CN101871819A - 百皮秒脉冲宽度测量仪 - Google Patents

Abstract

一种百皮秒脉冲宽度测量仪，构成包括分光镜、第一导光反射镜、第二导光反射镜、非线性倍频晶体、光学成像系统、CCD探测器和数据采集处理系统，各元件的位置关系如下：入射的待测的皮秒激光脉冲，通过所述的分光镜，将待测脉冲分为透射光和反射光，该透射光经过第一导光反射镜和反射光经过第二导光反射镜同时入射到所述的非线性倍频晶体产生二倍频信号，该信号经过所述的光学成像系统成像在CCD探测器上，并由所述的数据采集处理系统完成采集和数据处理。本发明测量仪的最大可测脉冲的时间范围为150ps，分辨率为0.2ps。

Description

百皮秒脉冲宽度测量仪

技术领域

本发明涉及激光参数测量，特别是一种百皮秒脉冲宽度测量仪。

背景技术

目前能够测量百皮秒左右超短脉冲的测量仪器只有条纹相机，而红外条纹相机属于国际禁运项目，国内无法购买。

在超短脉冲的时间测量领域，大于150ps的脉冲能够通过快响应光电管和高带宽的数字示波器进行测量，小于20ps的脉冲能够通过商品化单次脉冲自相关仪进行测量。20ps～150ps的可见光波段的激光脉冲宽度能够通过可见光条纹相机进行测量。而此范围的红外波段的激光脉冲宽度，科研工作中没有合适的测量仪器。

R.A.Ganeev在1995年提出了自相关方法实现0.2～50ps的超短脉冲时间波形测量的方案(Optics Communications，Vol.114，1995，432～434)。他使用了一块20×20mm²的非线性倍频晶体，自相关过程中的两个光束夹角为22°。M.Raghuramaiah在2001年完善了自相关方法测量超短脉冲时间波形的理论分析方法(SADHANA-ACADEMY PROCEEDINGS IN ENGINEERING SCIENCES，Vol.26，2001，603～611)。他使用的CCD为512×256像素，每个像素大小为11.8um×8.3um。非线性倍频晶体大小也为20×20mm²。

发明内容

本发明所要解决的问题在于解决红外波段(比如1053nm波长)的皮秒脉冲激光的脉冲宽度测量，提供一种百皮秒脉冲宽度测量仪，该测量仪最大可测脉冲的时间范围为150ps，分辨率为0.2ps。

本发明的技术解决方案如下：

一种百皮秒脉冲宽度测量仪，特点在于其构成包括分光镜、第一导光反射镜、第二导光反射镜、非线性倍频晶体、光学成像系统、CCD探测器和数据采集处理系统，各元件的位置关系如下：

入射的待测的皮秒激光脉冲，通过所述的分光镜，将待测脉冲分为透射光和反射光，该透射光经过第一导光反射镜和反射光经过第二导光反射镜同时入射到所述的非线性倍频晶体产生二倍频信号，该信号经过所述的光学成像系统成像在CCD探测器上，并由所述的数据采集处理系统完成采集和数据处理。

本发明的技术效果是：

将自相关技术与光学成像技术结合起来，使其工作在同一套测量仪器中，从而实现150ps时间范围的测量，时间分辨率为0.2ps。

本发明百皮秒脉冲宽度测量仪器的特点是能够通过光学成像系统将大口径自相关信号成像到已有的CCD探测器之上。本发明采用光学成像法，解决了大口径的自相关信号与有限尺寸CCD之间的矛盾。测量装置中采用了一个成像系统，将大口径的自相关信号的空间分布，成像到有限尺寸的CCD接收面上，从而实现～150ps范围的脉冲宽度测量。

在相关方法实现超短脉冲测量方案中，时间测量范围与光束口径成正比，因此必须采用大口径光束。本发明中150ps的时间测量范围对应的光束宽度为120mm。所以测量光路中用到的二倍频晶体的宽度应为150mm，倍频晶体之后得到的相关信号的宽度为123mm，目前还没有合适的光电探测器能够接收该信号。

传统的单次超短脉冲宽度测量，采用CCD作为光电探测器，比如条纹相机、单次脉冲自相关仪。现有的科学级CCD的规格，一种为512×512像素数，像素尺寸为24um，总的尺寸为12.288mm×12.288mm；另一种为2048×2048像素数，像素尺寸为7.2um，总的尺寸为14.7456mm×14.7456mm。

我们使自相关信号通过放大率为1/10倍的光学成像系统之后，相关信号的宽度变为12.3mm。此时可以使用科学级CCD进行接收和处理。当采用2048×2048像素数的CCD时，每个像素对应的时间为150ps/(12.3mm/7.4um)＝0.09ps。根据奈奎斯特采样定律，对应的分辨率为0.2ps。

附图说明

图1是本发明百皮秒脉冲宽度测量仪的结构简图；

图2是自相关信号产生过程分析图。

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是本发明百皮秒脉冲宽度测量仪的结构简图，由图可见，本发明百皮秒脉冲宽度测量仪，其构成包括分光镜1、第一导光反射镜2、第二导光反射镜3、非线性倍频晶体4、光学成像系统5、CCD探测器6和数据采集处理系统7，各元件的位置关系如下：

