元件，并且測量動態(tài)范圍大，可以達(dá)到ps的量級。


圖1為在先技術(shù)精密測量超短激光脈沖時間同步裝置和方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的精密測量超短激光脈沖時間同步裝置實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的精密測量超短激光脈沖時間同步裝置實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實(shí)用新型的精密測量超短激光脈沖時間同步方法的原理圖。
圖5為利用本實(shí)用新型的精密測量超短激光脈沖時間同步裝置測量的波形圖。
具體實(shí)施方式
先請參閱圖2、圖3，本實(shí)用新型的超短脈沖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(gòu)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(gòu)成直角反射器15，直角反射器15可以沿入射光方向前后移動。直角反射器15，全反鏡12，全反鏡16，全反鏡19置于分束器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(gòu)成相關(guān)測量儀17。置于非線性晶體KDP片20后的線陣CCD21連接到示波器9上。
如上所述，本實(shí)用新型裝置包括薄反射-透射鏡8，用于將待測量的兩個不同方向入射的匯聚的超短激光脈沖收集成一束平行出射的雙脈沖的光束，薄反射-透射鏡8厚度為2μm，置于兩束光的匯聚點(diǎn)。根據(jù)入射光的角度和強(qiáng)度的不同，薄反射-透射鏡8鍍相應(yīng)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的兩個共線脈沖的強(qiáng)度相近。45°全反鏡7用于反射光。1/4波片11和偏振片10構(gòu)成分束器18，用于將入射的一束光分成強(qiáng)度基本相等，而偏振方向相互垂直的兩束激光，其中1/4波片11用于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后移動，用于調(diào)節(jié)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(dá)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激光脈沖在晶體中和晶體相互作用產(chǎn)生二次諧波。置于非線性晶體KDP片22后的線陣CCD21用于探測二次諧波在空間的位置。示波器9連接線陣CCD21用于測量CCD上采集到的脈沖信號。
在本實(shí)用新型的裝置和方法中，根據(jù)超短激光脈沖工作波長的不同，裝置中各種光學(xué)元件需要和工作波長對應(yīng)。本實(shí)用新型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沖之間的時間同步和延時的測量。采用薄反射-透射鏡8是用于將待測量的兩個不同方向入射的匯聚的超短激光脈沖收集成一束平行出射的雙脈沖的光束，而分束器18是將一束入射的激光束分成兩路強(qiáng)度基本相等、偏振方向垂直的激光束。由于是對超短激光脈沖的測量，分束器18中采用了透射光學(xué)元件，要求各種透射光學(xué)元件比較薄，避免造成超短激光脈沖通過透射光學(xué)元件后脈沖寬度展得太寬而脈沖峰值功率下降，影響最后的二次諧波輸出，盡管脈沖展寬不影響測量的精度。
上述精密測量超短激光脈沖時間同步裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，本實(shí)用新型描述的精密測量超短激光脈沖時間同步裝置在正式測量之前需要進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)的步驟如下(1)首先將薄反射-透射鏡8放置在雙脈沖在空間的交點(diǎn)上，調(diào)節(jié)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(jīng)過薄反射-透射鏡8反射和透射輸出的光束共線。
(2)經(jīng)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(guān)測量儀17中。
(3)通過45°全反鏡7反射進(jìn)入相關(guān)測量儀17中的一束平行光首先透過1/4波片11進(jìn)入由1/4波片11和偏振片10組成的分束器18中，調(diào)節(jié)1/4波片11改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，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(qiáng)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(dǎo)出分束器18。
(4)通過偏振片10透射出去的一束偏振光經(jīng)過全反鏡19反射后，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(jīng)過全反鏡12反射進(jìn)入由45°全反鏡13和45°全反鏡14構(gòu)的成直角反射器15中，然后光束被直角反射器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(nèi)相交，兩束光的交角～10度。
