CN101034012A

CN101034012A - 三阶相关测量仪

Info

Publication number: CN101034012A
Application number: CN 200710037506
Authority: CN
Inventors: 张春梅; 刘军; 李闯; 李儒新; 梁晓燕
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2007-09-12

Abstract

一种用于强激光脉冲三次谐波测量的三阶相关测量仪，其结构包括：在仪器的底板上，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一小孔光阑、第二小孔光阑、倍频晶体和分束片，入射光束G经该分束片后分成两束光：透射光束G[t]和反射光束G[f]，透射光束G[t]经过时间延迟的第一直角反射镜、第二反射镜、半波片、第三反射镜到达短焦透镜，所述的反射光束G[f]经过第四反射镜、第二直角反射镜达到所述的短焦透镜，并与所述的透射光束G[t]同时会聚于谐波晶体上，沿着该谐波晶体产生的三次谐波光束G[s]前进的方向上，在底板上依次固定有滤波片、定标衰减片和探测元件。本发明具有操作简单，易于调节，测量准确，测量范围广的优点。

Description

三阶相关测量仪

技术领域

本发明涉及脉冲测量，特别是一种应用测量激光脉冲的对比度的三阶相关测量仪，它是利用晶体位置的可调性，改变晶体与焦点的相对位置，从而调整晶体内和频效率，具有操作简单，易于调节，应用范围广的优点。

背景技术

近年来，飞秒啁啾脉冲放大系统已将激光脉冲的能量放大到了焦耳的量级，聚焦强度可达到10²¹W/cm²，这么高的激光强度可被广泛应用于固体和气体靶中等离子体的形成过程及高次谐波发射的研究。在实验研究中，这些物理过程的效果对于激光脉冲的时间强度分布是很敏感的，特别在等离子体的产生过程中，任何低强度的噪声脉冲的存在都会严重破坏等离子体的形成，因此，在实际应用过程中准确测量激光脉冲的对比度是一个很重要的问题。

G.ALBRECHT等人在文章“Nd³⁺:YAG主被动锁模脉冲的时间形状分析”(“Temporalshape analysis of Nd³⁺:YAG active passive mode-locked pulses”)(OpticsCommunication，Vol.40，No.1，1981，p59-62)中，提出一种结构是将一激光束经过倍频晶体倍频后，进行分束和光学延迟，然后经过一聚焦透镜22会聚于一三次谐波晶体13中，如图2所示，利用所产生的三次谐波信号的强度，来推测出激光脉冲对比度的大小。在这种结构中，最困难的就是三次谐波信号的调整。

王益民等人在文章“用高动态范围的相关器研究强激光脉冲的噪声分布”(光学学报，Vol.19，No.2，1999，p261-264)中，提出另外一种结构，如图3所示，运用焦距长短不同的两个聚焦透镜11，12将入射于三次谐波晶体13的光束分别进行聚焦。这种调整过程，实际是将二个光束聚焦分别开来，易于满足三次谐波产生条件，但是由于两束光分别调整，调整工作量很大。

在三阶相关仪测量中，最困难的就是三次谐波信号的调整，因为若要产生三次谐波信号，入射于三次谐波晶体13中的两束光必需满足三个条件：

1.在晶体中两束光在空间上重合；

2.两束光的夹角满足产生三次谐波的相位匹配条件，且足够小；

3.在晶体中两束光在时间延迟上重合。通常情况下，入射光经过透镜后，在二次谐波晶体中的光斑很小，当入射光为飞秒脉冲激光时，等光程对光延迟的要求在微米量级，若要同时满足这三个条件，需要花大量的时间进行调整。

另外，已有的三阶相关仪的结构测量时的测量范围都受到了待测激光单脉冲能量的限制，对于单脉冲能量较低的系统，由于三阶信号太弱，造成测量的范围小，对于高对比度的激光脉冲，仪器无法反映其真实的对比度。而且，三次谐波晶体均安放在焦点处，在高能量单脉冲情况下，很容易损坏。

发明内容

本发明的目的是针对上述已有技术在光路调整中的困难以及测量范围受单脉冲能量大小限制的缺点，提供一种用于准确测量强激光脉冲三次谐波对比度的三阶相关测量仪，以简化装置的调整过程，保证测量范围，有效避免晶体损坏，达到方便三阶相关测量仪的应用和推广。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于强激光脉冲三次谐波测量的三阶相关测量仪，特征在于其结构包括：在仪器的底板上，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一小孔光阑、第二小孔光阑、倍频晶体和分束片，入射光束G经该分束片后分成两束光：透射光束G[t]和反射光束G[f]，透射光束G[t]经过时间延迟的第一直角反射镜、第二反射镜、半波片、第三反射镜到达短焦透镜，所述的反射光束G[f]经过第四反射镜、第二直角反射镜达到所述的短焦透镜，并与所述的透射光束G[t]同时会聚于谐波晶体上，沿着该谐波晶体产生的三次谐波光束G[s]前进的方向上，在底板上依次固定有滤波片、定标衰减片和探测元件。

