專利名稱：百皮秒脈沖寬度測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光參數(shù)測量，特別是一種百皮秒脈沖寬度測量儀。
背景技術(shù)：
目前能夠測量百皮秒左右超短脈沖的測量儀器只有條紋相機(jī)，而紅外條紋相機(jī)屬 于國際禁運(yùn)項目，國內(nèi)無法購買。在超短脈沖的時間測量領(lǐng)域，大于150ps的脈沖能夠通過快響應(yīng)光電管和高帶寬 的數(shù)字示波器進(jìn)行測量，小于20ps的脈沖能夠通過商品化單次脈沖自相關(guān)儀進(jìn)行測量。 20ps 150ps的可見光波段的激光脈沖寬度能夠通過可見光條紋相機(jī)進(jìn)行測量。而此范圍 的紅外波段的激光脈沖寬度，科研工作中沒有合適的測量儀器。R. A. Ganeev在1995年提出了自相關(guān)方法實現(xiàn)0. 2 50ps的超短脈沖時間波形測 量的方案(Optics Communications，Vol. 114，1995，432 434)。他使用了一20X 20mm2 的非線性倍頻晶體，自相關(guān)過程中的兩個光束夾角為22°。M. Raghuramaiah在2001年完 善了自相關(guān)方法測量超短脈沖時間波形的理論分析方法(SADHANA-ACADEMY PROCEEDINGS IN ENGINEERING SCIENCES，Vol. 26，2001，603 611)。他使用的 CCD 為 512 X 256 像素，每 個像素大小為11. 8umX8. 3um。非線性倍頻晶體大小也為20X20mm2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題在于解決紅外波段(比如1053nm波長)的皮秒脈沖激光 的脈沖寬度測量，提供一種百皮秒脈沖寬度測量儀，該測量儀最大可測脈沖的時間范圍為 150ps，分辨率為0. 2ps。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種百皮秒脈沖寬度測量儀，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括分光鏡、第一導(dǎo)光反射鏡、第二 導(dǎo)光反射鏡、非線性倍頻晶體、光學(xué)成像系統(tǒng)、CCD探測器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，各元件的位 置關(guān)系如下入射的待測的皮秒激光脈沖，通過所述的分光鏡，將待測脈沖分為透射光和反射 光，該透射光經(jīng)過第一導(dǎo)光反射鏡和反射光經(jīng)過第二導(dǎo)光反射鏡同時入射到所述的非線性 倍頻晶體產(chǎn)生二倍頻信號，該信號經(jīng)過所述的光學(xué)成像系統(tǒng)成像在CCD探測器上，并由所 述的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成采集和數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明的技術(shù)效果是將自相關(guān)技術(shù)與光學(xué)成像技術(shù)結(jié)合起來，使其工作在同一套測量儀器中，從而實 現(xiàn)150ps時間范圍的測量，時間分辨率為0. 2ps。本發(fā)明百皮秒脈沖寬度測量儀器的特點(diǎn)是能夠通過光學(xué)成像系統(tǒng)將大口徑自相 關(guān)信號成像到已有的CCD探測器之上。本發(fā)明采用光學(xué)成像法，解決了大口徑的自相關(guān)信 號與有限尺寸CCD之間的矛盾。測量裝置中采用了一個成像系統(tǒng)，將大口徑的自相關(guān)信號 的空間分布，成像到有限尺寸的CXD接收面上，從而實現(xiàn) 150ps范圍的脈沖寬度測量。
