專利名稱：超短脈沖精確實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短激光脈沖，特別是一種超短脈沖精確實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，它是一種采用厚非線性晶體的單發(fā)頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法的超短脈沖測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
隨著超短激光脈沖技術(shù)的飛速發(fā)展，經(jīng)放大后飛秒脈沖的峰值功率已達(dá)太瓦(1012瓦)以上。飛秒激光脈沖的超短和超強(qiáng)特性使得其在物理學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，以及工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是研究超快現(xiàn)象及各種非線性現(xiàn)象的有力工具。
飛秒激光技術(shù)的發(fā)展，不僅取決于激光技術(shù)本身的積累性發(fā)展，同時(shí)還得益于測(cè)量裝置的改進(jìn)和新方法的問(wèn)世。飛秒脈沖的精確、可靠而又簡(jiǎn)單的測(cè)量方法對(duì)產(chǎn)生更短持續(xù)時(shí)間的激光脈沖有巨大的指導(dǎo)作用。同時(shí)，飛秒激光脈沖作用下各種餡子昂的研究是通過(guò)飛秒脈沖測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，精確測(cè)量飛秒脈沖的時(shí)域、頻域以及傳輸?shù)忍匦钥梢垣@得飛秒動(dòng)態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的物理本質(zhì)。
飛秒激光的脈沖寬度在10-15秒量級(jí)，超過(guò)了電學(xué)方法測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間范圍，所以一般采用間接測(cè)量方法，通過(guò)兩束光脈沖的干涉測(cè)出干涉光二次諧波的光強(qiáng)分布，并由二次諧波的光強(qiáng)分布計(jì)算出被測(cè)飛秒脈沖激光的脈沖寬度。飛秒激光脈沖測(cè)量方法有很多種，其中頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法(frequency-resolvedoptical gating，以下簡(jiǎn)稱為FROG方法)[參見(jiàn)在先技術(shù)1“Frequency-Resolvedoptical GatingThe Measurement of Ultrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002Kluwer Academic Publishers]和光譜位相相干直接重構(gòu)法(spectral phaseinterferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)[參見(jiàn)在先技術(shù)2“Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashortoptical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23Issue 101998]是目前采用較多的兩種方法。
圖1是現(xiàn)有頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法的測(cè)量裝置，該裝置采用半透半反的分束器。頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法測(cè)量裝置基本結(jié)構(gòu)是將飛秒脈沖透過(guò)半透半反的分束鏡分為兩束，其中一束作為探測(cè)光，另一束作為開(kāi)關(guān)光，并將作為開(kāi)關(guān)的光束通過(guò)調(diào)節(jié)微動(dòng)臺(tái)引入一個(gè)時(shí)間延遲τ，然后再讓兩束光通過(guò)透鏡聚焦非線性介質(zhì)產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換，在通過(guò)光闌獲得二次諧波強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間和頻率的二維圖譜(稱為FROG Trace)，對(duì)圖譜利用脈沖迭代算法[參見(jiàn)在先技術(shù)1]就可以得到飛秒脈沖的振幅和位相。頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法要保證兩個(gè)脈沖具有一個(gè)延遲序列，因此不可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)由圖1可以看出反射鏡很多，增加了光路調(diào)節(jié)難度，由于要求兩束光關(guān)于晶體對(duì)稱，因而不能判斷出入射脈沖啁啾的正負(fù)。由于相位匹配帶寬要求采用非常薄的二次諧波晶體，加工比較復(fù)雜，同時(shí)影響了測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度和精度。