所述的倍频晶体是BBO晶体，或LBO晶体，或KDP晶体，晶体均按照匹配角切割。

所述的谐波晶体是BBO晶体，或LBO晶体，或KDP晶体，晶体均按照匹配角切割。

所述的分束片是在一基片上镀有对基频光束的透过率大于98％，而对倍频光束的反射率大于98％膜层的膜板。

所述的滤波片是在一基片上镀有滤去倍频光束膜层的膜板。

所述的第二反射镜、第三反射镜和第一直角反射镜的反射表面上镀有对基频光束具有反射率大于98％的膜层。

所述的第四反射镜和第二直角反射镜的反射表面上镀有对倍频光束具有反射率大于98％的膜层。

所述的谐波晶体固定在一个可以沿G[f]前进的方向调整的一维平移台上。所述的第五反射镜的反射表面上镀有对三次谐波光束具有反射率大于98％的膜层。

与先技术相比，本发明具有以下显著特点：

1、本发明三阶相关测量仪最大的优点是调整简单，使用方便。与在先技术相比，本发明，将和频光束中的一束光先固定，只调整一束光，大大简化了调整的过程。

2、本发明的和频晶体位置可以沿着倍频光束传播方向进行调整，从而对晶体内的脉冲能量进行调整，有效的防止了晶体的损坏。

3、本发明的和频晶体位置可以沿着倍频光束传播方向进行调整，从而对晶体内的和频效率进行调整，有效的解决了激光单脉冲能量大小对三阶相关仪测量范围的限制的缺点。

本发明的晶体可调整焦前作用结构，因为有规律可循，对调整的精确度要求也不高，所以调整起来非常方便，通常在半个小时之内即可调好光路，进行测试；能够保证测量的范围宽，分辨率大于10⁹，并且有效的防止了晶体的损坏。

附图说明

图1为本发明三阶相关测量仪一个实施例的结构示意图。

图2为已有技术的单透镜聚焦光路示意图。

图3为已有技术的的双透镜聚焦光路示意图。

图4为本发明三阶相关测量仪的聚焦光路示意图

图5为本发明实施例中测得的强激光脉冲的时间和强度分布曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明三阶相关测量仪一个实施例的结构示意图。由图可见，本实施例三阶相关测量仪结构包括：在仪器的底板上，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一反射镜1、第一小孔光阑2、第二小孔光阑3、倍频晶体4和分束片5，入射光束G经过该分束片5后分成两束光：透射光束G[t]和反射光束G[f]，该透射光束G[t]经过时间延迟的第一直角反射镜6、第二反射镜7、半波片8、第三反射镜9到达短焦透镜12，所述的反射光束G[f]经过第四反射镜10、第二直角反射镜11达到所述的短焦透镜12，并与所述的透射光束G[t]同时会聚于谐波晶体13上，沿着该谐波晶体13产生的三次谐波光束G[s]前进的方向上，在底板上依次固定有滤波片14、第五反射镜15、定标衰减片16和探测元件17。

所述的倍频晶体4是BBO晶体，晶体均按照匹配角切割。

所述的谐波晶体13是BBO晶体，晶体均按照匹配角切割。

所述的分束片5是在一基片上镀有对基频光束的透过率大于98％，而对倍频光束的反射率大于98％膜层的膜板。

所述的滤波片14是在一基片上镀有滤去倍频光束膜层的膜板。

所述的第一反射镜1、第二反射镜7、第三反射镜9和第一直角反射镜6的反射表面上镀有对基频光束具有反射率大于98％的膜层。

所述的第四反射镜10和第二直角反射镜11的反射表面上镀有对倍频光束具有反射率大于98％的膜层。

所述的第五反射镜15的反射表面上镀有对三次谐波光束具有反射率大于98％的膜层。

所述的谐波晶体13固定在一个可以沿G[f]前进的方向调整的一维平移台上。

本发明三阶相关测量仪的实质是：运用了一个聚焦透镜12对入射于谐波晶体13上的基频光束和倍频光束进行聚焦。如图4所示：所选用的是短焦透镜12，两束光的相对位置满足以下条件，倍频光束通过透镜中心正入射透镜，当基频光束通过透镜近中心处入射于谐波晶体13中时，两光束的夹角满足晶体的相位匹配的要求，且夹角足够小，可以保证在谐波晶体13中两束光有足够的相交体积。

