專利名稱：超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超快脈沖測(cè)量，特別是一種超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的條紋相機(jī)主要由條紋相管、高壓掃描電路、觸發(fā)延遲電路、圖像采集系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等部分組成。它的工作原理是:信號(hào)光通過(guò)透鏡聚焦在狹縫處形成圖像，然后在光電陰極上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而形成了空間分布的電子束，再經(jīng)加速網(wǎng)加速，在聚焦電極上聚焦送入了偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。被加速的電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后，外電路控制的掃描電壓由高到低線性遞減，電子束的偏轉(zhuǎn)角度在掃描電壓作用下不斷變化，隨時(shí)間擴(kuò)展為空間分布。實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。然而傳統(tǒng)的條紋相機(jī)是基于電子偏轉(zhuǎn)技術(shù)，高速運(yùn)動(dòng)的電子之間相互排斥即受到空間電荷效應(yīng)的限制，隨著信號(hào)光強(qiáng)的增加，記錄的脈沖有增寬現(xiàn)象，在獲得高時(shí)間分辨率的同時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍也受到限制。在先技術(shù)I [田進(jìn)壽，汪韜，全光固體條紋相機(jī)，發(fā)明專利，公開(kāi)號(hào):102364396A]和先技術(shù) 2[John E.Heebner, Method For Ultrafast Optical DeflectionEnabling Optical Recording Serrated or Grated Lighted Illumination,PatentNo:US7587103B2]可以達(dá)到ps量級(jí)的時(shí)間分辨率，同時(shí)具有高動(dòng)態(tài)范圍。但是可測(cè)量時(shí)間跨度很難突破lOOps，而且需要在光波導(dǎo)表層上鍍楔形棱鏡陣列金膜，工藝操作復(fù)雜，鍍膜技術(shù)要求嚴(yán)格，鍍膜的效果直接影響到可測(cè)信號(hào)光的時(shí)間分辨率，動(dòng)態(tài)范圍。而基于馬澤赫德干涉技術(shù)和波導(dǎo)技術(shù)的全光條紋相機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高時(shí)間分辨率和高動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，可測(cè)量時(shí)間跨度也得到提高，在超快診斷技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超快光脈沖時(shí)間波形測(cè)量裝置，該裝置具有高的動(dòng)態(tài)范圍、高的時(shí)間分辨率和可以測(cè)量的時(shí)間跨度高的特點(diǎn)。本發(fā)明技術(shù)方案如下:一種超快光脈沖時(shí)間波形測(cè)量裝置，主要包括:泵浦光系統(tǒng)，光波導(dǎo)單元系統(tǒng)和高動(dòng)態(tài)范圍的讀出系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)是Al0 2fia0 76As/GaAs/Al0 2fia0 76As/GaAs/Al0 2fia0 76As/GaAs substrate,兩層 GaAs芯層構(gòu)成MZ干涉的兩條臂。泵浦光垂直方向入射，通過(guò)耦合柱透鏡在光波導(dǎo)中聚焦成線光斑，信號(hào)光水平入射到光波導(dǎo)，兩層GaAs芯層為信號(hào)光的光通道，入射到光波導(dǎo)中的泵浦光與信號(hào)光的通光方向有一定的夾角。