CN101699233A - 单次皮秒激光脉冲宽度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种单次皮秒激光脉冲宽度的测量装置，该装置由分束镜、延迟调节器、第一反射镜、第二反射镜、反射光栅、KDP倍频晶体、滤波片、CCD阵列和示波器组成，其位置关系是：在待测激光脉冲输入方向是所述的分束镜，待测激光脉冲光束经所述的分束镜分为透射光束和反射光束，透射光束经所述的延迟调节器和第一反射镜进入所述的KDP倍频晶体，反射光束经过所述的第二反射镜和反射光栅后也进入KDP倍频晶体，两束光在KDP倍频晶体中产生的非共线相关信号，该相关信号经所述的滤波片进入CCD阵列，最后显示在示波器上。经计算即可得出被测脉冲的宽度。本发明对单次皮秒激光脉冲宽度的测量不仅有效提高了测量的灵敏度，而且扩大了可测脉冲的波长范围。

Description

单次皮秒激光脉冲宽度测量装置

技术领域

本发明涉及高功率超短激光脉冲，是一种单次超短激光脉冲宽度的测量装置，它利用分束镜将待测激光束分成反射光束和透射光束，反射光栅在一束光中引入脉冲波前倾斜(横向时间延迟)并与另一束光在倍频晶体中非共线相互作用产生相关信号，从而实现皮秒激光脉冲宽度的单次测量。

背景技术

近年来，随着新晶体和新激光器的出现，对光参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)的研究取得了很多成果，并且随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的发展，高能量超短激光脉冲的产生有了很大的突破。由于超短脉冲激光的放大多为低重复频率，脉冲之间的重复性差，高能量激光脉冲宽度的准确测量成为一个重要问题。早期的超短激光脉冲大多是由振荡器产生的，激光脉冲的重复频率高，单脉冲能量低，脉冲之间的稳定性也比较好，所以传统的强度相关方法测量得到的相关曲线是建立在大量激光脉冲叠加的基础上。而对于低重复频率的超短激光脉冲来说，由于激光脉冲的重复频率低，单脉冲能量高，脉冲之间的重复性差，所以需要建立能对单次激光脉冲进行实时监测的系统。

早期的双光子荧光法和条纹相机都可以实现皮秒激光脉冲宽度的单次测量，但是，前者带有很强的背景干扰信号，使得主脉冲附近的弱信号很难被探测到，而后者不但价格昂贵、时间延迟和动态范围不易调整，而且时间分辨率有限(几个皮秒)。后来，人们利用非共线二次谐波技术将激光脉冲的时间分布转换为空间分布，用空间探测器(如CCD)对光强分布进行测量，然后换算出激光脉冲的时间特征。这种方法虽然可以实现较高的时间分辨率，但可测的波长范围有限(几十飞秒量级)。Wyatt and Marinero利用一块光栅对掠入射的待测光束进行扩束并引入横向时间延迟，实现了对皮秒到百皮秒范围的激光脉冲宽度的单次测量[参见在先技术“Versatile Single-ShotBackground-Free Pulse Duration Measurement Technique，for Pulses ofSubnanosecond to Picosecond Duration”Appl.Phys.25，297-301(1981)]。

图1是他们的测量装置结构示意图。其基本思路是：首先利用反射光栅1将掠入射的待测光束进行扩束并引入横向时间延迟，然后经反射镜2进入分束镜3，被分成两束，一束中放入道威棱镜4使光束沿着扩展的方向反转，另一束放入石英补偿块5调节相对延迟以保证两束光同步到达倍频晶体(甲酸锂晶体)6，从而产生非共线相关信号(二次谐波信号)，经过狭缝光阑7和滤波片(UG5玻璃)8之后，用探测器(摄像管)9接收该信号，通过换算得出结果。该装置虽然能够实现对皮秒到百皮秒波长范围的激光脉冲宽度的单次测量，但光束在掠入射经过光栅时的损耗是很高的，另外，还需要用道威棱镜反转光束，用石英补偿块补偿光程差，这使得装置更为复杂，无形中增加了光路调节难度。

