CN101900608A - 多功能大量程超短脉冲激光自相关仪 - Google Patents

Abstract

一种多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，包括：一精密移动平台；一第一直角反射镜固定在精密移动平台上，其包括两个反射镜；一斩波器位于第一直角反射镜中的一个反射镜的前端，该该斩波器与第一直角反射镜中的一个反射镜之间形成第一光路，在第一光路上放置一第一分束镜；一第二直角反射镜包括两个反射镜，该第二直角反射镜位于第一光路的一侧，在第一分束镜与第二直角反射镜中的一个反射镜之间形成第二光路；一抛物面镜位于第一光路的另一侧，该抛物面镜与第二直角反射镜中的另一个反射镜之间形成第三光路，在第三光路上有一第二分束镜，该第二分束镜与该第一直角反射镜中的另一个反射镜之间形成第四光路；一双光子探测器位于抛物面镜的一侧；一信号采集系统与双光子探测器电性连接。

Description

多功能大量程超短脉冲激光自相关仪

技术领域

本发明涉及激光参数测量技术领域，特别是一种多功能大量程超短脉冲激光自相关仪。

背景技术

超短脉冲激光是指持续时间在皮秒量级或飞秒量级的激光脉冲，它的最主要特点是持续时间极短，因此超短脉冲时域宽度的测量是超短脉冲激光参数测量中最重要的问题。目前较常用的超短脉冲参数测量方法有自相关法、频率分辨光学开关法和光谱相位相干直接电场重建法等。在各种测量方法中，自相关法是最简单、最直接和最常用的测量方法，可以实现飞秒量级超短脉冲和皮秒量级超短脉冲脉冲宽度的测量。

自相关法包括强度自相关法和条纹分辨自相关法。强度自相关法是通过平移迈克尔逊干涉仪的一臂使分束的一路激光扫描另一路激光来实现的，强度相关法的优点是测量范围大，可实现飞秒脉冲和皮秒脉冲相关宽度的测量，但是当脉冲宽度较小时，测量误差较大，强度相关法也不能反映脉冲的相位信息。条纹分辨自相关法通过振动迈克尔逊干涉仪的一臂，在示波器上测量出分束的两脉冲条纹分辨的自相关干涉图，提供更准确的脉冲时域参数测量结果，从条纹分辨的干涉图中也能反映出脉冲的啁啾信息。其中，振动的部件一般选用压电位移器或喇叭来实现。压电位移器振动的线性好，但价格较贵；喇叭价格便宜，但振动的线性不好。无论采用哪种振动的结构，振动的幅度都较小，最多只有几百微米，因此条纹分辨自相关测量脉冲的宽度也受到了限制，不能测量脉宽较大的超短脉冲。

基于自相关原理设计的超短脉冲参数测量仪器称为自相关仪，相应的，基于强度自相关法和条纹分辨自相关法的自相关仪分别称为强度自相关仪和条纹分辨自相关仪。目前市场上和实验室中搭建的相关仪只具有强度相关和条纹分辨相关其中的一种功能，不能将两种测量方法的优点结合在一起以避免实际应用的缺陷，也不能同时具有测量范围大和测量结果准确可靠两个优点。虽然魏志义等设计了一种“双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪”的实用新型专利(ZL：02202596.0)，但仍然采用线性移动迈克尔逊干涉仪的一臂实现强度自相关，振动迈克尔逊干涉仪的另一臂实现条纹分辨自相关，该实用新型专利只是将两种结构组合在一个系统中，并未实现二者的有机结合，也未突破条纹分辨自相关受到振动器件振动幅度的限制。

因此，发明一种新型的自相关仪，将强度自相关和条纹分辨自相关两种相关测量方法有机的结合在一起，实现强度自相关和条纹分辨自相关的同时测量，使两种测量原理都能实现测量范围从亚十飞秒至数百皮秒，两种测量结果可相互验证，且具有测量量程大，测量结果准确可信的特点，对于提高超短脉冲参数测量仪器的通用性和准确度具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，在不增加光学部件的前提下，只通过迈克尔逊干涉仪的一臂实现强度自相关和条纹分辨自相关的同时测量，解决了条纹分辨自相关受到振动器件振幅的限制而造成的测量范围缩小的问题。