在相關(guān)方法實現(xiàn)超短脈沖測量方案中，時間測量范圍與光束口徑成正比，因此必 須采用大口徑光束。本發(fā)明中150ps的時間測量范圍對應(yīng)的光束寬度為120mm。所以測量光 路中用到的二倍頻晶體的寬度應(yīng)為150mm，倍頻晶體之后得到的相關(guān)信號的寬度為123mm， 目前還沒有合適的光電探測器能夠接收該信號。傳統(tǒng)的單次超短脈沖寬度測量，采用CCD作為光電探測器，比如條紋相機(jī)、單次脈 沖自相關(guān)儀?，F(xiàn)有的科學(xué)級(XD的規(guī)格，一種為512X512像素數(shù)，像素尺寸為24um，總的 尺寸為12. 288mmX 12. 288mm ；另一種為2048 X 2048像素數(shù)，像素尺寸為7. 2um,總的尺寸為 14. 7456mmX14. 7456mm。我們使自相關(guān)信號通過放大率為1/10倍的光學(xué)成像系統(tǒng)之后，相關(guān)信號的寬度 變?yōu)?2. 3mm。此時可以使用科學(xué)級C⑶進(jìn)行接收和處理。當(dāng)采用2048 X 2048像素數(shù)的(XD 時，每個像素對應(yīng)的時間為150ps/(12. 3mm/7. 4um) = 0. 09ps。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，對 應(yīng)的分辨率為0. 2ps。


圖1是本發(fā)明百皮秒脈沖寬度測量儀的結(jié)構(gòu)簡圖；圖2是自相關(guān)信號產(chǎn)生過程分析圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明百皮秒脈沖寬度測量儀的結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可見，本發(fā) 明百皮秒脈沖寬度測量儀，其構(gòu)成包括分光鏡1、第一導(dǎo)光反射鏡2、第二導(dǎo)光反射鏡3、非 線性倍頻晶體4、光學(xué)成像系統(tǒng)5、CCD探測器6和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)7，各元件的位置關(guān)系 如下入射的待測的皮秒激光脈沖，通過所述的分光鏡1，將待測脈沖分為透射光和反射 光，該透射光經(jīng)過第一導(dǎo)光反射鏡2和反射光經(jīng)過第二導(dǎo)光反射鏡3同時入射到所述的非 線性倍頻晶體4產(chǎn)生二倍頻信號，該信號經(jīng)過所述的光學(xué)成像系統(tǒng)5成像到CCD探測器6 上，并由所述的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)7完成采集和數(shù)據(jù)處理。所述的二倍頻信號，即自相關(guān)信號經(jīng)過一個放大率為M的光學(xué)成像系統(tǒng)5，光斑寬 度變化了 M倍，然后進(jìn)入所述的CCD探測器6。CCD探測器6將采集到的圖像數(shù)據(jù)輸入到數(shù) 據(jù)采集處理系統(tǒng)7中，通過分析和計算，最后得到被測脈沖的寬度。所述的自相關(guān)信號的產(chǎn)生過程，請參閱圖2。從第一導(dǎo)光反射鏡2過來的光束，基 于分波面原理可以分割成多個細(xì)光束，包括第一導(dǎo)光反射鏡2上邊緣11、中心位置12和下 邊緣13三個細(xì)光束。它們到達(dá)非線性倍頻晶體4的時間有先后之差。同樣，從第二導(dǎo)光反 射鏡3過來的光束，基于分波面原理，也可以分割成多個細(xì)光束，包括第二導(dǎo)光反射鏡3的 上邊緣8、中心位置9和下邊緣10三個細(xì)光束。它們到達(dá)非線性倍頻晶體4的時間也有先 后之差。對于一個超短脈沖的時域信號I (t)，其自相關(guān)過程的數(shù)學(xué)描述為A2( X ) = / I(t)I(t- x )dt
其中，t為時間延遲。在本發(fā)明中，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)光反射鏡2中心位置12與第二導(dǎo)光反射鏡3的中心位置9 到達(dá)非線性倍頻晶體4的時間相同時，第一導(dǎo)光反射鏡2的上邊緣11將落后于第二導(dǎo)光反 射鏡3上邊緣(8)，第一導(dǎo)光反射鏡2的下邊緣(13)將比第二導(dǎo)光反射鏡3的下邊緣提前 到達(dá)非線性倍頻晶體4。在非線性倍頻晶體4表面，第一導(dǎo)光反射鏡2的上邊緣(11)相對于第一導(dǎo)光反射 鏡2的中心位置12的距離為 其中，Db_為光束寬度。