用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法
【專利摘要】一種用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法，首先將分劃板安裝到第一相關(guān)光束或者第二相關(guān)光束中，使其垂直于光束傳輸方向；然后通過角度尺測(cè)量相關(guān)光束的夾角；最后通過光電探測(cè)器檢測(cè)分劃板在相關(guān)信號(hào)上的投影，并計(jì)算得到時(shí)間分辨率。本發(fā)明方法對(duì)于標(biāo)定脈沖的脈寬不敏感，能夠在標(biāo)定脈沖的脈寬接近或大于自相關(guān)儀、頂部變化平緩導(dǎo)致相關(guān)信號(hào)的脈沖峰值辨認(rèn)困難的情況下得到具有較小誤差、較高準(zhǔn)確性的時(shí)間分辨率。
【專利說明】用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單次自相關(guān)和單次互相關(guān)儀，特別是一種用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的激光脈沖的脈沖寬度測(cè)量方法，有示波器和條紋相機(jī)兩種。當(dāng)采用16GHz的高速示波器進(jìn)行脈寬測(cè)量時(shí)，考慮到快響應(yīng)光電管、屏蔽電纜線、以及相應(yīng)的接口電路元器件的帶寬，其上升沿響應(yīng)為71.5ps，即時(shí)間分辨率大于71.5ps。當(dāng)采用條紋相機(jī)時(shí)，其時(shí)間分辨率為2.85ps。為了能夠?qū)崿F(xiàn)<10ps、甚至飛秒級(jí)的脈沖寬度的測(cè)量，科學(xué)家們發(fā)展了
相關(guān)測(cè)量原理。
[0003]R.A.Ganeev在1995年提出了自相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)超短脈沖時(shí)間波形測(cè)量的原始方案(參見 Optics Communications, Vol.114,1995,432 ?434)。M.Raghuramaiah 在 2001年完善了自相關(guān)方法測(cè)量超短脈沖的脈沖寬度的理論分析方法(參見SADHANA-ACADEMYPROCEEDINGS IN ENGINEERING SCIENCES, Vol.26,2001,603 ?611)。L.Zheng 在 1995年通過互相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)了脈沖的時(shí)間波形，包括脈寬及其前后沿分辨能力(參見OpticsLetters, Vol.20，1995，407?409)。與自相關(guān)過程相比較，互相關(guān)過程的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖的前后沿分辨，缺點(diǎn)在于工作介質(zhì)中的互相關(guān)轉(zhuǎn)換效率非常低。在常規(guī)的脈沖寬度測(cè)量需求中，自相關(guān)方法得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]基于以上研究基礎(chǔ)，美國(guó)相干公司(Coherent Inc.)的研制了商用的飛秒級(jí)脈寬測(cè)量?jī)xSSA-P，測(cè)量范圍為30-300fs，其標(biāo)稱分辨率為5fs。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了皮秒級(jí)脈寬測(cè)量?jī)xPsWidth20，測(cè)量范圍為l_18ps，其標(biāo)稱分辨率為0.1ps0
[0005]為了標(biāo)定和驗(yàn)證自相關(guān)測(cè)量?jī)x的時(shí)間分辨率，本人在2012年基于自標(biāo)定方法開展了皮秒級(jí)脈寬測(cè)量?jī)x的標(biāo)定工作(參見《中國(guó)激光》，Vol.39，2012，0408003-1?0408003-4)。
[0006]自標(biāo)定方法的缺點(diǎn)在于，由于標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中脈沖(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)定脈沖)自身的脈寬限制，得到的時(shí)間分辨率不可能小于標(biāo)定脈沖的脈寬。而且，當(dāng)標(biāo)定脈沖的脈寬接近或大于自相關(guān)儀的測(cè)量范圍時(shí)，頂部比較平緩，無法準(zhǔn)確地觀測(cè)到峰值的移動(dòng)量，得不到準(zhǔn)確的時(shí)間分辨率。為了使時(shí)間分辨率小于標(biāo)定脈沖的脈寬，實(shí)現(xiàn)更精密、更準(zhǔn)確的脈沖寬度測(cè)量，需要考慮對(duì)標(biāo)定脈沖的脈寬不敏感的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的問題在于提供一種用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高相關(guān)測(cè)量原理中的時(shí)間分辨率，從而提高測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0009]一種用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法，其特點(diǎn)在于該方法包括以下步驟:
[0010]①將分劃板安裝到第一相關(guān)光束或者第二相關(guān)光束中，使其垂直于光束傳輸方向，分劃板的尺寸表示為X ;
[0011]②將光電探測(cè)器的探測(cè)面平行于第一相關(guān)光束和第二相關(guān)光束的相關(guān)工作面，檢測(cè)分劃板在相關(guān)信號(hào)上的投影I;
[0012]③測(cè)量相關(guān)的第一相關(guān)光束和第二相關(guān)光束的夾角為Φ ;
[0013]④按下列公式計(jì)算單次自相關(guān)或互相關(guān)測(cè)量?jī)x的時(shí)間分辨率P:
[0014]P =2z/cy=2x X tan ( Φ /2) /cy
[0015]式中，c為光速。
[0016]所述的分劃板為帶刻度的透明材料、具有固定間距和圖樣的透明材料或不透明材料。
[0017]所述的第一相關(guān)光束、第二相關(guān)光束為:任意百分比分光鏡的反射光和透射光、任意百分比分光鏡的反射光經(jīng)過非線性晶體所產(chǎn)生的信號(hào)和透射光、任意百分比分光鏡的反射光和透射光經(jīng)過非線性晶體所產(chǎn)生的信號(hào)。
[0018]所述的相關(guān)過程工作面，為非線性晶體的前表面，所述的非線性晶體包括但不限于 BBO、LBO、KDP、PPLN。
[0019]所述的光電檢測(cè)器為CCD、光電二極管或快響應(yīng)光電管。
[0020]上述步驟的要點(diǎn)是:
[0021](I)分劃板應(yīng)當(dāng)盡可能垂直于光束傳輸方向，減小角度偏差導(dǎo)致的分劃板在相關(guān)信號(hào)上的投影的長(zhǎng)度偏差。
[0022](2)盡可能使用高精度的角度尺測(cè)量相關(guān)光束的夾角，比如組合角度尺、萬能角度尺；
[0023](3)為了提高光電探測(cè)器的檢測(cè)精度，需要采用光學(xué)成像系統(tǒng)，使相關(guān)過程工作面與光電探測(cè)器之間滿足物像關(guān)系。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0025]本發(fā)明自相關(guān)儀的時(shí)間分辨率的標(biāo)定過程對(duì)標(biāo)定用脈沖的脈寬的敏感度大幅度地下降，即可以在脈寬連續(xù)變化的情況下，實(shí)時(shí)地得到時(shí)間分辨率，即使是在脈寬接近或者大于自相關(guān)儀的測(cè)量范圍時(shí)。
[0026]本發(fā)明在具有展寬和壓縮功能的啁啾脈沖激光系統(tǒng)中具有理想的應(yīng)用前景。例如，對(duì)于大型皮秒拍瓦激光系統(tǒng)中的l_50ps的脈寬調(diào)節(jié)范圍，可以在20ps或者更寬的脈沖條件下完成時(shí)間分辨率的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。從而可以在脈寬的壓縮過程中實(shí)時(shí)地提供脈寬測(cè)量的可靠結(jié)果，特別是當(dāng)脈沖寬度處于1-1Ops范圍內(nèi)時(shí)也具有較小的誤差和較高的可靠性。對(duì)于調(diào)節(jié)范圍在30fs?300fs的飛秒級(jí)脈沖也具有同樣的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】[0028]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)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。
[0029]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。第一相關(guān)光束I表示為圖1中3根粗實(shí)線，第二相關(guān)光束2表示為圖1中3根粗虛線，兩者之間構(gòu)成一個(gè)夾角Φ，為相關(guān)光束夾角3，相關(guān)過程工作面4為實(shí)線AO所在的平面。第一相關(guān)光束I的中心線與第二相關(guān)光束2的中心線在相關(guān)過程工作面4上的交點(diǎn)為O點(diǎn)。第一相關(guān)光束I的中心所在的等相位面5與其自身的傳播方向垂直，第二相關(guān)光束2的中心所在的等相位面6與其自身的傳播方向垂直。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中用到的分劃板7位于第一相關(guān)光束I中。分劃板7在相關(guān)信號(hào)中的投影8，點(diǎn)劃線表示的相關(guān)信號(hào)9和光電探測(cè)器10均位于相關(guān)過程工作面4之后。