本发明提供一种一种多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，用于测量超短脉冲激光时域参数，能够同时实现超短脉冲条纹分辨自相关测量和强度自相关测量两种功能，包括：

一精密移动平台，用于精密光学延迟扫描；

一第一直角反射镜，该第一直角反射镜固定在精密移动平台上，该第一直角反射镜包括两个反射镜，实现光束原方向返回；

一斩波器，该斩波器位于第一直角反射镜中的一个反射镜的前端，该该斩波器与第一直角反射镜中的一个反射镜之间形成第一光路，在第一光路上放置一第一分束镜，用于将第一光路分出一束光；

一第二直角反射镜，该第二直角反射镜包括两个反射镜，该第二直角反射镜位于第一光路的一侧，在第一分束镜与第二直角反射镜中的一个反射镜之间形成第二光路；

一抛物面镜，该抛物面镜位于第一光路的另一侧，该抛物面镜与第二直角反射镜中的另一个反射镜之间形成第三光路，在第三光路上有一第二分束镜，该第二分束镜与该第一直角反射镜中的另一个反射镜之间形成第四光路；

一双光子探测器，该双光子探测器位于抛物面镜的一侧，用于接收抛物面镜聚焦的光信号；

一信号采集系统，该信号采集系统与双光子探测器电性连接，用于采集该双光子探测器产生的电信号响应。

该方法具有以下优点：

(1)在不增加光学部件的前提下，通过调整精密移动平台的移动速度和锁相放大器的时间常数，能够实现超短脉冲条纹分辨自相关测量和强度自相关测量两种测量功能。

(2)突破了传统的条纹分辨自相关法采用振动部件造成的测量范围的限制，首次采用移动部件实现了条纹分辨自相关测量，将条纹分辨自相关测量范围扩展到亚十飞秒至数百皮秒。

(3)对被测脉冲的强度自相关和条纹分辨自相关两种测量结果可相互验证，提高了脉冲测量的准确度和可靠性。

(4)仪器具有高通用性，具有测量脉冲宽度范围大、光谱范围宽、测量灵敏度高、时间分辨率高等特点。

附图说明

为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：

图1为本发明多功能大量程超短脉冲激光自相关仪的光路结构图。

图2为多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量亚20fs超短脉冲的测量结果，其中图2(a)为条纹分辨自相关结果，图2(b)为强度自相关结果。

图3为多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量亚20fs超短脉冲通过色散介质展宽的脉冲的测量结果，其中图3(a)为条纹分辨自相关结果，图3(b)为强度自相关结果。

图4为多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量亚皮秒超短脉冲的测量结果，其中图4(a)为条纹分辨自相关结果，图4(b)为强度自相关结果。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，用于测量超短脉冲激光时域参数，能够实现超短脉冲条纹分辨自相关测量和强度自相关测量两种功能，本发明的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪结构包括：

一精密移动平台10，用于承载光学反射镜，产生精密的光学延迟，对分束的脉冲相关扫描；

一第一直角反射镜20，该第一直角反射镜20由两片互相垂直的平面反射镜组成，用于将光束原方向返回，且空间有一定距离，避免超短脉冲激光返回到激光器谐振腔内，破坏激光锁模的运转；将第一直角反射镜20固定在精密移动平台10上，用于产生精密的光学延迟，精密扫描超短脉冲；

一斩波器30，该斩波器30位于第一直角反射镜20中的一个反射镜的前端，该该斩波器30与第一直角反射镜20中的一个反射镜之间形成第一光路21，在第一光路21的中间放置一第一分束镜40，将第一光路21分出第二光路22，第一光路21的超短光脉冲与第二光路22的超短光脉冲相互扫描，产生相关和频信号；斩波器30放置于第一光路21或第二光路22或第三光路23或第四光路24上的任何一个位置，只要对相关和频信号产生周期的调制即能在数据采集部分测得准确的相关信号值。

一第二直角反射镜50，与第一反射镜20相同，第二直角反射镜50也是由两片互相垂直的平面反射镜组成，该第二直角反射镜50位于第一光路21的一侧，在第一分束镜40与第二直角反射镜50中的一个反射镜之间形成第二光路22；

