CN101393054A - 双延迟光路的三阶相关仪 - Google Patents

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Abstract

一种用于飞秒激光系统输出脉冲的对比度测量的双延迟光路的三阶相关仪，其构成如下：沿待测的入射光束方向依次是第一光阑、倍频晶体、分束片，该分束片对基频光高透，对倍频光高反，在该分束片的透射光方向是所述的第一角反射器、第二全反镜和45°抛物面镜，在所述的分束片的反射光方向依次是所述的第二光阑、第一全反镜、第二角反射器、第三全反镜和45°抛物面镜，在所述的45°抛物面镜的反射光束的方向依次是所述的聚焦透镜、和频晶体、第三光阑、三倍频高反镜，在所述的三倍频高反镜的反射光束方向是所述的光定标衰减片组和光电探测器。本发明具有测量精度高、测量范围大和调节周期较短的特点。

Description

双延迟光路的三阶相关仪
技术领域
本发明涉及三阶相关仪，特别是一种用于飞秒激光系统输出脉冲对比度测量的双延迟光路的三阶相关仪，。
背景技术
随着啁啾脉冲激光放大技术(以下简称CPA)的发展，小型化超强超短激光技术日益成熟。将光电探测器和示波器结合起来，直接测量对比度的方法，已经满足不了飞秒激光脉冲对比度的测量。为了满足超强超短激光脉冲技术和测量方法的同步发展，新的测量技术不断得到发展。
在CPA系统中，激光脉冲是一个展宽、放大、压缩的过程，在这个过程中，除了高功率峰值的主脉冲以外，还有一部分没有被压缩的能量，这部分能量分部在主脉冲前后，形成背景噪声(产生背景噪声的原因很多，这里不详细阐述了)。在研究高密度等离子体物理和超快X射线发射过程中，高功率超强超短激光脉冲一直是最重要的作用光源。在实验过程中，激光脉冲形状对激光和物质相互作用过程有直接的影响。特别是在等离子体产生的过程中，很多低强度的前置脉冲，都会在主脉冲到来之前在靶材表面激发等离子体，从而改变激光等离子体相互作用的物理过程。因此，在实验中，对激光脉冲时间形状要求比较严格，对比度要求达到105以上。以往的技术满足不了这么高的测量精度——对于噪声脉冲测量的时间尺度，要求在飞秒量级，电子学的测量方法无法实现；对比度测量要求非常高的强度测量的动态范围，条纹相机和二阶相关技术已无法满足。在这样的前提下，三阶相关测量技术得到了发展。对于一个激光脉冲信号，获得三阶相关函数最简单的方法就是三次谐波方法，它利用激光脉冲的基频光和倍频光的和频过程来实现。
在实验中，已有的三阶相关技术，测量精度低，测量范围短，调节周期长也不能满足激光和物质相互作用过程研究的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于飞秒激光系统输出脉冲的对比度测量的双延迟光路的三阶相关仪，以解决现有三阶相关测量技术的测量精度低、测量范围短和调节周期长的缺点。
本发明的技术解决方案如下：
一种双延迟光路的三阶相关仪，其特点在于由第一光阑、第二光阑、第三光阑、分束片、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、45°抛物面镜、三倍频高反镜、第一角反射器、第二角反射器、光定标衰减片组、倍频晶体、聚焦透镜、和频晶体和光电探测器构成，其位置关系如下：沿待测的入射光束方向依次是第一光阑、倍频晶体、分束片，该分束片对基频光高透，对倍频光高反，在该分束片的透射光方向是所述的第一角反射器、第二全反镜和45°抛物面镜，在所述的分束片的反射光方向依次是所述的第二光阑、第一全反镜、第二角反射器、第三全反镜和45°抛物面镜，在所述的45°抛物面镜的反射光束的方向依次是所述的聚焦透镜、和频晶体、第三光阑、三倍频高反镜，在所述的三倍频高反镜的反射光束方向是所述的光定标衰减片组和光电探测器。
所述的第一全反镜、第二全反镜和第三全反镜为镀银的全反镜，
所述的倍频晶体为三硼酸锂晶体。
所述的和频晶体是偏硼酸钡晶体。
所述的第一角反射器和第二角反射器各置于一个一维平移台上并沿光路方向设置，以便沿光路方向调整所述的第一角反射器或第二角反射器所在光路的光程。
所述的光电探测器是采用光电倍增管、光栅光谱仪、或光电倍增管和光栅光谱仪。
本发明经试用的技术效果如下：
1、采用双延迟光路系统。国内外一般都是单延迟光路。因为在考虑成本的前提下，平移台无法同时满足移动范围大和精度高两方面要求，所以要么测量范围大，精度不够；要么测量精度够，范围小。本发明采用第一角反射器、第二角反射器分别置于基频光光路和倍频光光路中，在没有降低测量精度的基础上，将可测量的时间延迟增大了一倍。目前可以扫描的范围为1200ps，测量精度跟导轨的精度一样为30fs，如果采取电动导轨，还可以进一步增大测量精度。