[0030]在相關(guān)過程中所采用的第一相關(guān)光束1、第二相關(guān)光束2在紙面所在的平面內(nèi)均具有一定的寬度，是無數(shù)個(gè)細(xì)光束的集合。當(dāng)?shù)谝幌嚓P(guān)光束I的中心、第二相關(guān)光束2的中心同時(shí)到達(dá)相關(guān)工作面4 (A0所在的平面)時(shí)，O點(diǎn)處的相關(guān)作用時(shí)間最長(zhǎng)，為整個(gè)脈寬寬度，因此能夠得到最強(qiáng)的相關(guān)信號(hào)。即相關(guān)信號(hào)的峰值位于O點(diǎn)。[0031]由于相關(guān)光束夾角3的存在,在直線AO上,沿著從O點(diǎn)向A點(diǎn)的方向，第一相關(guān)光束I中的細(xì)光束到達(dá)相關(guān)過程工作面4的光程Lia，逐漸小于中心處細(xì)光束的光程Lw,第二相關(guān)光束2中的細(xì)光束到達(dá)相關(guān)過程工作面4的光程L2a，逐漸大于中心處細(xì)光束的光程L20,。以A點(diǎn)處為例，第一相關(guān)光束I中通過A點(diǎn)的細(xì)光束，與通過O點(diǎn)的細(xì)光束所在的等相位面5相比，光程少了 -z。同樣，第二相關(guān)光束2中通過A點(diǎn)的細(xì)光束，與通過O點(diǎn)的細(xì)光束所在的等相位面6相比，光程多了 +z。即有以下等式成立:
[0032]L10-Z=Lia(1)
[0033]L20+z=L2A(2)
[0034]Liq=L2q(3)
[0035]在自標(biāo)定方法中，如果要使得相關(guān)信號(hào)的峰值從O點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)，移動(dòng)距離表示為y，則需要使A點(diǎn)處的第一相關(guān)光束I中的細(xì)光束與第二相關(guān)光束2中的細(xì)光束的光程相等。在自標(biāo)定方法中，是將第一相關(guān)光束I的光程Lia改變?yōu)長(zhǎng)’1A，即L’1A=L1A-2z，從而使得L’ 1A=L2A。光程變化量2z所對(duì)應(yīng)的時(shí)間變化量為Λ t=2z/c, c為光速，因此自相關(guān)信號(hào)峰值的移動(dòng)量y與時(shí)間變化量At的關(guān)系可以表不為
[0036]P = Δ t/y=2z/cy(4)
[0037]P即是標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間分辨率。
[0038]在本發(fā)明所述的技術(shù)方案中，采用了靜態(tài)的方法識(shí)別光程2z與自相關(guān)信號(hào)峰值的移動(dòng)量I的關(guān)系。具體操作步驟為:
[0039]①將分劃板7安裝到第一相關(guān)光束I或者第二相關(guān)光束2中，使其垂直于光束傳輸方向；
[0040]②通過光電探測(cè)器10檢測(cè)分劃板在相關(guān)信號(hào)上的投影8 ；
[0041]③通過角度尺測(cè)量相關(guān)光束的夾角3 ；
[0042]④根據(jù)相關(guān)光束夾角3的測(cè)量值Φ、分劃板7的測(cè)量值X、光電探測(cè)器10的測(cè)量值y，計(jì)算得到時(shí)間分辨率P。
[0043]在實(shí)施例1中，分劃板的尺寸表示為X。根據(jù)圖1中與相關(guān)光束夾角3相關(guān)聯(lián)的三角函數(shù)關(guān)系可以知道，自相關(guān)信號(hào)峰值移動(dòng)量y，光程變化量2z，與第一相關(guān)光束I中的尺寸X構(gòu)成了一個(gè)直角三角形。第一相關(guān)光束I中的尺寸X在相關(guān)過程工作面4上的投影為
[0044]y=x/cos ( Φ /2)(5)
[0045]第一相關(guān)光束I中的尺寸X在光束傳播方向上的投影為:
[0046]z=xX tan ( Φ /2)(6)
[0047]因此，根據(jù)公式(4)、(5)、(6)、(7)，時(shí)間分辨率P可以表示為
[0048]P =2z/cy=2xX tan ( Φ /2) /cy (7)公式(7)中，分劃板的尺寸χ、相關(guān)光束夾角Φ均為固定量，可以在由游標(biāo)卡尺、組合角度尺等工具測(cè)量得到。光速c為常量。分劃板7上的尺寸χ在相關(guān)工作面4上的投影y需要在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中采用光電探測(cè)器，比如CCD，進(jìn)行測(cè)量。因此可以僅僅通過I個(gè)脈沖的I次測(cè)量結(jié)果就得到時(shí)間分辨率P。而在自標(biāo)定方法中，相關(guān)信號(hào)移動(dòng)量I的測(cè)量至少需要2個(gè)脈沖的2次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相減。
[0049]下面討論該發(fā)明的標(biāo)定誤差。
[0050]分劃板7上的空間尺寸由機(jī)械加工保證，絕對(duì)誤差為±5um ;皮秒級(jí)自相關(guān)儀選用間距為1mm的尺寸時(shí)，相對(duì)誤差為±0.5% ； [0051]相關(guān)光束夾角3通過組合角度尺進(jìn)行測(cè)量，其角度Φ的絕對(duì)誤差(1Φ〈±1°。皮秒級(jí)自相關(guān)儀中，Φ=55°，相對(duì)誤差為tan(55° ±1° /2)/tan(55° /2)=±2%;
