專利名稱：多功能激光干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種多功能激光干涉儀。
主要適用于測量光脈沖、電脈沖以及磁脈沖的信號，如測量光強和電壓隨時間變化的波形。因為它的響應(yīng)速度極快，是微微秒(Ps)量級。所以，它非常適用于超快變電場和超短光脈沖信號變化的測量。
已有技術(shù)主要有兩個方面。一是普通干涉儀，如一九八七年機械工業(yè)出版社出版的“剪切干涉儀及其應(yīng)用”一書中描述的干涉儀，可用來做多樣的測量工作，但它既不能像示波器一樣示波顯示電信號的波形，也不能示波顯示光信號、磁信號的波形。另一方面，中國專利87101030.5描述的超快變電場的測量系統(tǒng)和美國專利4472053描述的測量系統(tǒng)，雖然能示波顯示電信號和光信號的波形，但不能示波顯示其他如磁信號的波形等。而且，這些測量系統(tǒng)內(nèi)不含有干涉系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種可以示波顯示一系列的超快變信號，如電信號、光信號、磁信號等隨時間變化波形的測量裝置。既有高精度的時間分辨率，又能測量多種類型的信號。


為下述方便，先進(jìn)行附圖的圖面說明。
圖1是本發(fā)明的多功能激光干涉儀的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2是本發(fā)明的多功能激光干涉儀的光路圖。
本發(fā)明的多功能激光干涉儀由十一部分構(gòu)成超短脈沖發(fā)射光源1、雙脈沖形成裝置2、擴束器3、微分時間延遲器4、聚焦系統(tǒng)5、干涉系統(tǒng)6、轉(zhuǎn)換元件7、干涉條紋的接收處理顯示系統(tǒng)8、被測信號接口9、同步裝置10和補償元件11。其中，轉(zhuǎn)換元件7在干涉系統(tǒng)6的一個臂的光路A中，補償元件11是在干涉系統(tǒng)6的另一個臂的光路B中，如圖2所示。
由超短脈沖發(fā)射光源1發(fā)射的基礎(chǔ)光束經(jīng)雙脈沖形成裝置2后，將單個脈沖變成與原單脈沖形狀相同的兩個脈沖。兩個脈沖一前一后，時間相差幾個毫微秒。這個時間差比微分時間延遲器所造成的最大時間差大三倍以上。由雙脈沖形成裝置2輸出的光脈沖再經(jīng)擴束器3橫向擴束后，入射到微分時間延遲器4上。該延遲器4出射的脈沖光束中，在光束橫截面上各處有不同的時間延遲，延遲量相對光束垂直面的水平方向上遞增。由延遲器4輸出的光束再經(jīng)聚焦系統(tǒng)5進(jìn)入干涉系統(tǒng)6，由于干涉系統(tǒng)6出射的光束已產(chǎn)生了干涉條紋。再由干涉條紋的接收處理顯示系統(tǒng)8對這些干涉條紋進(jìn)行處理后，顯示其測量結(jié)果。轉(zhuǎn)換元件7置于干涉系統(tǒng)6中一個臂的光路A中，如圖2所示。被測量信號經(jīng)由被測信號接口9加于轉(zhuǎn)換元件7上。補償元件11置于干涉系統(tǒng)6的另一個臂的光路B中，起光程補償作用，促使干涉系統(tǒng)6兩個臂的光程盡可能相等。當(dāng)被測信號加在轉(zhuǎn)換元件7上時，轉(zhuǎn)換元件的折射率變化，導(dǎo)致干涉系統(tǒng)的一個臂的光程起變化，因此干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的干涉條紋會移動。由于微分時間延遲器的作用，不是整條干涉條紋處處移動，而是與被測信號作用相關(guān)的局部產(chǎn)生移動。因此，干涉條紋形狀產(chǎn)生波動，這種波動的波形正是被測信號隨時間變化的波形。此波形由接收處理顯示系統(tǒng)8顯示出來。至此完成了測量。由上述可知，不管哪種類型的信號，只要能使相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件7改變折射率，便能用本發(fā)明的多功能激光干涉儀進(jìn)行測量。使用雙脈沖形成裝置2把具有單個光脈沖的基礎(chǔ)光束改變成具有兩個光脈沖的基礎(chǔ)光束，是為了使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。由同步裝置10控制，當(dāng)基礎(chǔ)光束的第二個光脈沖剛好到達(dá)轉(zhuǎn)換元件7時，將被測信號加在轉(zhuǎn)換元件上。這樣，基礎(chǔ)光束的第一個光脈沖形成的干涉條紋是不加被測信號的干涉條紋。第二個光脈沖形成的干涉條紋是加被測信號的干涉條紋。兩組干涉條紋對比處理，將得到精確的被測信號波形。
本發(fā)明的超短脈沖發(fā)射光源1當(dāng)前選用激光系統(tǒng)來實現(xiàn)。該光源1可以是一臺鎖模激光器帶單脈沖選擇器，或者是一臺同步泵浦染料激光器，或者是帶有脈沖壓縮裝置和激光放大系統(tǒng)的激光系統(tǒng)。所以，前面所述的基礎(chǔ)光束是一束超短脈沖激光束。
轉(zhuǎn)換元件7當(dāng)測量電信號時，用普通克爾盒，測量光信號時，可用光克爾材料做成的組件作為轉(zhuǎn)換元件7。
所用干涉系統(tǒng)6可以是馬赫干涉儀，或者是邁克爾遜干涉儀，或者是剪切干涉儀等。
接收處理顯示系統(tǒng)8的接收器可選用二維二極管列陣，或選用二維電荷耦合器件(CCD)，或用OMA。