因而普通的FROG方法不僅操作復(fù)雜，且價(jià)格比較昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要彌補(bǔ)上述現(xiàn)有的FROG方法的不足，提供一種超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，該裝置應(yīng)具有消除飛秒脈沖展寬，實(shí)時(shí)測(cè)量、結(jié)構(gòu)緊湊、光路調(diào)節(jié)方便、測(cè)量精度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，是一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)測(cè)量裝置，其構(gòu)成包括分束器、微動(dòng)臺(tái)、擴(kuò)束裝置、大角度菲涅爾雙棱鏡、厚非線性晶體、圓柱透鏡、光闌和CCD探測(cè)器，其位置關(guān)系是當(dāng)一待測(cè)超短脈沖光入射到所述的分束鏡上，該分束鏡將超短脈沖光束分為夾角為90°的兩束光，一束經(jīng)第二反射鏡反射到擴(kuò)束裝置，另一束經(jīng)所述的微動(dòng)臺(tái)上的第三反射鏡反射到擴(kuò)束裝置，該兩束光經(jīng)擴(kuò)束裝置擴(kuò)束后轉(zhuǎn)換為一平行光束入射到所述的大角度菲涅爾雙棱鏡上，該大角度菲涅爾雙棱鏡將所述的平行光束再分成兩交叉光束，該兩交叉光束在所述的非線性晶體的中心位置聚合，通過(guò)第一光闌、圓柱透鏡和第二光闌，在所述的CCD探測(cè)器上成像，然后送到計(jì)算機(jī)。
所述的超短激光脈沖為鈦寶石振蕩器輸出的展寬脈沖。
所述的微動(dòng)臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿該微動(dòng)臺(tái)的第三反射鏡的法線方向運(yùn)動(dòng)。
所述的大角度菲涅爾雙棱鏡的夾角大于160°。
所述的擴(kuò)束裝置由一平凹透鏡和雙凸透鏡構(gòu)成。
所述的厚非線性晶體為偏硼酸鋇晶體。
所述的待測(cè)超短脈沖光是通過(guò)第一反射鏡引導(dǎo)至所述的分束鏡的。
所述的微動(dòng)臺(tái)可以調(diào)整大角度菲涅爾雙棱鏡產(chǎn)生的延遲范圍，實(shí)現(xiàn)正負(fù)啁啾測(cè)量和展寬測(cè)量范圍的作用；主要延遲是通過(guò)擴(kuò)束裝置使脈沖擴(kuò)束，經(jīng)大角度菲涅爾雙棱鏡分成有大夾角的兩束光交叉重合于晶體，在縱軸和橫軸位置上形成的。光束經(jīng)大角度菲涅爾雙棱鏡分為兩束會(huì)聚于厚非線性晶體，通過(guò)光闌由CCD探測(cè)器成像。
工作過(guò)程如下當(dāng)一束待測(cè)的超短脈沖激光入射到分束鏡上，該分束鏡將光束分為夾角為90°的兩束光，一束經(jīng)反射鏡入射到擴(kuò)束鏡上，另一束經(jīng)放在微動(dòng)臺(tái)上的反射鏡反射到擴(kuò)束裝置上，當(dāng)需要測(cè)量啁啾的正負(fù)和擴(kuò)展測(cè)量范圍時(shí)刻，調(diào)整微動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)的變化和延遲范圍的展寬，兩束光經(jīng)擴(kuò)束裝置擴(kuò)束后通過(guò)透鏡轉(zhuǎn)換為平行光入射到大角度菲涅爾雙棱鏡上，該大角度菲涅爾雙棱鏡將光束再分成兩束，兩束在非線性晶體的中心位置聚合，通過(guò)光闌獲得二次諧波光譜信息，由圓柱透鏡成像再CCD探測(cè)器上，再送計(jì)算機(jī)處理。
本發(fā)明超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，即超短脈沖頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)測(cè)量裝置的工作原理說(shuō)明如下通常為了得到充分的相位匹配要求最小群速度失諧(GVM)最小(假設(shè)入射光交迭于整個(gè)二次諧波晶體)，須滿足GVM*L＜＜τp(1)GVM≡1/Vg(λ0/2)-1/Vg(λ0)(Vg(λ)是在波長(zhǎng)λ時(shí)的群速度，λ0是基本波長(zhǎng))L是非線性晶體長(zhǎng)度，τp脈沖寬度。
而對(duì)于本裝置，采用二次諧波頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法，為了解決頻譜相位匹配帶寬必須滿足GVM*L＞＞τp(2)上式可以保證基波和二次諧波在離開(kāi)晶體前停止交迭，起到頻率濾波的作用。同時(shí)晶體也不能太厚，否則群速度散射(GVD)引起脈沖在時(shí)間展開(kāi)扭曲GVD*＜＜τc(3)其中GVD ≡1/Vg(λ0-δλ/2)-1/Vg(λ0+δλ/2)，δλ脈沖帶寬，τc脈沖相干時(shí)間?？紤]通常情況下GVD＜GVM，結(jié)合上面可以得到GVD(τp/τc)＜＜τp/L＜＜GVM (4)
