CN100439884C - 单周期、亚周期光脉冲持续时间的测量方法 - Google Patents

单周期、亚周期光脉冲持续时间的测量方法 Download PDF

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Abstract

一种用于测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的相关器装置及方法，装置是由分束器、二反射镜、光电二极管和函数记录仪所组成；方法为用光脉冲的一阶干涉相关曲线的参数获得脉宽的数据。本发明的优越性在于：1.本案是不用二阶相关，而是用原始脉冲的一阶相关曲线测量脉宽，这不但省去了传统相关器的聚焦、倍频、滤波和放大，而且大大提高了信噪比；2.导出了用线性相关曲线测量脉宽的公式，这是测量脉冲持续时间的新方法。

Description

单周期、亚周期光脉冲持续时间的测量方法
(一)技术领域：
本发明涉及一种光学测量装置及方法，特别是一种单周期、亚周期光脉冲持续时间的相关器装置及测量方法。
(二)背景技术：
早在光脉冲达到皮秒量级时，因为没有探测器和显示仪器能够响应这样短的持续时间(简称脉宽)而提出了相关测量技术。相关测量的实质就是把对时间的测量变成对空间的测量。脉冲的相关测量就是用将迈克尔逊干涉仪改造成的光学相关器(见图4)，使光脉冲通过半反半透镜一分为二，然后又合二为一，使之相关；再经过聚焦、倍频和滤波，用光电倍增管探测和记录仪记录，在不断改变延迟时间的情况下得到其二阶强度(非线性)相关曲线(简称3∶1曲线，见图5-1和图6曲线1)。激光锁模技术和高次谐波技术分别把光脉冲的持续时间缩短到几飞秒和几百阿秒量级，面对如此短的光脉冲用直接测量法测量是不可能的，显然，只能用上述所说的相关方法测量，所不同的是应该对原有的方法进行改进。对10飞秒以下的光脉冲的测量，用3∶1曲线在时间分辨率上就有困难了；特别对可见光单周期、亚周期脉冲，测量几乎是不可能的，因为记录仪器不可能有这样快的响应。我们于87年提出的利用二阶干涉相关曲线(简称8∶1曲线)上包络等值宽度的方法，对单周期、亚周期脉冲也不能适用，因为此时已无包络可言(见图6曲线2)。国外在对待几个飞秒的光脉冲的测量，是在断续改变延迟的情况下，从实验中测得8∶1曲线的一些数据点，然后进行曲线的拟合。根据拟合曲线求得脉宽(见图7)，这种方法很麻烦，而且曲线拟合的好坏影响测量的精度。现在人们利用飞秒级激光脉冲产生高次谐波获得亚飞秒、即几百阿秒级的真空紫外光和软X射线。在这种脉冲的测量中，最大的困难是其非线性效应非常弱，以致不能用二次谐波法测量，而是用飞秒基波与高次谐波的互相关法测量。此法的缺点是由于高次谐波的产生与测量纠缠在一起，难于理解，操作麻烦。
(三)本发明的技术方案：
本发明的目的在于设计一种单周期、亚周期光脉冲的相关器装置及测量方法，它使得单周期和亚周期、甚至阿秒光脉冲的测量成为可能。
本发明的技术方案：一种用于测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的相关器装置，包括相关器的活动臂和固定臂，其特征在于它是由分束器、二反射镜、光电二极管和函数记录仪所组成，分束器与入射光成45°角，反射镜一和反射镜二分别置于分束器的两侧且分别与分束器的反射光和透射光垂直，光电二极管位于分束器的光束输出端，函数记录仪连接于光电二极管的电信号输出端。
上述所说的函数记录仪也可以采用计算机。
上述所说的二反射镜可取空心直角棱镜。
一种用上述相关器装置测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的方法，其特征在于它是由以下步骤所构成：
①待测光脉冲经分束器一分为二，即成二子脉冲，它们由上述反射镜一和反射镜二返回，并分别在分束器处发生透射和反射，然后共线地发生干涉相关，这种干涉相关信号被光电二极管所接收，并送入到函数记录仪；
②分开的两子脉冲合成一束后必须共线，其共线的标准是两子脉冲的空间干涉条纹只有一个；
③上述反射镜二沿着光束的方向缓慢地移动，以改变两相关脉冲的延迟时间τ，绘出光脉冲的一阶干涉相关实验曲线，即光脉冲相关的2∶1曲线；
④如果光脉冲相关的2∶1曲线存在边峰，则量取第一边峰的高度I(τ0)，即纵坐标，按如下公式计算脉宽，式中P为载波光的周期：
Figure C0313053100041
⑤如果光脉冲相关的2∶1曲线没有边峰只有主峰，则量取与主峰半高度处所对应的自变量值τ0，按如下公式计算脉宽，式中ω为载波光的圆频率：
Figure C0313053100042
本发明的优越性在于：1、本案的特点是不用二阶相关，而是用原始脉冲的一阶相关曲线测量脉宽，这不但省去了传统相关器的聚焦、倍频、滤波和放大，而且大大提高了信噪比；2、导出了用线性相关曲线测量脉宽的公式，这是测量脉冲持续时间的新方法。
(四)附图说明：
附图1为本发明所涉一种用于测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的相关器装置整体结构示意图。
附图2为本发明所涉一种用上述相关器装置测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的方法中有边峰时量取该峰高度的示意图。
附图3为本发明所涉一种用上述相关器装置测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的方法中测量光脉冲相关的2∶1曲线只有主峰时量取与半高度处对应的自变量示意图。
附图4--图7主要描述已有技术所涉图示。
其中：P为待测入射光脉冲，S为分束器，P1和P2为分束后的子脉冲，M1和M2为反射镜，Δt为待测脉冲的脉宽，T为与脉宽有关的参数，PMT为光电倍增管，D为光电二极管，X-Y为函数记录仪。
(五)具体实施方式：
实施例：一种用于测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的相关器装置(见图1)，包括相关器的活动臂和固定臂，其特征在于它是由分束器S、反射镜M1和M2、光电二极管D和函数记录仪X-Y所组成，分束器S与入射光P成45°角，一反射镜M1和另一反射镜M2分别置于分束器S的两侧且分别与分束器S的反射光P1和透射光P2垂直，光电二极管D位于分束器S的光束输出端，函数记录仪X-Y连接于光电二极管D的电信号输出端。
上述所说的X-Y函数记录仪也可以采用计算机。
上述所说的反射镜M1和M2可取空心直角棱镜。
上述所说的分束器S可用厚度小于0.5mm的光学玻璃镀成对入射光半透半反的膜制得，反射镜M1和M2加工成空心直角棱镜并镀上全反膜，M1安装在相关器的固定臂上，M2安装在相关器的活动臂上。
一种用上述相关器装置测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的方法(见图2-3)，其特征在于它是由以下步骤所构成：
①待测的光脉冲P进入相关器后，一部分被S反射，成为子脉冲P1，再经M1两次反射，平行地透过S，另一部分透过S，成为子脉冲P2，经M2两次反射，然后再被S反射，两脉冲P1和P2最后要共线，共线的检验方法是观察两脉冲形成的干涉条纹只有一个；
②用步进电机驱动M2沿相关器的活动臂缓慢移动，使P1和P2由不相关到部分相关、全部相关，然后又由全部相关到部分相关、不相关；与此同时用计录仪记下全部过程，从而得到实验的2∶1曲线；
③为了提高某些数据点的测量精度，整个装置可以置于可抽真空的容器中，改变室内气压，以实现两相关脉冲的微延迟；
④所得2∶1曲线如果有边峰，则量取第一边峰的高度值(见图2)，代入所给公式即可求得脉冲的持续时间，所给公式为：
Figure C0313053100061
⑤所得2∶1曲线如果有主峰，则量取与主峰半高度处对应的延迟时间τ0值(见图3)，代入所给公式即可求得脉冲的持续时间，所给公式为：