入射的待测的皮秒激光脉冲，通过所述的分光镜1，将待测脉冲分为透射光和反射光，该透射光经过第一导光反射镜2和反射光经过第二导光反射镜3同时入射到所述的非线性倍频晶体4产生二倍频信号，该信号经过所述的光学成像系统5成像到CCD探测器6上，并由所述的数据采集处理系统7完成采集和数据处理。

所述的二倍频信号，即自相关信号经过一个放大率为M的光学成像系统5，光斑宽度变化了M倍，然后进入所述的CCD探测器6。CCD探测器6将采集到的图像数据输入到数据采集处理系统7中，通过分析和计算，最后得到被测脉冲的宽度。

所述的自相关信号的产生过程，请参阅图2。从第一导光反射镜2过来的光束，基于分波面原理可以分割成多个细光束，包括第一导光反射镜2上边缘11、中心位置12和下边缘13三个细光束。它们到达非线性倍频晶体4的时间有先后之差。同样，从第二导光反射镜3过来的光束，基于分波面原理，也可以分割成多个细光束，包括第二导光反射镜3的上边缘8、中心位置9和下边缘10三个细光束。它们到达非线性倍频晶体4的时间也有先后之差。

对于一个超短脉冲的时域信号I(t)，其自相关过程的数学描述为

A₂(τ)＝∫I(t)I(t-τ)dt

其中，τ为时间延迟。

在本发明中，当第一导光反射镜2中心位置12与第二导光反射镜3的中心位置9到达非线性倍频晶体4的时间相同时，第一导光反射镜2的上边缘11将落后于第二导光反射镜3上边缘(8)，第一导光反射镜2的下边缘(13)将比第二导光反射镜3的下边缘提前到达非线性倍频晶体4。

在非线性倍频晶体4表面，第一导光反射镜2的上边缘(11)相对于第一导光反射镜2的中心位置12的距离为：

Δ_11，12＝D_beam/2cosΦ

其中，D_beam为光束宽度。

第一导光反射镜2的上边缘11相对于第一导光反射镜2的中心位置12到达非线性倍频晶体4的时间延迟量为：

δ_11，12＝Δ_11，12sinΦ/c＝D_beamtanΦ/2c

同理，第二导光反射镜3的上边缘8相对于第二导光反射镜3的中心位置9到达非线性倍频晶体4的时间提前量为：

δ_8，9＝D_beamtanΦ/2c

第一导光反射镜2的上边缘11与第二导光反射镜3的上边缘8之间的时间延迟为：

δ_11，8＝-D_beamtanΦ/c

同理，第一导光反射镜2的下边缘13与第二导光反射镜3的下边缘10之间的时间延迟为：

δ_13，10＝+D_beamtanΦ/c

因此，在本发明实施例中，自相关过程的时间延迟τ的取值范围为：

(-D_beamtanΦ/c，+D_beamtanΦ/c)。

考虑到自相关信号的半高全宽(FWHM)为被测脉冲的半高全宽(FWHM)的

倍，因此，本发明可测量的时间范围为

为了测量时间范围为τ的激光脉冲，对应的被测脉冲的光束宽度为：

$D_{\mathrm{beam}}=\frac{\mathrm{\τc}}{\sqrt{2}\tan \mathrm{\Φ}},$

其中，c为光速，2Φ为透射光和反射光之间的夹角，本发明中Φ＝15°。当τ＝150ps时，对应的被测脉冲宽度为D_beam＝120mm。进一步，在非线性倍频晶体4之后产生的自相关信号14，其空间上的宽度D_A为D_beam/cosΦ＝123mm。自相关信号的空间宽度D_A与时间范围τ之间的关系为：

$D_A=\frac{\mathrm{\τc}}{\sqrt{2}\sin \mathrm{\Φ}}$

经过M＝1/10的光学成像系统5之后，可以得到非线性倍频晶体4上产生的自相关信号的像15。该自相关信号的像15的空间宽度D′_A＝12.3mm，但仍然等效于150ps的时间延迟范围。自相关信号的像15中，空间宽度D′_A与时间范围τ之间的关系为：

${D^{\′}}_A=\frac{\mathrm{M\τc}}{\sqrt{2}\sin \mathrm{\Φ}}$

此时，我们采用的CCD探测器6像元素为2048×2048，像素尺寸为7.2um，总尺寸为14.7456mm×14.7456mm。空间宽度D′_A＜14.7456mm。

因此该CCD探测器6能够完全接收到该自相关信号的像。此时对应的时间分辨率为0.2ps。

Claims (1)

1.一种百皮秒脉冲宽度测量仪，特征在于其构成包括分光镜(1)、第一导光反射镜(2)、第二导光反射镜(3)、非线性倍频晶体(4)、光学成像系统(5)、CCD探测器(6)和数据采集处理系统(7)，各元件的位置关系如下：

入射的待测的皮秒激光脉冲，通过所述的分光镜(1)，将待测脉冲分为透射光和反射光，该透射光经过第一导光反射镜(2)和反射光经过第二导光反射镜(3)同时入射到所述的非线性倍频晶体(4)产生二倍频信号，该信号经过所述的光学成像系统(5)成像到CCD探测器(6)上，并由所述的数据采集处理系统(7)完成采集和数据处理。

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