當(dāng)信號(hào)光的整個(gè)脈沖充滿在波導(dǎo)層時(shí)，光波導(dǎo)芯層中沒(méi)有泵浦光照的地方，MZ的兩條臂的初始相位差是(2k+l)*Ji (k是整數(shù))，信號(hào)光經(jīng)過(guò)MZ干涉后光強(qiáng)度為零，處于消光狀態(tài)；有泵浦光照的地方，由于光學(xué)非線性效應(yīng)，MZ兩條臂的相對(duì)折射率會(huì)發(fā)生改變，控制泵浦光的能量密度，使得輸出的信號(hào)光干涉疊加，經(jīng)MZ干涉后增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)柱透鏡聚焦到光波導(dǎo)里的信號(hào)光，由于泵浦光與信號(hào)光的通光方向存在一個(gè)夾角，泵浦光照射在信號(hào)光的不同時(shí)間片，信號(hào)光的脈沖前沿部分和后沿部分在不同的時(shí)間片刻干涉增強(qiáng)，從而將時(shí)域里的波形轉(zhuǎn)化為空域里來(lái)測(cè)量。所述的泵浦光系統(tǒng)是短脈沖泵浦光系統(tǒng)，泵浦光的波長(zhǎng)為776nm 874nm，能量密度為 50uJ/cm2 300uJ/cm2。所述的信號(hào)光的光子能量要小于GaAs的帶寬。所述的入射到光波導(dǎo)中的泵浦光線光斑與信號(hào)光的通光方向的夾角為5度 60度。所述的讀出系統(tǒng)為高動(dòng)態(tài)范圍，高分辨的線陣列探測(cè)器。本發(fā)明的有優(yōu)點(diǎn)在于:1、本發(fā)明摒棄了基于變相管技術(shù)的傳統(tǒng)條紋相機(jī)所采用的電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，采用由泵浦光控制光生載流子誘導(dǎo)光波導(dǎo)兩個(gè)芯層的相對(duì)折射率發(fā)生變化，再結(jié)合MZ干涉技術(shù)，空域再現(xiàn)時(shí)域里的波形的測(cè)量，從而消除了傳統(tǒng)條紋相機(jī)無(wú)法同時(shí)具備高的時(shí)間分辨率和聞的動(dòng)態(tài)范圍的瓶頸因素即空間電荷效應(yīng)的存在。2、本發(fā)明研制出的裝置可以提供同時(shí)具有皮秒量級(jí)的時(shí)間分辨率、百個(gè)皮秒量級(jí)的可測(cè)時(shí)間跨度以及IO3-1O5的可測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。


圖1為本發(fā)明新型超快光脈沖時(shí)間波形測(cè)量裝置的工作原理圖。圖中:I一水平入射的信號(hào)光；2 —柱透鏡；3—垂直入射的泵浦光；4一經(jīng)過(guò)柱透鏡聚焦的泵浦光與信號(hào)光傳播方向的夾角；5—通過(guò)柱透鏡聚焦到光波導(dǎo)里的泵浦光的光斑；12—高分辨的線陣列探測(cè)器；14一用于泵浦光聚焦的柱透鏡；15—光波導(dǎo)。圖2為圖1中光波導(dǎo)(15)結(jié)構(gòu)的放大圖。圖中:6—Ala24Gaa76As ；7 —GaAs,馬澤干涉儀的一條；8—Ala24Gaa76As ；9 —GaAs,馬澤干涉儀的另一條；10 —Ala24Gaa76As ； 11—柱透鏡；13—基底 GaAs ；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明裝置進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置。在光波導(dǎo)里兩個(gè)波導(dǎo)芯層形成一個(gè)馬澤赫德(MZ)干涉儀，MZ干涉儀的兩條臂分別是圖1里的7和9。MZ的兩條臂的初始相位差是(2k+l)*Ji (k是整數(shù))，不加垂直入射的泵浦光3，信號(hào)光I通過(guò)MZ干涉儀時(shí)，達(dá)到消光狀態(tài)，出射端沒(méi)有信號(hào)光出射。加泵浦光3時(shí)，經(jīng)過(guò)柱透鏡14聚焦的泵浦光5垂直入射到光波導(dǎo)里，與此同時(shí)，信號(hào)光I的整個(gè)光脈沖時(shí)間波形水平地注入到光波導(dǎo)里的MZ干涉儀的兩條臂。由于非線性效應(yīng)，泵浦光誘導(dǎo)兩個(gè)芯層相對(duì)折射率發(fā)生改變，即MZ干涉儀的兩條臂7和9的相對(duì)折射率發(fā)生改變，控制泵浦光的能量密度，使得輸出的信號(hào)光干涉疊加，輸出光強(qiáng)增大。由于泵浦光與信號(hào)光的傳播方向存在一個(gè)夾角，泵浦光照射在信號(hào)光的不同時(shí)間片，信號(hào)光的脈沖前沿部分和后沿部分在不同的時(shí)間片刻干涉增強(qiáng)。信號(hào)光的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為空域里的波形，再由柱透鏡11匯聚，通過(guò)高分辨的線陣列探測(cè)器12探測(cè)。