Claims (2)

1、一种测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的方法，其特征在于它是由以下步骤所构成：
①采用相关器装置，由分束器、二反射镜、光电二极管和函数记录仪所组成，分束器与入射光成45°角，反射镜一和反射镜二分别置于分束器的两侧且分别与分束器的反射光和透射光垂直，光电二极管位于分束器的光束输出端，函数记录仪连接于光电二极管的电信号输出端；
②待测光脉冲经分束器一分为二，即成二子脉冲，它们由上述反射镜一和反射镜二返回，并分别在分束器处发生透射和反射，然后共线地发生干涉相关，这种干涉相关信号被光电二极管所接收，并送入到函数记录仪；
③分开的两子脉冲合成一束后必须共线，其共线的标准是两子脉冲的空间干涉条纹只有一个；
④上述反射镜二沿着光束的方向缓慢地移动，以改变两相关脉冲的延迟时间τ，绘出光脉冲的一阶干涉相关实验曲线，即光脉冲相关的2∶1曲线；
⑤如果光脉冲相关的2∶1曲线存在边峰，则量取第一边峰的高度，即τ0处的光强I(τ0)，亦即第一边峰的纵坐标，按如下公式计一算脉宽，式中P为载波光的周期，则光脉冲的持续时间Δt为下式：
Figure C031305310002C1
⑥如果光脉冲相关的2∶1曲线没有边峰只有主峰，则量取与主峰半高度处所对应的自变量值τ0，按如下公式计算脉宽，式中ω为载波光的圆频率：
Figure C031305310002C2
2、根据权利要求1所说的一种测量单周期、亚周期光脉冲持续时间的方法，其特征在于所说的步骤①中所说的函数记录仪采用计算机。
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