CN100451582C - 飞秒脉冲简易实时测量仪 - Google Patents

Abstract

一种飞秒脉冲简易实时测量仪，是一种利用超短脉冲光谱位相相干直接电场重建法测量的装置，由半波板、石英晶体、扩束装置、大角度菲涅尔双棱镜、厚非线性晶体、光阑、光谱仪、CCD探测器和计算机构成，本发明具有去除飞秒脉冲光栅展宽装置，实时测量、自准直与光路调节方便、结构紧凑、测量精度高和成本低的优点。

Description

飞秒脉冲简易实时测量仪

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲，特别是一种飞秒脉冲简易实时测量仪。

背景技术

随着超短激光脉冲技术的飞速发展，现在已经能够产生几个飞秒的超短脉冲。飞秒激光脉冲的超短和超强特性使得其在物理学，化学，生物学，医学，以及工业领域有广泛的应用，飞秒激光脉冲是研究超快现象及各种非线性现象的有力工具；同时，对飞秒脉冲的相位和强度准确测量可以促进脉冲发生装置的改进和更加可靠的飞秒脉冲应用。

飞秒激光的脉冲宽度在10^-15秒量级，超过了电学方法测量的响应时间范围，所以一般采用间接测量方法，通过两束光脉冲的干涉测出干涉光二次谐波的光强分布，并由二次谐波的光强分布计算出被测飞秒激光脉冲的脉冲宽度。飞秒激光脉冲测量方法有很多种，目前国际上主要有两种方法：光谱位相相干直接电场重建法(spectral phase interferometry for direct electric-fieldreconstruction，简称SPIDER法)[参见在先技术1“Spectral phase interferometryfor direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23Issue 10 1998]和频率分辨光学开关法(frequency-resolved optical gating，以下简称为FROG方法)[参见在先技术2“Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain usingfrequency-Resolved optical Gating”Rick Trebino，Kenneth W.DeLong等，Review Science Instrument，Vol.68 Issue9 1997]。

图1是现有飞秒脉冲光谱位相相干直接电场重建法的测量装置。飞秒脉冲光谱位相相干直接电场重建法测量装置基本结构是将飞秒脉冲通过半透半反分束镜分为两束，其中一束作为探测光，另一束通过光栅等展宽装置展宽。并将作为探测的光束通过分束镜再次分为两束，调节微动台引入一个时间延迟τ，然后再让两束光与展宽光束同步在非线性晶体上产生频率转换，转换后的二次谐波光束形成干涉图，通过光谱仪和CCD探测器记录干涉图像，把图像数据引入编写好的计算机程序中，程序将输入的频率域强度信号傅立叶反变换到时域，在时域上干涉图分为由脉冲延时τ隔开的三个不同部分。中间直流部分不含有相位信息，因而可以通过四阶以上的高斯滤波函数对含有位相信息的t＝+τ交流部分滤波。对滤出的交流成分再一次傅里叶变换到频域，取幅角就得到位相差，减去该位相差中线性项就得到两光束的位相差，通过位相串接，就可以得到飞秒脉冲的位相。如果时间延迟τ为零，此时干涉图像没有频率剪切，可以直接得到入射飞秒激光脉冲的强度。光谱位相相干直接电场重建法要保证一个脉冲通过复杂的展宽器展宽，因此装置复杂，成本高。同时由图1可以看出反射镜很多，要求时间上的同步，增加了光路调节难度。由于相位匹配带宽要求采用非常薄的二次谐波晶体，加工比较复杂，价格很高。因而普通的SPIDER方法不仅操作复杂，且价格比较昂贵。