2、采用两束激光交叉光路单透镜聚焦系统。在以往的实验过程中，我们曾经采用分别对两束激光聚焦的系统，不但大大增加了调节的难度，而且让系统结构复杂化，使用起来非常不方便；而采用两束激光同光路聚焦系统，在调节的时候，三倍频信号光容易给倍频光强烈的荧光掩盖。采用交叉光路加上光阑的档光作用，很好的避免了以上两点。
3、本发明采用45°抛物面镜对基频光和倍频光进行聚焦，其优点有三：
①、可避免比较厚的聚焦透镜对飞秒激光的展宽(会严重影响测量精度，这其实是国内目前三阶相关仪普遍存在的问题，飞秒激光展宽后，三阶信号会变弱很多，而且这个展宽带来的影响，很难被修正)；
②由于抛物面镜自身的特性，我们只需要让两束激光平行入射，会自行聚焦在一起，简便易调；
③、可避免用透镜引起的色散问题，和因为激光频率不同聚焦位置前后有差别，导致两个聚焦光斑很难均匀的重合在一起，不易产生三阶信号的缺点。
4、在测量三阶信号上，我们采用了光电倍增管测量和光栅光谱仪两种测量方式。PMT体积小，测量方便，缺点是容易对环境中无法完全滤掉的基频光感应，影响了测量精度；光栅光谱仪体积大，但优点突出，完全不受周围其他波段的光的干扰，测量精度高。
附图说明
图1是本发明双延迟光路的三阶相关仪的光路结构示意图
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是本发明双延迟光路的三阶相关仪的光路结构示意图，由图可见，本发明双延迟光路的三阶相关仪，由第一光阑S1、第二光阑S2、第三光阑S3、分束片M1、第一全反镜M2、第二全反镜M3、第三全反镜M4、45°抛物面镜M5、三倍频高反镜M6、第一角反射器D1、第二角反射器D2、光定标衰减片组DS、倍频晶体LBO、聚焦透镜F1、和频晶体BBO和光电探测器CCD构成，其位置关系如下：沿入射光束方向依次是第一光阑S1、倍频晶体LBO、分束片M1，该分束片M1对基频光高透，对倍频光高反，在该分束片M1的透射光方向是所述的第一角反射器D1、第二全反镜M3和45°抛物面镜M5，在所述的分束片M1的反射光方向依次是所述的第二光阑S2、第一全反镜M2、第二角反射器D2、第三全反镜M4和45°抛物面镜M5，在所述的45°抛物面镜M5的反射光束的方向依次是所述的聚焦透镜F1、和频晶体BBO、第三光阑S3和三倍频高反镜M6，在所述的三倍频高反镜M6的反射光束方向是所述的光定标衰减片组DS和光电探测器CCD。
在本实施例中，所述的第一全反镜M2、第二全反镜M3和第三全反镜M4为镀银的全反镜，所述的倍频晶体为三硼酸锂晶体。所述的和频晶体是偏硼酸钡晶体。
所述的第一角反射器D1和第二角反射器D2分别置于基频光光路和倍频光光路中，并位于一维平移台上并沿光路方向设置，以便沿光路方向调整所述的第一角反射器D1和第二角反射器D2所在光路的光程。
所述的光电探测器CCD同时采用光电倍增管和光栅光谱仪。
本实施例，待测的激光波长为800nm，所述的分束片M1，对基频光高透，对倍频光高反，厚度为0.5mm，第一全反镜M2、第二全反镜M3、第三全反镜M4为镀银的全反镜，M5为镀金的45°抛物面镜，三倍频高反镜M6为267nm波长的高反镜，第一角反射器D1、第二角反射器D2的下面是一维平移台，行程为100mm，精度为10μm，F1为聚焦透镜，焦距是50mm，D.S.为一组对267nm波长的光定标衰减片，用于增大仪器测量的动态范围，S1、S2、S3为光阑，所用的倍频晶体为三硼酸锂晶体(LBO)厚度0.3mm，。所述的和频晶体是偏硼酸钡晶体(BBO)，厚度为0.5mm。
本实施例的工作过程：
800nm的激光经过倍频晶体LBO，产生倍频光，再经过分束片M1分为基频光和倍频光。透射的基频光经过第一角反射器D1，第二全反镜M3直到达45°抛物面镜M5；反射的倍频光经过第一全反镜M2、第二角反射器D2、第三全反镜M4后到达所述的45°抛物面镜M5。然后基频光和倍频光被所述的45°抛物面镜M5聚焦，以一定角度进入和频晶体BBO，产生三倍频光，基频光和倍频光被第三光阑S3遮挡，所述的三倍频光穿过第三光阑S3被三倍频高反镜M6反射，经过定标衰减片阵列D.S.后，进入光信号采集系统的CCD中被测量。
本实施例经试用表明，本发明双延迟光路的三阶相关仪具有测量精度高、测量范围大和调节周期较短的特点。