當(dāng)GVM和GVD同時(shí)滿足下式時(shí)，晶體長(zhǎng)度L同時(shí)滿足這些條件GVM/GVD＞＞TBP (5)由此可以根據(jù)被測(cè)脈沖選擇合適的晶體厚度。當(dāng)激光脈沖通過(guò)菲涅爾雙棱鏡12分為對(duì)稱的兩束光以大角度同時(shí)入射到非線性晶體中時(shí)，設(shè)兩束光在非線性晶體中夾角為φ′，得到延遲τ與坐標(biāo)x(x為晶體垂直方向)關(guān)系為τ(x)＝2(x/c)sin(φ′/2)≈xφ′/c (6)其中d為光束直徑，φ′為小角度。兩束光的時(shí)間強(qiáng)度分布分別為I1(t)和I2(t)，則在晶體中心坐標(biāo)Z0處，瞬時(shí)二次諧波的信號(hào)強(qiáng)度正比于I1(t-τ)I2(t+τ)。由于探測(cè)器對(duì)二次諧波的響應(yīng)是一個(gè)對(duì)時(shí)間的積分過(guò)程，所以探測(cè)器所接收到的光信號(hào)S(x)為S(x)∝∫-∞+∞I1(t-τ)I2(t+τ)dt∝G2(2τ)---(7)]]>因此，通過(guò)記錄二次諧波信號(hào)的空間分布，就能得到入射的激光脈沖的二階強(qiáng)度相關(guān)曲線，通過(guò)對(duì)相關(guān)曲線的計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖寬度的測(cè)量。
當(dāng)確定了入射光束寬度和菲涅爾雙棱鏡的角度時(shí)兩光束延遲τ就確定了，為了提高精度便可調(diào)節(jié)微動(dòng)臺(tái)10實(shí)現(xiàn)延遲拓展。同時(shí)光譜儀原理就是分光計(jì)，一般通過(guò)校準(zhǔn)鏡、光柵和聚焦使脈沖不同波長(zhǎng)的部分對(duì)應(yīng)交叉在相機(jī)的各點(diǎn)，反映出來(lái)就是像素信息，單脈沖就可以表征完整地光譜信息。隨著非線性晶體厚度13增加，由于不同波長(zhǎng)的相位匹配會(huì)產(chǎn)生出射角度的不同，可以將不同波長(zhǎng)脈沖區(qū)分開(kāi)，也就起到了光譜儀的作用。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下1、本方法的核心是采用厚非線性晶體，可以實(shí)現(xiàn)單次脈沖的測(cè)量，很容易實(shí)現(xiàn)二次諧波的產(chǎn)生。由于采用厚晶體代替了薄晶體和光譜儀，可降低入射脈沖強(qiáng)度的要求，具有測(cè)量精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
2、同時(shí)在延遲裝置采用菲涅爾雙棱鏡，很容易實(shí)現(xiàn)脈沖的等光程，不需多次調(diào)節(jié)微動(dòng)臺(tái)可以實(shí)時(shí)測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)緊湊，光路調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是現(xiàn)有的頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置實(shí)施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置實(shí)施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的構(gòu)成包括分束器1、微動(dòng)臺(tái)10、擴(kuò)束裝置11、大角度菲涅爾雙棱鏡12、厚非線性晶體13、圓柱透鏡(14)、光闌8和CCD探測(cè)器15，其位置關(guān)系是當(dāng)一待測(cè)超短脈沖光入射到所述的分束鏡1上，該分束鏡1將超短脈沖光束分為夾角為90°的兩束光，一束經(jīng)第二反射鏡52反射到擴(kuò)束裝置11，另一束經(jīng)所述的微動(dòng)臺(tái)10上的第三反射鏡53反射到擴(kuò)束裝置11，該兩束光經(jīng)擴(kuò)束裝置11擴(kuò)束后轉(zhuǎn)換為一平行光束入射到所述的大角度菲涅爾雙棱鏡12上，該大角度菲涅爾雙棱鏡12將所述的平行光束再分成兩交叉光束，該兩交叉光束在所述的非線性晶體13的中心位置聚合，通過(guò)第一光闌81、成像透鏡14和第二光闌82，在所述的CCD探測(cè)器15上成像，然后送到計(jì)算機(jī)16。
所述的超短激光脈沖為鈦寶石振蕩器輸出的展寬脈沖。
所述的微動(dòng)臺(tái)10由計(jì)算機(jī)16控制一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿該微動(dòng)臺(tái)10的第三反射鏡53的法線方向運(yùn)動(dòng)。所述的微動(dòng)臺(tái)10可以調(diào)整大角度菲涅爾雙棱鏡12產(chǎn)生的延遲范圍，主要延遲是通過(guò)擴(kuò)束裝置11使脈沖擴(kuò)束，經(jīng)菲涅爾雙棱鏡12分成有大夾角的兩束光交叉重合于晶體13，在縱軸和橫軸位置分布上形成的延遲。
所述的大角度菲涅爾雙棱鏡12的夾角等于168°。
所述的擴(kuò)束裝置11由一平凹透鏡和雙凸透鏡6構(gòu)成，其擴(kuò)束倍數(shù)為6。
所述的厚非線性晶體13為偏硼酸鋇晶體，所述的厚非線性晶體為5mmBBO(偏硼酸鋇β-BaB2O4，簡(jiǎn)稱BBO)晶體。