发明内容

本发明的目的就是要弥补上述现有的光谱位相相干直接电场重建法的不足，提供一种飞秒脉冲简易实时测量仪，该仪器应具有实时测量、自准直与光路调节方便、结构紧凑、测量精度高和成本低的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒脉冲简易实时测量仪，其构成是沿待测光束的前进方向依次由半波板、石英晶体、分束镜、扩束器、菲涅尔双棱镜、非线性晶体、光阑、光谱仪、CCD探测器和计算机构成，其位置关系是：当一水平偏振的待测超短脉冲光束垂直入射到所述的半波板上，该半波板将超短脉冲光束分为具有水平偏振的e光和垂直偏振的o光，具有不同偏振方向的两偏振光沿所述石英晶体的慢轴通过后将产生色散延迟，经第一反射镜反射后入射到所述的分束镜上，分束为夹角为90°的两束光线：反射光束直接进入所述的扩束器，透射光束经第二反射镜反射后与反射光束平行地进入所述的扩束器，该扩束器的两出射光束光程不同，产生延迟后并与入射的两束平行光平行地出射，该平行出射光束入射到所述的菲涅尔双棱镜上形成两交叉的光束，该两交叉光束在所述的非线性晶体中心位置经倍频转换，产生的具有延迟的两束二次谐波出射光，通过光阑，最后入射到所述的光谱仪上形成干涉图像，由所述的CCD探测器记录，然后送到计算机进行数据处理。

所述的超短激光脉冲为钛宝石振荡器输出的脉冲，其宽度要求大于70飞秒。

所述的扩束器由两块相互垂直的平面反射镜构成。

所述的菲涅尔双棱镜的顶角在179°到179.6°之间，厚度低于3mm，材料为熔融石英。

所述的厚非线性晶体为磷酸二氢钾晶体。

所述的石英晶体对偏振方向不同的光群速预延时。分束镜分开的两束光的时间延迟是由于两束光分光后经过扩束装置后出射的光程不同产生时间上的延迟。光束所述的菲涅尔双棱镜形成两束会聚光，根据选择棱镜顶角不同，两束光线之间夹角为0.2°到0.5°，于非线性晶体上倍频转换，通过光阑由光谱仪和CCD探测器成像。

工作过程如下：

当一束待测的水平偏振的超短脉冲激光入射到半波板上，半波板将光束形成具有水平方向和垂直方向偏振的光线，两束偏振光经石英晶体色散后，形成偏振光分离，e光相对o光产生延迟。经过反射镜入射到分束镜上分开为两束等同的夹角为90°的光，两束光平行进入扩束器扩束后，出射为有相对延时的平行光。再入射到大角度菲涅尔双棱镜上，该大角度菲涅尔双棱镜将光束小角度会聚，两交叉光束在厚非线性晶体上以第二类相位匹配方式倍频转换，转换后的二次谐波之间有频率剪切。通过光阑获得二次谐波光谱的干涉图像，光谱仪和CCD探测器记录采集，再送计算机处理。

本发明是飞秒脉冲简易实时测量仪，采用光谱位相相干直接电场重建法，其工作原理说明如下：

本仪器采用大厚度的非线性倍频晶体。光束经过厚度大的非线性晶体后将使o光和e光产生群速延迟，通过所述的石英晶体的预延迟作用，可以补偿两偏振光的延迟从而o光和e光进行高效倍频转换。具有两个偏振方向的光束，由于相位匹配作用(phase matching function)，所述的厚非线性晶体允许转换的o光可以有10nm以上的匹配带宽，而e光只有不到1nm的匹配带宽，可以认为是单色光。因此所述的扩束器扩展后的两束光，每一束光线中的o光和单色e光以第二类相位匹配方式倍频转换，产生二次谐波。当入射到非线性晶体的两束光有一定的夹角时，光束的相位匹配角略有不同，倍频后的两束二次谐波光在频率上有剪切，即倍频转换后的二次谐波光的中心频率不同。同时，两束二次谐波光也是具有时间延迟的，因而将形成干涉图像。干涉图像经过所述的光谱仪和CCD探测器记录，送入计算机分析计算，从而获得入射光束的强度和相位。

本仪器采用所述的大角度菲涅耳双棱镜，选择不同的双棱镜顶角，可以自动使入射到晶体上的两束光具有0.2°到0.5°交叉角度，倍频转换后的二次谐波频率中心不同形成频率剪切。