发明内容

本发明的目的就是要弥补上述现有技术的不足，提供一种单次皮秒激光脉冲宽度测量的装置。该装置对皮秒激光脉冲宽度的测量不仅可有效提高了测量灵敏度，而且扩大了可测脉冲的波长范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种单次皮秒激光脉冲宽度的测量装置，其特点在于该装置由分束镜、延迟调节器、第一反射镜、第二反射镜、反射光栅、KDP倍频晶体、滤波片、CCD阵列和示波器组成，其位置关系是：在待测激光脉冲输入方向是所述的分束镜，待测激光脉冲光束经所述的分束镜分为透射光束和反射光束，透射光束经所述的延迟调节器和第一反射镜进入所述的KDP倍频晶体，反射光束经过所述的第二反射镜和反射光栅后也进入KDP倍频晶体，两束光在KDP倍频晶体中产生的非共线相关信号，该相关信号经所述的滤波片进入CCD阵列，显示在示波器上。

在所述的分束镜之前还有扩束望远镜。

本发明是将待测脉冲经被分束镜分为透射光束和反射光束。透射光束经过延迟调节器和一块反射镜进入KDP晶体，反射光束经过另一块反射镜和一块反射光栅后也进入KDP晶体，两束光在KDP倍频晶体中产生的非共线相关信号经滤波片进入CCD阵列，显示在示波器上，经计算即可得出被测脉冲的宽度。

本发明的技术效果如下：

1、本发明的核心是只需在一束光中引入横向时间延迟，然后与另一束光相互作用，而不需要反转装置(道威棱镜)，即可实现皮秒激光脉冲宽度的单次测量，简化了实验装置。

2、本方法将扩束和引入横向时间延迟分开进行，避免了光束掠入射光栅时导致的过度损耗，有效提高了装置的灵敏度。

3、通过选用高精度的延迟调节器和高分辨率的CCD阵列可以有效提高脉冲宽度测量的时间分辨率。

4、可以通过选取不同的光栅和衍射级次、光束口径等相关参数来实现更大波长范围的脉冲宽度的测量。

附图说明

图1是现有的单次皮秒激光脉冲宽度测量装置结构示意图。

图2是本发明单次皮秒激光脉冲宽度测量装置结构示意图。

图3是所述的光栅引入脉冲波前倾斜的光路示意图。

图4是两激光脉冲在非线性晶体中相互作用的示意图。

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2，图2是本发明单次皮秒激光脉冲宽度测量装置具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明单次皮秒激光脉冲宽度的测量装置，该装置实施例由扩束望远镜10、分束镜3-2、延迟调节器11、第一反射镜2-4、第二反射镜2-5、反射光栅1-2、KDP倍频晶体12、滤波片13、CCD阵列14和示波器(图中未示)组成，其位置关系是：在待测激光脉冲输入方向依次是扩束望远镜10、分束镜3-2，待测激光脉冲光束经所述的分束镜3-2分为透射光束和反射光束，透射光束经所述的延迟调节器11和第一反射镜2-4进入所述的KDP倍频晶体12，反射光束经过所述的第二反射镜2-5和反射光栅1-2后也进入KDP倍频晶体12，两束光在KDP倍频晶体12中产生的非共线相关信号，该相关信号经所述的滤波片13进入CCD阵列14，最后显示在示波器上。

本发明的技术解决方案是基于以下原理：

图3为一衍射光栅引入脉冲波前倾斜(横向时间延迟)的示意图。此时光栅方程为：

d(sini-sinθ)＝mλ                   (1)

其中：d为光栅常数，i为入射角，θ为反射角，m为衍射级次，λ为激光脉冲的平均波长。设D_i为入射光束的口径，光栅引入的总的横向时间延迟可表示为：

${\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{\mathrm{m\λ}{D}_i}{\mathrm{dc}\cos i}---\left(2\right)$

其中：c为真空中的光速。显然，如果我们选择适当的衍射光栅和衍射级次并结合光束口径和入射角的大小，便可以获得更大范围的横向时间延迟。

我们利用图4得出二次谐波信号的强度分布。设两束光的时间强度分布分别为I₁(t)和I₂(t)，由于探测器对二次谐波的响应是一个对时间的积分过程，所以探测器所接收到的光信号为

$S\left(x\right)\∝{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_1(t-\frac{{\mathrm{\τ}}^{\′}}{2}-\frac{\mathrm{\τ}}{2})I_2(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})\mathrm{dt}$ (3)