第一導(dǎo)光反射鏡2的上邊緣11相對于第一導(dǎo)光反射鏡2的中心位置12到達(dá)非線 性倍頻晶體4的時間延遲量為 同理，第二導(dǎo)光反射鏡3的上邊緣8相對于第二導(dǎo)光反射鏡3的中心位置9到達(dá) 非線性倍頻晶體4的時間提前量為 第一導(dǎo)光反射鏡2的上邊緣11與第二導(dǎo)光反射鏡3的上邊緣8之間的時間延遲 為 同理，第一導(dǎo)光反射鏡2的下邊緣13與第二導(dǎo)光反射鏡3的下邊緣10之間的時 間延遲為 因此，在本發(fā)明實施例中，自相關(guān)過程的時間延遲T的取值范圍為 考慮到自相關(guān)信號的半高全寬(FWHM)為被測脈沖的半高全寬(FWHM)的倍，因 此，本發(fā)明可測量的時間范圍為為了測量時間范圍為T的激光脈沖，對應(yīng)的被測脈沖的光束寬度為 其中，c為光速，2①為透射光和反射光之間的夾角，本發(fā)明中①=15°。當(dāng)T = 150ps時，對應(yīng)的被測脈沖寬度為Dbeam= 120mm。進(jìn)一步，在非線性倍頻晶體4之后產(chǎn)生的 自相關(guān)信號14，其空間上的寬度DA*Dbeam/C0S①=123mm。自相關(guān)信號的空間寬度DA與時 間范圍t之間的關(guān)系為 經(jīng)過M = 1/10的光學(xué)成像系統(tǒng)5之后，可以得到非線性倍頻晶體4上產(chǎn)生的自相 關(guān)信號的像15。該自相關(guān)信號的像15的空間寬度D' A = 12. 3mm，但仍然等效于150ps的 時間延遲范圍。自相關(guān)信號的像15中，空間寬度D' A與時間范圍t之間的關(guān)系為 此時，我們采用的(XD探測器6像元素為2048X2048，像素尺寸為7. 2um，總尺寸 為 14. 7456mmX 14. 7456mm。空間寬度 D' A < 14. 7456mm。因此該CCD探測器6能夠完全接收到該自相關(guān)信號的像。此時對應(yīng)的時間分辨率 為 0. 2ps。
權(quán)利要求
一種百皮秒脈沖寬度測量儀，特征在于其構(gòu)成包括分光鏡(1)、第一導(dǎo)光反射鏡(2)、第二導(dǎo)光反射鏡(3)、非線性倍頻晶體(4)、光學(xué)成像系統(tǒng)(5)、CCD探測器(6)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)，各元件的位置關(guān)系如下入射的待測的皮秒激光脈沖，通過所述的分光鏡(1)，將待測脈沖分為透射光和反射光，該透射光經(jīng)過第一導(dǎo)光反射鏡(2)和反射光經(jīng)過第二導(dǎo)光反射鏡(3)同時入射到所述的非線性倍頻晶體(4)產(chǎn)生二倍頻信號，該信號經(jīng)過所述的光學(xué)成像系統(tǒng)(5)成像到CCD探測器(6)上，并由所述的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(7)完成采集和數(shù)據(jù)處理。
全文摘要
一種百皮秒脈沖寬度測量儀，構(gòu)成包括分光鏡、第一導(dǎo)光反射鏡、第二導(dǎo)光反射鏡、非線性倍頻晶體、光學(xué)成像系統(tǒng)、CCD探測器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，各元件的位置關(guān)系如下入射的待測的皮秒激光脈沖，通過所述的分光鏡，將待測脈沖分為透射光和反射光，該透射光經(jīng)過第一導(dǎo)光反射鏡和反射光經(jīng)過第二導(dǎo)光反射鏡同時入射到所述的非線性倍頻晶體產(chǎn)生二倍頻信號，該信號經(jīng)過所述的光學(xué)成像系統(tǒng)成像在CCD探測器上，并由所述的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成采集和數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明測量儀的最大可測脈沖的時間范圍為150ps，分辨率為0.2ps。
文檔編號G01J11/00GK101871819SQ20101020754
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者劉崇, 朱健強(qiáng), 朱寶強(qiáng), 楊琳, 歐陽小平, 黃奎喜 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所