一抛物面镜60，该抛物面镜60位于第一光路21的另一侧，该抛物面镜60与第二直角反射镜50中的另一个反射镜之间形成第三光路23，在第三光路23上有一第二分束镜70，该第二分束镜70与该第一直角反射镜20中的另一个反射镜之间形成第四光路24，超短光脉冲沿第四光路24传播，在第二分束镜70上与第三光路23在同一点相遇，该第一光路21和第三光路23中的第一分束镜40和第二分束镜70与光路为45度夹角，经第二分束镜70反射后的反射光与第三光路23经第二分束镜70透射的光路部分在空间上处处重合，抛物面镜60为凹面镜或透镜，实现光束聚焦，增强超短光脉冲的非线性，由双光子探测器接收探测；

一双光子探测器80，该双光子探测器80位于抛物面镜60的一侧，位于抛物面镜60的焦点处；该双光子探测器80为和频晶体加低通滤光片加探测器，实现二次谐波信号产生和探测；

一信号采集系统90，该信号采集系统90包括一锁相放大器和与之连接的计算机，该信号采集系统90与双光子探测器80电性连接，由锁相放大器准确测量双光子探测器80产生的电响应信号，并将双光子探测器80产生的电响应信号输入计算机存储和显示。

光路调试过程如下：在入射超短脉冲的第一光路21上放置第一分束镜40，第一分束镜40与光路21的夹角为45度，分出第二光路22，第二光路22的方向于第一光路21的方向相互垂直，将第一直角反射镜20固定在精密移动平台10上，并放于第一光路21的另一端，将第一光路光21原方向返回，形成第四光路24；将第二直角反射镜50放于第二光路22的另一端，将第二光路光22原方向返回，形成第三光路23；在第三光路23与第四光路24的交点处放置第二分束镜70，第二分束镜70与第三光路23和第四光路24的夹角呈45度，使第四光路24的光经第二分束镜70反射后的光路与第三光路23经第二分束镜70透射的光路部分在空间上处处重合。调整精密移动平台10的位置，使第一光路21从第一分束镜40至第一直角反射镜20再到第二分束镜70的光程与第二光路22和从第二直角反射镜50到第二分束镜70的光程一致，这时可以在第三光路23在第二分束镜70后的部分光路中用挡屏观察到明显的干涉光斑。在第三光路23的另一端抛物面镜60，使光束90度聚焦，将双光子探测器80放在焦点处，探测聚焦后的双光子响应信号，将信号接入锁相放大器和计算机。并在在第一光路21的入射端加入斩波器30。调整精密移动平台10的移动速度和锁相放大器的时间常数，当精密移动平台10的扫描速度大于被测超短脉冲中心波长除以2倍锁相放大器时间常数时，测量结果为强度自相关；当精密移动平台10的扫描速度小于被测超短脉冲中心波长除以2倍锁相放大器时间常数时，测量结果为条纹分辨自相关。

图2为多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量钛宝石固体超短脉冲激光器输出的压20fs超短脉冲的测量结果，其中图2(a)为条纹分辨自相关结果，图2(b)为强度自相关结果。从图2可以看出，多功能大量程超短脉冲激光自相关仪可以测量脉冲宽度很窄的超短脉冲，测量可以得到条纹分辨自相关和强度自相关两种测量结果，且两种结果可以相互验证，能够精确的吻合，证明了多功能大量程超短脉冲激光自相关仪的测量结果具有较高的可信度。

图3为多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量亚20fs超短脉冲通过色散介质展宽的脉冲的测量结果，其中色散介质为SF10玻璃，具有较大的色散。图3(a)为条纹分辨自相关结果，图3(b)为强度自相关结果。从图3可以看出，多功能大量程超短脉冲激光自相关仪对于被测超短脉冲，即使脉冲具有强烈的啁啾，也可以得到条纹分辨自相关和强度自相关两种测量结果。图3(a)中条纹相关的两翼高高抬起，反映了脉冲具有强烈的二次啁啾，而传统的条纹分辨自相关仪因为振动幅度受限，不能测量如此宽的超短脉冲。从图3可以看出，多功能大量程超短脉冲激光自相关仪既可以得到准确的脉冲宽度，也能直观的得到脉冲的啁啾信息。