本發(fā)明的工作過(guò)程如下:光波導(dǎo)的兩個(gè)芯層GaAs結(jié)構(gòu)形成馬澤干涉儀的兩條臂，信號(hào)光水平地入射到光波導(dǎo)里，當(dāng)整個(gè)脈沖時(shí)間波形充滿在光波導(dǎo)時(shí)，泵浦光通過(guò)柱透鏡耦合到光波導(dǎo)里。泵浦光的光斑與信號(hào)光的傳播方向的夾角是在5° 60°之間，MZ的兩條臂的初始相位差是(2k+1) * π (k是整數(shù))，沒(méi)有泵浦光照的地方，信號(hào)光通過(guò)MZ干涉儀時(shí)，達(dá)到消光狀態(tài)，出射端沒(méi)有信號(hào)光出射。有泵浦光照時(shí)，由于非線性效應(yīng)，泵浦光誘導(dǎo)兩個(gè)芯層相對(duì)折射率發(fā)生改變，即MZ干涉儀的兩條臂GaAs的相對(duì)折射率發(fā)生改變，控制泵浦光的能量密度，使得輸出的信號(hào)光干涉疊加，輸出光強(qiáng)增大。由于泵浦光與信號(hào)光的傳播方向存在一個(gè)夾角，泵浦光照射在信號(hào)光的不同時(shí)間片，信號(hào)光的脈沖前沿部分和后沿部分在不同的時(shí)間片刻干涉增強(qiáng)，從而將時(shí)域里的波形轉(zhuǎn)化為空域里來(lái)測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置，其特征在于該裝置的構(gòu)成:在信號(hào)光的光路上依次設(shè)置第一柱透鏡(2)、砷化鎵光波導(dǎo)、第二柱透鏡(11)和高分辨的線陣列探測(cè)器(12)，在砷化鎵光波導(dǎo)的正上方設(shè)置第二柱透鏡(14)，泵浦光(3)經(jīng)第三柱透鏡(14)聚焦成一條線光斑(5)垂直入射到所述的光波導(dǎo)里，所述的線光斑(5)與線形信號(hào)光的的通光方向的夾角為Θ，所述的砷化鎵光波導(dǎo)的構(gòu)成為鋁鎵砷/砷化鎵/鋁鎵砷/砷化鎵/ 鋁鎵砷 / 砷化鎵襯底(6、7、8、9、10、13)，具體為 Al0.24Ga0.76As/GaAs/Al0.24Ga0.76As/GaAs/Ala24Gaa76AS/GaAS，其中兩層GaAs構(gòu)成兩個(gè)光波導(dǎo)的芯層(7、9)，三層Ala24Gaa76As分別構(gòu)成兩個(gè)光波導(dǎo)的包層(6、8、10)，兩個(gè)GaAs芯層是馬澤赫德(MZ)干涉儀的兩臂(7、9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置，其特征在于所述的泵浦光(3)的波長(zhǎng)范圍在776nm 874nm之間，能量密度在50uJ/cm2 300uJ/cm2之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置，其特征在于所述的泵浦光與信號(hào)光的通光方向的夾角Θ為5° 60°。
全文摘要
一種超快光脈沖時(shí)間波形的測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有的基于光電轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)條紋相機(jī)的突破，提供同時(shí)具有皮秒量級(jí)的時(shí)間分辨率、百個(gè)皮秒量級(jí)的可測(cè)時(shí)間跨度以及103-105的可測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。該裝置主要包括光波導(dǎo)單元，泵浦光系統(tǒng)和高動(dòng)態(tài)范圍的讀出系統(tǒng)，其中光波導(dǎo)單元的功能層采用的是Al0.24Ga0.76As/GaAs/Al0.24Ga0.76As/GaAs/Al0.24Ga0.76As結(jié)構(gòu)，兩個(gè)GaAs芯層組成了MZ干涉儀的兩條臂。本發(fā)明的最大的優(yōu)點(diǎn)在于，解決了現(xiàn)有技術(shù)難以同時(shí)具備大的動(dòng)態(tài)范圍、時(shí)間分辨率和可測(cè)量時(shí)間跨度以及真空器件穩(wěn)定性和可靠性差等技術(shù)問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01J11/00GK103196570SQ20131010358
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者吳正香, 董明明, 李國(guó)揚(yáng), 范薇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所