Claims (6)

1、一种双延迟光路的三阶相关仪，其特征在于：由第一光阑(S1)、第二光阑(S2)、第三光阑(S3)、分束片(M1)、第一全反镜(M2)、第二全反镜(M3)、第三全反镜(M4)、45°抛物面镜(M5)、三倍频高反镜(M6)、第一角反射器(D1)、第二角反射器(D2)、光定标衰减片组(DS)、倍频晶体(LBO)、聚焦透镜(F1)、和频晶体(BBO)和光电探测器(CCD)构成，其位置关系如下：沿入射光束方向依次是第一光阑(S1)、倍频晶体(LBO)、分束片(M1)，该分束片(M1)对基频光高透，对倍频光高反，在该分束片(M1)的透射光方向是所述的第一角反射器(D1)、第二全反镜(M3)和45°抛物面镜(M5)，在所述的分束片(M1)的反射光方向依次是所述的第二光阑(S2)、第一全反镜(M2)、第二角反射器(D2)、第三全反镜(M4)和45°抛物面镜(M5)，在所述的45°抛物面镜(M5)的反射光束的方向依次是所述的聚焦透镜(F1)、和频晶体(BBO)、第三光阑(S3)和三倍频高反镜(M6)，在所述的三倍频高反镜(M6)的反射光束方向是所述的光定标衰减片组(DS)和光电探测器(CCD)。
2、根据权利要求1所述的双延迟光路的三阶相关仪，其特征在于所述的第一全反镜(M2)、第二全反镜(M3)和第三全反镜(M4)为镀银的全反镜，
3、根据权利要求1所述的双延迟光路的三阶相关仪，其特征在于所述的倍频晶体为三硼酸锂晶体。
4、根据权利要求1所述的双延迟光路的三阶相关仪，其特征在于所述的和频晶体是偏硼酸钡晶体。
5、根据权利要求1所述的双延迟光路的三阶相关仪，其特征在于所述的第一角反射器(D1)和第二角反射器(D2)各置于一个一维平移台上并沿光路方向设置，以便沿光路方向调整所述的第一角反射器(D1)和第二角反射器(D2)所在光路的光程。
6、根据权利要求1至5任一项所述的双延迟光路的三阶相关仪，其特征在于所述的光电探测器(CCD)采用光电倍增管、光栅光谱仪、或光电倍增管和光栅光谱仪。
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