本发明的技术效果如下：

1、本发明利用厚非线性晶体对偏振态不同的o光和e光倍频转换的匹配带宽不同，代替了光栅对的光束展宽色散装置，光路简便，元件少，成本低。

2、本发明的核心是采用厚非线性晶体，很容易实现二次谐波的产生。由于采用厚非线性晶体代替了薄晶体，可降低入射脉冲强度的要求，具有测量精度高、成本低的优点。

3、本发明采用大角度菲涅尔双棱镜，自动产生光束入射方向和非线性晶体位相匹配切割角的偏离角度，形成二次谐波的频率剪切，很容易实现脉冲的等光程，容易产生稳定的干涉条纹，其厚度对测量结果的影响小于0.5％。仪器达到自准直效果，并能实时测量，具有测量精度高，结构紧凑，光路调节方便的优点。

附图说明

图1是现有的光谱位相相干直接电场重建法的测量装置结构示意图。

图2是本发明飞秒脉冲简易实时测量仪的实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2是本发明飞秒脉冲简易实时测量仪实施例的结构示意图。由图可见，本发明飞秒脉冲简易实时测量仪的构成是：沿待测光束的前进方向依次包括半波板9、石英晶体10、分束镜1、扩束器13、大角度菲涅尔双棱镜14、厚非线性晶体15、光阑16、光谱仪7、CCD探测器8和计算机17，其位置关系是：当一水平偏振的待测超短脉冲光束垂直入射到所述的半波板9上，该半波板9将超短脉冲光束分为具有水平偏振的e光和垂直偏振的o光，具有不同偏振方向的光束经过所述的慢轴为水平方向的石英晶体10两偏振光将色散延迟，经第一反射镜11反射后入射到所述的分束镜1上，分束为夹角为90°的两束光线：反射光束直接进入所述的扩束器13，透射光束经第二反射镜12反射后与反射光束平行地进入所述的扩束器13，该扩束器13的两出射光束光程不同，产生延迟后并与入射的两束平行光平行出射，该平行出射光束入射到所述的大角度菲涅尔双棱镜14上形成两小角度交叉的光束，该两交叉光束在所述的厚非线性晶体15中心位置经倍频转换，产生的具有延迟的两束二次谐波出射光，通过光阑16，最后入射到所述的光谱仪7上形成干涉图像，由所述的CCD探测器8记录，然后送到计算机17进行数据处理。本实施例中：