考慮鈦寶石(TiSapphire)振蕩器輸出展寬、放大、壓縮后得到的脈沖超短脈沖中心波長(zhǎng)1053nm時(shí)域?qū)挾?20飛秒的情況。被測(cè)超短脈沖通過(guò)分束器1分為兩束，通過(guò)控制微動(dòng)臺(tái)10改變光程使兩束光同時(shí)入射非線性晶體中心位置，可以通過(guò)CCD探測(cè)器15實(shí)時(shí)觀測(cè)調(diào)節(jié)效果；兩束光會(huì)聚后經(jīng)擴(kuò)束鏡11擴(kuò)束，經(jīng)透鏡轉(zhuǎn)換為平行光束，經(jīng)菲涅爾雙棱鏡12分為兩束會(huì)聚于非線性晶體13，由光闌8得到二次諧波信號(hào)，經(jīng)CCD傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)菲涅爾雙棱鏡夾角要大于160°選擇菲涅爾雙棱鏡夾角為168°，選擇晶體厚度為5mm，對(duì)于中心波長(zhǎng)1053nm時(shí)域?qū)挾?20飛秒情況為100fs/cm＜＜820fs/0.5cm＝1640fs/cm＜＜2000fs/cm，滿足公式(4)，產(chǎn)生的諧波效率最大。BBO晶體(偏硼酸鋇β-BaB2O4，簡(jiǎn)稱BBO)具有很高的二次諧波裝換效率，可以測(cè)量較弱的飛秒脈沖光，因此晶體7采用BBO作為頻率裝換晶體。通過(guò)CCD探測(cè)探測(cè)器15測(cè)量和頻光圖譜，與原有頻率分辨光學(xué)開(kāi)光法得到的圖譜比較可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果非常接近，說(shuō)明該方法精確可行。
本發(fā)明采用厚非線性晶體實(shí)現(xiàn)了超短脈沖光測(cè)量，從而消除了傳統(tǒng)的晶體厚度對(duì)入射強(qiáng)度要求和二次諧波產(chǎn)生效率的影響，同時(shí)厚非線性晶體代替光譜儀，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于操作，而且由于采用菲涅爾雙棱鏡不需要多次調(diào)節(jié)延遲直接實(shí)現(xiàn)了連續(xù)延遲變化的要求，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和單脈沖測(cè)量，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易調(diào)節(jié)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，特征在于其構(gòu)成包括分束器(1)、微動(dòng)臺(tái)(10)、擴(kuò)束裝置(11)、大角度菲涅爾雙棱鏡(12)、厚非線性晶體(13)、圓柱透鏡(14)、光闌(8)和CCD(15)，其位置關(guān)系是當(dāng)一待測(cè)超短脈沖光入射到所述的分束鏡(1)上，該分束鏡(1)將超短脈沖光束分為夾角為90°的兩束光，一束經(jīng)第二反射鏡(52)反射到擴(kuò)束裝置(11)，另一束經(jīng)所述的微動(dòng)臺(tái)(10)上的第三反射鏡(53)反射到擴(kuò)束裝置(11)，該兩束光經(jīng)擴(kuò)束裝置(11)擴(kuò)束后轉(zhuǎn)換為一平行光束入射到所述的大角度菲涅爾雙棱鏡(12)上，該大角度菲涅爾雙棱鏡(12)將所述的平行光束再分成兩交叉光束，該兩交叉光束在所述的非線性晶體(13)的中心位置聚合，通過(guò)第一光闌(81)、成像透鏡(14)和第二光闌(82)，在所述的CCD探測(cè)器(15)上成像，然后送到計(jì)算機(jī)(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的超短激光脈沖為鈦寶石振蕩器輸出的展寬脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的微動(dòng)臺(tái)(10)由計(jì)算機(jī)(16)控制一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿該微動(dòng)臺(tái)(10)的第三反射鏡(53)的法線方向運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的大角度菲涅爾雙棱鏡(12)的夾角大于160°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(11)由一平凹透鏡和雙凸透鏡構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的厚非線性晶體(13)為偏硼酸鋇晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于所述的待測(cè)超短脈沖光是通過(guò)第一反射鏡(51)引導(dǎo)至所述的分束鏡(1)的。
全文摘要
一種超短脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，是一種超短脈沖頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)測(cè)量裝置，由分束器、微動(dòng)臺(tái)、擴(kuò)束裝置、大角度菲涅爾雙棱鏡、厚非線性晶體、圓柱透鏡、光闌和CCD探測(cè)器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，本發(fā)明具有消除飛秒脈沖展寬，實(shí)時(shí)測(cè)量、結(jié)構(gòu)緊湊、光路調(diào)節(jié)方便、測(cè)量精度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J11/00GK1858566SQ200610027498
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者劉林, 謝興龍, 賈雪梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所