微分時間延遲器是衍射光柵，或者是色散棱鏡，或者是階梯光柵。
擴束器可用球而望遠(yuǎn)鏡，或把望遠(yuǎn)鏡和球面改成柱面的望遠(yuǎn)鏡，或者用棱鏡。
雙脈沖形成裝置2由兩塊半透反射鏡和一塊直角棱鏡構(gòu)成，如圖2所示。單脈沖激光束經(jīng)第一塊半透反射鏡分成兩束，透過的光束再透過第二塊半透反射鏡，形成第一個光脈沖。在第一塊半透反射鏡處反射的光束經(jīng)直角棱鏡反射回來，再經(jīng)第二塊半透反射鏡反射，形成第二個脈沖。這兩個脈沖合成一束光，其中第二個脈沖比第一個脈沖延遲了一段時間。
本發(fā)明的激光干涉儀的時間分辨率精度取決于基礎(chǔ)光束的脈沖寬度和轉(zhuǎn)換元件7的性能。而且這兩部分均可選到理想的器件。
本發(fā)明的激光干涉儀優(yōu)點是1.能示波顯示多種類型的信號隨時間變化的波形，而且時間分辨率精度高，至少達(dá)到10-12秒。
2.由于本發(fā)明采用了微分時間延遲器和干涉系統(tǒng)，所以應(yīng)用范圍廣。除用以測量光脈沖、電脈沖、磁脈沖信號外，還可以測量非線性光學(xué)材料的非線性折射率系數(shù)n2。測量時，把被測材料放在轉(zhuǎn)換元件7的位置，用一超短光脈沖照射被測材料，由同步裝置10使該脈沖與基礎(chǔ)光束的脈沖同步，可以一次測出由n2形成的折射率變化量△n在光照射后隨時間的衰減曲線。由此曲線可求得n2值，也可求得非線性的弛豫時間。
3.測量速度快，是實時測量。只要超短脈沖發(fā)射光源1發(fā)射一個光脈沖，其測量就可方便地完成。
實施例如圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)。超短脈沖發(fā)射光源1選用一臺超短脈沖鎖模激光器，它帶有單脈沖選擇器，可以輸出單個的脈沖寬度為5×10-14秒的光脈沖。選用柱面凹透鏡和柱面凸透鏡組成擴束器3。選用衍射光柵作為微分時間延遲器4。選用會聚透鏡作為聚焦系統(tǒng)5。干涉系統(tǒng)6選用馬赫干涉儀。基礎(chǔ)光束的焦點分別落在馬赫干涉儀的兩個臂中。一個臂中的焦點處或焦點附近放置轉(zhuǎn)換元件7，另一個臂中的焦點處或附近置放補償元件11。測電信號時轉(zhuǎn)換元件7用普克爾盒，補償元件11是一塊晶體，它和普克爾盒中的晶體相同。置于馬赫干涉儀出口處的接收處理顯示系統(tǒng)8選用二維二極管列陣作為接收器，接收到信號后存儲、處理，最后把被測信號隨時間變化的波形顯示在熒光屏上。時間分辨率精度為5×10-14秒。
權(quán)利要求
1.一種多功能激光干涉儀，其特征在于它含有十一部分；由激光系統(tǒng)構(gòu)成的超短脈沖發(fā)射光源(1)發(fā)射的基礎(chǔ)光束，經(jīng)過雙脈沖形成裝置(2)形成的兩個單脈沖由擴束器(3)橫向擴束后，入射到微分時間延遲器(4)上，由微分時間延遲器(4)輸出的光束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)(5)進(jìn)入干涉系統(tǒng)(6)后，輸出的帶有干涉條紋的光束被干涉條紋的接收處理顯示系統(tǒng)(8)接收，干涉系統(tǒng)的一個臂的光路A中置有轉(zhuǎn)換元件(7)，干涉系統(tǒng)的另一個臂的光路B中置有補償元件(11)，被測量的信號由同步裝置(10)控制經(jīng)被測信號接口(9)加于轉(zhuǎn)換元件(7)上。
2.依照權(quán)利要求1所述的一種多功能激光干涉儀，其特征在于干涉系統(tǒng)(6)是馬赫干涉儀，或者是邁克爾遜干涉儀，或者是剪切干涉儀。
3.依照權(quán)利要求1所述的一種多功能激光干涉儀，其特征在于超短脈沖發(fā)射光源(1)的激光系統(tǒng)是一鎖模激光器帶單脈沖選擇器，或者是一同步泵浦的染料激光器，或者是帶有脈沖壓縮裝置和激光放大系統(tǒng)的激光系統(tǒng)。
4.依照權(quán)利要求1所述的一種多功能激光干涉儀，其特征在于微分時間延遲器(4)是衍射光柵，或者是階梯光柵，或者是色散棱鏡。
5.依照權(quán)利要求1所述的一種多功能激光干涉儀，其特征在于置于超短脈沖發(fā)射光源(1)和擴束器(3)之間的雙脈沖形成裝置(2)是由兩塊半透反射鏡和一直角棱鏡所構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明是一種多功能激光干涉儀，適用于測量光脈沖、電脈沖、磁脈沖和超快變電場以及超短光脈沖信號的變化。它含有超短脈沖發(fā)射光源、雙脈沖形成裝置、擴束器、微分時間延遲器、聚焦系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換元件、干涉條紋和接收處理顯示系統(tǒng)、被測信號接口、同步裝置和補償元件。具有時間分辨率精度高、響應(yīng)速度快、用途廣，可以實時測量的優(yōu)點。
文檔編號G01J11/00GK1089723SQ9311245
公開日1994年7月20日 申請日期1993年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月16日
發(fā)明者高福源, 陳淑琴 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所