[0052]相關(guān)信號(hào)9在光電探測(cè)器上的移動(dòng)量由CCD進(jìn)行測(cè)量。皮秒級(jí)自相關(guān)儀中的CCD像素尺寸為20um，絕對(duì)誤差為±20um。脈寬18ps時(shí)所對(duì)應(yīng)的光程延遲量為
[0053]2z=18 X KT12S X 3 X 108m/s=5400um
[0054]由公式(5)、(6)得到相關(guān)信號(hào)范圍:
[0055]y=z/sin ( Φ /2) =5.85 X 103um
[0056]相對(duì)誤差為±20um/5.85 X IO3Um= ±0.3% ；
[0057]綜上所述，本發(fā)明的標(biāo)定方法，皮秒級(jí)自相關(guān)儀的標(biāo)定誤差為
[0058]S = ±V0.52 +22 +0.32 = ±2.1 %
[0059]在實(shí)施例2中，光路的基本結(jié)構(gòu)和標(biāo)定步驟與實(shí)施例1相同。不同的地方在于分劃板上的尺寸、相關(guān)光束的夾角、CCD的像素。
[0060]飛秒級(jí)自相關(guān)儀選用分劃板上間距為IOOum的尺寸時(shí)，相對(duì)誤差為±5%。
[0061]飛秒級(jí)自相關(guān)儀中，Φ=10。，相對(duì)誤差為tan(55 ° ±1 ° /2)/tan (55。/2) =±10%;
[0062]飛秒級(jí)自相關(guān)儀中的CXD像素尺寸為8um，絕對(duì)誤差為±8um。脈寬300fs時(shí)所對(duì)應(yīng)的光程延遲量為
[0063]2z=300 X l(T15s X 3 X 108m/s=90um
[0064]由公式(6)、( 7)得到相關(guān)信號(hào)范圍
[0065]y=z/sin(Φ/2)=516um
[0066]相對(duì)誤差為±8um/516um=± 1.6%。
[0067]綜上所述，飛秒級(jí)自相關(guān)儀的標(biāo)定誤差為
[0068]^ = +^/52+IO2+1.62 =+11.3% O
[0069]所以，采用該發(fā)明的標(biāo)定，即使標(biāo)定用脈沖的脈寬接近或大于自相關(guān)儀的測(cè)量范圍，頂部變化緩慢，仍然能夠得到高可靠性、高精度的時(shí)間分辨率，并且只需要I個(gè)脈沖的I次測(cè)量結(jié)果。這對(duì)于發(fā)射間隔時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)、調(diào)試發(fā)次有限、脈寬變化范圍大的大型皮秒級(jí)拍瓦激光系統(tǒng)來說非常有用。
【權(quán)利要求】
1.一種用于單次相關(guān)測(cè)量?jī)x時(shí)間分辨率的精密標(biāo)定方法，其特征在于該方法包括以下步驟: ①將分劃板(7)安裝到第一相關(guān)光束(I)或者第二相關(guān)光束(2 )中，使其垂直于光束傳輸方向，分劃板的尺寸表不為X ； ②將光電探測(cè)器(10)的探測(cè)面平行于第一相關(guān)光束(I)和第二相關(guān)光束(2)的相關(guān)工作面(AO)，檢測(cè)分劃板(7)在相關(guān)信號(hào)上的投影y ； ③測(cè)量相關(guān)的第一相關(guān)光束和第二相關(guān)光束的夾角為Φ； ④按下列公式計(jì)算單次自相關(guān)或互相關(guān)測(cè)量?jī)x的時(shí)間分辨率P:
P =2z/cy=2xX tan(Φ/2)/cy 式中，c為光速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于所述的分劃板為帶刻度的透明材料、具有固定間距和圖樣的透明材料或不透明材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于所述的第一相關(guān)光束、第二相關(guān)光束為:任意百分比分光鏡的反射光和透射光、任意百分比分光鏡的反射光經(jīng)過非線性晶體所產(chǎn)生的信號(hào)和透射光、任意百分比分光鏡的反射光和透射光經(jīng)過非線性晶體所產(chǎn)生的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于所述的相關(guān)過程工作面，為非線性晶體的前表面，所述的非線性晶體包括但不限于BBO、LBO, KDP、PPLN。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于所述的光電檢測(cè)器為CCD、光電二極管或快響應(yīng)光電管。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK103900724SQ201410119550
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】歐陽小平, 楊冬, 王楊, 楊琳, 朱寶強(qiáng), 朱健強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所