开始调整时，将倍频光束在短焦透镜12前表面反射回的光斑调回第一小孔光阑2中，保证倍频光束通过短焦透镜12的中心正入射，然后根据测量激光单脉冲能量适当调整谐波晶体13与倍频光束焦点的相对位置。对于单脉冲能量高的，将谐波晶体13摆在焦前的适当位置，以免在焦点处打坏晶体；对于单脉冲能量低的，将谐波晶体13摆在更接近于焦点的位置，以保证测量范围。首先，倍频光束在谐波晶体13上产生一个光斑，基频光束的光斑稍微偏离谐波晶体13，再通过调整第三反射镜9，将基频光束的光斑移到倍频光束的光斑位置处，由于倍频光束产生的光斑较大，很容易保证两束光在谐波晶体13中完全重合，最后调整光路的延迟机构：第一直角反射镜6和第一直角反射镜11以达到等光程，这一点通常情况下是容易实现的。所述的探测元件17是光电倍增管。

在如图1所示的实施例中：入射光束G的波长λ₀＝800nm，第一小孔光阑2，第二小孔光阑3用以对入射光束G进行准直；其中第一反射镜1，第二反射镜7，第三反射镜9为镀有银膜的反射镜，第四反射镜10的反射(反射率大于98％)表面镀有对二次谐波的波长λ₂＝400nm的高反射率的膜层，第五反射镜15(反射率大于98％)的反射表面镀有对三次谐波的波长λ₃＝267nm的高反射率的膜层。倍频晶体4取BBO晶体，厚度为0.3mm；分束片5是镀有对基频光束的透过率大于98％，而对倍频光束的反射率大于98％膜层的膜板的石英平板，透反膜板厚度为0.8mm；第一直角反射镜6的反射面镀有银膜，第二直角反射镜11的反射面镀有对二次谐波的波长λ₂＝400nm的高反射率的膜层，透镜12的焦距f＝100mm，用以产生三次谐波光束的谐波晶体13采用BBO晶体，厚度为0.5mm；探测元件17采用只对紫外波段有响应的光电倍增管(PMT)，滤光片14为石英平板基片上镀有能够滤去倍频光束的膜层。

所测量的激光脉冲来自一kHz飞秒台式钛宝石激光放大装置，该激光装置输出能量为5mJ，脉冲宽度为40飞秒的超短强激光脉冲。图5为利用本发明对该脉冲前沿的测量结果，其中横坐标为倍频光束相对于基频光束的时间延迟，通过调整直角反射镜11得到；纵坐标为归一化的光信号强度I/Im.的相对值，I是探测元件17接收到的三次谐波信号的强度，Im为最大光信号强度。从图5中可以看出，本发明的测量仪测量激光脉冲对比度的分辨率大于10⁹。

Claims

1、一种用于强激光脉冲三次谐波测量的三阶相关测量仪，特征在于其结构包括：在仪器的底板上，沿着入射光束G前进的方向上，依次固定有第一小孔光阑(2)、第二小孔光阑(3)、倍频晶体(4)和分束片(5)，入射光束G经过该分束片(5)后分成两束光：透射光束G[t]和反射光束G[f]，透射光束G[t]经过时间延迟的第一直角反射镜(6)、第二反射镜(7)、半波片(8)、第三反射镜(9)到达短焦透镜(12)，所述的反射光束G[f]经过第四反射镜(10)、第二直角反射镜(11)达到所述的短焦透镜(12)，并与所述的透射光束G[t]同时会聚于谐波晶体(13)上，沿着该谐波晶体(13)产生的三次谐波光束G[s]前进的方向上，在底板上依次固定有滤波片(14)、定标衰减片(16)和探测元件(17)。

2、根据权利要求1所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的倍频晶体(4)是BBO晶体，或LBO晶体，或KDP晶体，晶体均按照匹配角切割。

3、根据权利要求1所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的谐波晶体(13)是BBO晶体，或LBO晶体，或KDP晶体，晶体均按照匹配角切割。

4、根据权利要求1所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的分束片(5)是在一基片上镀有对基频光束的透过率大于98％，而对倍频光束的反射率大于98％膜层的膜板。

5、根据权利要求1所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的滤波片(14)是在一基片上镀有滤去倍频光束膜层的膜板。

6、根据权利要求1所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的第二反射镜(7)、第三反射镜(9)和第一直角反射镜(6)的反射表面上镀有对基频光束具有反射率大于98％的膜层。

7、根据权利要求1所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的第四反射镜(10)和第二直角反射镜(11)在反射表面上镀有对倍频光束具有反射率大于98％的膜层。

8、根据权利要求1至7任一项所述的三阶相关测量仪，其特征在于所述的谐波晶体(13)固定在一个可以沿G[f]前进的方向调整的一维平移台上。