$={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_1[t^{\′}-(\mathrm{\τ}+\frac{{\mathrm{\τ}}^{\′}}{2})]I_2\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}\∝G_2(\mathrm{\τ}+\frac{{\mathrm{\τ}}^{\′}}{2})$

其中，G₂(τ+τ’/2)是二次谐波自相关函数，晶体中的坐标x₀处的时间延迟为τ+τ’/2。如果用反射镜代替光栅，即不引入脉冲波前倾斜(横向时间延迟)，则相应的有

$S^{\′}\left(x\right)\∝{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_1(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})I_2(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})\mathrm{dt}$ (4)

$={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_1(t^{\′}-\mathrm{\τ})I_2\left(t^{\′}\right){\mathrm{dt}}^{\′}\∝G_2\left(\mathrm{\τ}\right)$

可以得出晶体中的坐标x₀’处对应的时间延迟为

$\mathrm{\τ}=\frac{2n{x}_0^{\′}\sin (\mathrm{\φ}/2)}{c}---\left(5\right)$

其中，n为倍频晶体的折射率，φ为晶体中两光束的夹角，c为真空中的光速。可以估算出τ通常为几十飞秒量级，而τ’一般为几十皮秒量级。因此利用该装置可以实现皮秒脉冲宽度的测量。

在实际测量中，需要确定相关信号宽度与实际脉冲宽度之间的关系，即对相关曲线进行定标。方法如下：利用延迟调节器114将入射到倍频晶体12上的一束光引入时间延迟Δt，则在x方向上的相关信号的峰值位置将移动Δx，可以得到相关信号的空间分布曲线S(x)的半宽度(FWHM)L_x与入射激光脉冲的半宽度(FWHM)t_p之间的关系为

$t_p=\frac{L_x}{K}\·\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δx}}---\left(6\right)$

其中，K是一个与入射光脉冲的时间形状有关的波形因子(对于Sech²型脉冲，K＝1.543，对于高斯型脉冲，K＝1.414)。利用(6)式，由测得的相关信号的半宽度L_x，就可以求出入射激光脉冲的的半宽度t_p。

考虑对Timebandwidth公司生产的Jaguar-QCW激光器输出的激光脉冲(中心波长1047nm频率10Hz口径6mm脉宽～12ps)宽度的测量。测量步骤为：

①用扩束望远镜10对待测光束扩束(光束口径大于～3mm时，通常不用扩束)；

②用分束镜3-2将光束分为透射光束和反射光束，透射光束经延迟调节器11进入KDP晶体12，而反射光束经反射光栅1-2引入横向时间延迟后与透射光束非共线相交于KDP晶体12内；

③调节延迟调节器11使两光束同步，同时微调KDP晶体12使两束光满足非共线相位匹配，产生相关信号(二次谐波信号)；

④用CCD阵列14接收相关信号，然后显示在示波器上，该信号在示波器上的半宽度(FWHM)为L_x＝800us；

⑤对相关信号进行定标。当延迟调节器11引入2×2.17mm(Δt＝14.467ps)的光程延迟变化，对应的示波器上的时间变化量为Δx＝680us。

⑥根据式

(假设待测脉冲为Sech²型脉冲，K＝1.543)，即可求出待测脉冲的半宽度为11.03ps。该值与给定参数(～12ps)非常接近，说明该测量方法确实可行。

Claims (2)

1.一种单次皮秒激光脉冲宽度的测量装置，其特征在于该装置由分束镜(3-2)、延迟调节器(11)、第一反射镜2-4、第二反射镜(2-5)、反射光栅(1-2)、KDP倍频晶体(12)、滤波片(13)、CCD阵列(14)和示波器组成，其位置关系是：在待测激光脉冲输入方向是分束镜(3-2)，待测激光脉冲光束经所述的分束镜(3-2)分为透射光束和反射光束，透射光束经所述的延迟调节器(11)和第一反射镜(2-4)进入所述的KDP倍频晶体(12)，反射光束经过所述的第二反射镜(2-5)和反射光栅(1-2)后也进入KDP倍频晶体(12)，两束光在KDP倍频晶体(12)中产生的非共线相关信号，该相关信号经所述的滤波片(13)进入CCD阵列(14)，显示在示波器上。

2.根据权利要求1所述的单次皮秒激光脉冲宽度的测量装置，其特征在于在所述的分束镜(3-2)之前还有扩束望远镜(10)。

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