(6)由45°全反鏡13和45°全反鏡14構(gòu)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，并且直角反射器15可以沿從全反鏡12入射的入射光的方向前后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上的脈沖，只留任意一個單脈沖入射，仔細(xì)前后調(diào)節(jié)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(chǎn)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(dá)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上的脈沖都放過來，在非線性晶體KDP片20上產(chǎn)生三個空間出射方向不同的二次諧波脈沖，入射到線陣CCD21上。
(9)在示波器9上顯示線陣CCD21上采集到的多脈沖信號。
從步驟(1)到步驟(9)與上述步驟完全相同，然后移動直角反射器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上得到的脈沖間隔ΔT對應(yīng)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(yīng)的T0可以多次測量取平均值，減小機(jī)械和長度測量讀數(shù)的誤差，增加定標(biāo)的精度。
移動長度L及其對應(yīng)的T0可以多次測量取平均值，減小機(jī)械和長度測量讀數(shù)的誤差，增加定標(biāo)的精度。
應(yīng)用如圖3所示的結(jié)構(gòu)，在超短脈沖與半導(dǎo)體物質(zhì)的相互作用實(shí)驗(yàn)中，共有兩個脈寬為50fs的偏振方向相同的線偏振光超短脈沖在空間匯聚到一點(diǎn)，分別作為泵浦脈沖和探測脈沖，通過薄反射-透射鏡8合并為一束雙脈沖平行光通過45°全反鏡7反射入相關(guān)測量儀17中，通過1/4波片11將線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。在非線性晶體KDP片22中產(chǎn)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(biāo)得到在示波器上讀數(shù)4ms對應(yīng)于1125fs，圖5中兩個相鄰脈沖之間間隔為1.432ms，因此測量得到兩個脈沖之間的間隔為403fs。
權(quán)利要求1.一種精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置，其特征在于它主要包括薄反射-透射鏡(8)、45°全反鏡(7)、由1/4波片(11)和偏振片(10)構(gòu)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(gòu)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(guān)系如下薄反射-透射鏡(8)置于兩個不同方向入射的待測光束的匯聚點(diǎn)，將該兩束光脈沖收集成-束平行出射的雙脈沖光束，經(jīng)45°全反鏡(7)的反射進(jìn)入分束器(18)，分束器(18)中的1/4波片(11)用于將入射光變成圓偏振光，經(jīng)偏振片(10)形成強(qiáng)度基本相等而偏振方向相互垂直的兩束激光，其反射光經(jīng)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(jīng)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激光脈沖在晶體中和晶體相互作用產(chǎn)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(jù)權(quán)利要求1所述的精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置，其特征是透射光路中，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(jù)權(quán)利要求1所述的精密測量超短激光脈沖時間同步的裝置，其特征在于所述的直角反射器(15)可以沿入射光方向前后移動。
專利摘要一種精密測量超短激光脈沖時間同步裝置，主要是對空間兩個不同方向匯聚于一點(diǎn)的超短激光脈沖，通過一塊薄反射—透射鏡輸出成一束共線激光光束，通過一片1/4波片和偏振片分成強(qiáng)度相近而偏振方向相互垂直的兩束激光，入射到一塊非線性晶體中，通過在非線性晶體中脈沖間的相互作用，得到一系列二次諧波脈沖，通過一個連接示波器的線陣CCD測量二次諧波脈沖在空間的分布，在示波器上可以得到一系列的脈沖波形，通過測量示波器上脈沖之間的間隔，就可以獲得多個超短脈沖之間的相互延時。本實(shí)用新型的裝置可以精密測量超短激光脈沖之間的延時，測量精度高，達(dá)到fs量級，測量誤差小。
文檔編號G01J11/00GK2611881SQ0323102
公開日2004年4月14日 申請日期2003年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者唐斌, 鄧蘊(yùn)沛, 冷雨欣, 陸海鶴, 林禮煌, 李儒新, 季忠剛 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所