所述的超短激光脉冲为钛宝石振荡器输出的脉冲，其宽度要求大于70飞秒。

所述的石英晶体10为14mm长度，晶体慢轴水平放置。

所述的分束镜1和第二反射镜12，使得光经过分束镜分成夹角为90°的两束光，两镜的距离使得两束光具有时间上的延迟效果，调节后选择延时3皮秒。

所述的扩束器13由两块垂直的平面反射镜构成。

所述的大角度菲涅尔双棱镜14的夹角为179°20″，厚度为3mm，材料为熔融石英。

所述的厚非线性晶体15为磷酸二氢钾晶体，即厚度为2cm的KDP(磷酸二氢钾KH₂PO₄，简称KDP)晶体。

考虑钛宝石(Ti:Sapphire)振荡器输出得到的超短脉冲中心波长830nm，时域宽度70飞秒的情况。被测的水平偏振的飞秒脉冲通过半波板9分成水平和垂直方向偏振的偏振光(即e光和o光)，不同偏振方向的光经过慢轴在水平方向的石英晶体10色散，产生的光束在两个偏振方向上的光线群速不同，e光相对o光延时450飞秒。光束通过分束镜1分光，经过扩束器13后出射的平行的两束光的光程不同具有时间延迟，由分束镜1和第二反射镜12的距离确定，调节延时为3皮秒。两束光通过大角度菲涅尔双棱镜14小角度会聚，会聚的两个交叉光束的夹角为20″。每束光包含的o光和e光由于非线性晶体15匹配带宽的不同可以看作o光与单色e光倍频转换，产生一束二次谐波光。转换采用的是第二类相位匹配方式，非线性晶体的相位匹配角切割为68°。由于光束入射到非线性晶体的角度不同，非线性晶体的相位匹配角略有不同，从而使得转换后的两束二次谐波光的频率中心不同形成频率剪切。具有频率剪切和延迟时间的两个二次谐波光束经过光阑16产生干涉图像可以通过光谱仪7和CCD探测器8实时观测调节效果；根据转换后的二次谐波光束的频率剪切和非线性晶体的相位匹配要求，选择的菲涅尔双棱镜的顶角在179°20″，厚度为3mm，选用色散低的熔融石英材料。非线性晶体厚度为2cm的KDP晶体(磷酸二氢钾KH₂PO₄，简称KDP)，其可以满足e光和o光的匹配带宽的要求；同时具有很高的二次谐波转换效率，可以测量较弱的飞秒脉冲光，因此晶体15采用KDP晶体作为频率转换晶体。

本发明采用厚非线性晶体实现了超短激光脉冲光测量，此晶体对不同偏振态的光要求的匹配带宽不同，可以去除光栅展宽器，方便地实现了具有一定带宽的光束与近似单色的光束的倍频转换要求；厚非线性晶体消除了传统的晶体厚度对入射强度要求和二次谐波产生效率的影响，降低了测量脉冲的强度要求。而且由于采用大角度菲涅尔双棱镜不需要多次调节，即可实现入射光束与晶体位相匹配切割角的夹角，使得二次谐波的频率剪切产生容易，可以自准直并实现实时测量，且双棱镜厚度对测量结果影响小于0.5％，因此仪器具有结构简单易调节、精度高、成本低的优点。

Claims (5)

1、一种飞秒脉冲简易实时测量仪，其特征在于沿待测光束的前进方向依次包括半波板(9)、慢轴为水平方向的石英晶体(10)、分束镜(1)、扩束器(13)、顶角在179°～179.6°之间的大角度菲涅尔双棱镜(14)、厚非线性晶体(15)、光阑(16)、光谱仪(7)、CCD探测器(8)和计算机(17)，其位置关系是：当一水平偏振的待测超短脉冲光束垂直入射到所述的半波板(9)上，该半波板(9)将超短脉冲光束分为具有水平偏振的e光和垂直偏振的o光，具有不同偏振方向的光束经过所述的慢轴为水平方向的石英晶体(10)两偏振光将色散延迟，经第一反射镜(11)反射后入射到所述的分束镜(1)上，分束为夹角为90°的两束光线：反射光束直接进入所述的扩束器(13)，透射光束经第二反射镜(12)反射后与反射光束平行地进入所述的扩束器(13)，该扩束器(13)的两出射光束光程不同，产生延迟并与入射的两束平行光平行出射，该平行出射光束入射到所述的大角度菲涅尔双棱镜(14)上形成两小角度交叉的光束，所述的小角度为0.2°～0.5°，该两交叉光束在所述的厚非线性晶体(15)中心位置经倍频转换，产生的具有延迟的两束二次谐波出射光，通过光阑(16)，最后入射到所述的光谱仪(7)上形成干涉图像，由所述的CCD探测器(8)记录，然后送到计算机(17)进行数据处理。

2、根据权利要求1所述的飞秒脉冲简易实时测量仪，其特征在于所述的超短激光脉冲为钛宝石振荡器输出的脉冲，其宽度要求大于70飞秒。

3、根据权利要求1所述的飞秒脉冲简易实时测量仪，其特征在于所述的扩束器(13)由两块相互垂直的反射平面镜构成。

4、根据权利要求1所述的飞秒脉冲简易实时测量仪，其特征在于所述的大角度菲涅尔双棱镜(14)的厚度低于3mm，材料为熔融石英。

5、根据权利要求1所述的飞秒脉冲简易实时测量仪，其特征在于所述的厚非线性晶体(15)为磷酸二氢钾晶体。

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