图4为多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量光子晶体光纤超短脉冲激光器输出的亚皮秒超短脉冲的测量结果，光子晶体光纤超短脉冲激光器的中心波长在1060nm附近，其中图4(a)为条纹分辨自相关结果，图4(b)为强度自相关结果。可以看出，多功能大量程超短脉冲激光自相关仪测量啁啾量小的亚皮秒超短脉冲，也能得到较好的条纹分辨自相关和强度自相关。

多功能大量程超短脉冲激光自相关仪具有测量范围广的优点，可以测量飞秒至皮秒的超短脉冲。精密移动平台10的移动位移的分辨率为8.5nm，测量超短脉冲时域相关宽度的分辨率可达0.06fs。精密移动平台10的行程为50mm，分束光路在精密移动平台10的上载有的直角反射镜20上反射一次时，可实现脉冲时域宽度测量上限至110ps的超短脉冲相关宽度的测量；分束光路在精密移动平台10的上载有的直角反射镜20上反射两次时，可实现脉冲时域宽度测量上限至220ps的超短脉冲相关宽度的测量；分束光路在精密移动平台10的上载有的直角反射镜20上反射四次时，可实现脉冲时域宽度测量上限至440ps的超短脉冲相关宽度的测量。

多功能大量程超短脉冲激光自相关仪还具有测量光谱范围宽的优点，图2和图3的测量结果对应的超短脉冲的光谱范围为700nm-900nm，图3的测量结果对应的超短脉冲的中心波长在1060nm附近，测量中选用的双光子探测器80为GaAsP光电二极管，测量范围可达600nm-1340nm，如果测量中心波长在1550nm的超短脉冲，只需选择硅光电二极管，可将测量的光谱范围扩展到2000nm以上。也可以采用和频晶体加低通滤波器加光探测器代替双光子二极管的方式。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，用于测量超短脉冲激光时域参数，能够同时实现超短脉冲条纹分辨自相关测量和强度自相关测量两种功能，包括：

一精密移动平台，用于精密光学延迟扫描；

一第一直角反射镜，该第一直角反射镜固定在精密移动平台上，该第一直角反射镜包括两个反射镜，实现光束原方向返回；

一斩波器，该斩波器位于第一直角反射镜中的一个反射镜的前端，该该斩波器与第一直角反射镜中的一个反射镜之间形成第一光路，在第一光路上放置一第一分束镜，用于将第一光路分出一束光；

一第二直角反射镜，该第二直角反射镜包括两个反射镜，该第二直角反射镜位于第一光路的一侧，在第一分束镜与第二直角反射镜中的一个反射镜之间形成第二光路；

一抛物面镜，该抛物面镜位于第一光路的另一侧，该抛物面镜与第二直角反射镜中的另一个反射镜之间形成第三光路，在第三光路上有一第二分束镜，该第二分束镜与该第一直角反射镜中的另一个反射镜之间形成第四光路；

一双光子探测器，该双光子探测器位于抛物面镜的一侧，用于接收抛物面镜聚焦的光信号；

一信号采集系统，该信号采集系统与双光子探测器电性连接，用于采集该双光子探测器产生的电信号响应。

2.根据权利要求1所述的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，其中第一光路和第三光路中的第一分束镜和第二分束镜与光路为45度夹角放置。

3.根据权利要求1所述的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，其中双光子探测器位于抛物面镜的焦点处。

4.根据权利要求1所述的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，其中信号采集系统包括一锁相放大器和与之连接的计算机。

5.根据权利要求1或4所述的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，其中抛物面镜为凹面镜或透镜，实现光束聚焦。

6.根据权利要求1所述的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，其中双光子探测器为和频晶体加低通滤光片加探测器，实现二次谐波信号产生和探测。

7.根据权利要求1所述的多功能大量程超短脉冲激光自相关仪，其中斩波器放置于第一光路或第二光路或第三光路或第四光路上的任何一个位置。

Images