CN103364090B - 测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的装置，包括超短脉冲激光光源、两块分束器、六块反射镜、待测透明介质、精密光学延迟平台系统、两个精密探测器和计算机。本发明测量方法利用分束器将激光光源输出的超短脉冲激光分成两路光，并利用分束器将泵浦光、探测光两路光重新合成后得到合成输出光，通过精密光学延迟平台系统和精密探测器的结合使用，可以精确快捷地测量出短脉冲激光在待测透明介质中传播的相速度。本发明的测量方法简单，装置配置合理，由于外界因素对测量曲线与背景曲线的影响一致，在对比分析中通过简单运算方法就可以消除外界影响，使本发明具有较高的测量精度，并可适用于更广泛的工作环境。

Description

测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的装置及方法

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光性能参数测量技术，更具体地说，涉及一种测量超短脉冲激光在透明介质中传播相速度的装置及其测量方法。

背景技术

自1960年Maiman研制出世界上第一台红宝石激光器以来，由于这种新型光源在单色性、方向性、相干性和功率密度等方面具有普通光源无法比拟的优点，各种新型激光器不断被开发出来，并被广泛运用于生活中的各个领域，从此激光便与人类的日常生活息息相关。激光技术的主要发展方向之一是脉冲宽度越来越窄，到了20世纪80年代中期，超短脉冲激光技术的飞速发展使激光脉冲宽度由皮秒量级进入到飞秒量级。由于超短脉冲激光具有持续时间短、峰值功率高、光谱范围宽等特点，可以为人类在超高时间分辨和空间分辨下探索微观世界提供强有力的帮助，故超短脉冲激光自出现以来就得到了广泛的应用。从而对超短脉冲激光相关参数的准确测量具有非常重要的意义，尤其是，对于在介质中传播的超短脉冲激光来说，相速度是其光波的重要特征之一，它一方面可以反映光场信息在介质材料干扰下所发生的变化，另一方面可以表征介质的光学性质，因此对其的精确测量在超快光学和晶体光学等领域都显得尤为重要。然而，现有技术往往通过测量介质的折射率来间接计算得到相速度，不能直接测量出超短脉冲激光的传播相速度，使得测量过程复杂、测量结果不精确等，这些技术问题有待于解决。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用超短脉冲激光时间分辨延迟干涉技术，可适用于多种工作环境的精确测量超短脉冲激光在透明介质中传播相速度的装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的装置，包括超短脉冲激光光源，该装置构成还包括两块分束器、六块反射镜、待测透明介质、精密光学延迟平台系统、两个精密探测器和计算机。光路连接关系为：由激光光源产生的超短脉冲激光束，经第一分束器分为两路相互垂直的光束，其中，一路作为泵浦光束依次经过第一反射镜、待测透明介质、第二反射镜，入射到第二分束器，另一路作为探测光束依次经过第三反射镜、精密光学延迟平台系统、第六反射镜、入射到第二分束器。两路入射光经第二分束器输出合成光分为两路相互垂直的光束分别入射到第一精密探测器和第二精密探测器。两个精密探测器将探测到的信息数据输入计算机中，进行后期处理，以获得相速度。精密光学延迟平台系统、第一精密探测器和第二精密探测器均通过信号线与计算机相连。

所述第一反射镜、待测透明介质和第二反射镜位于同一竖直位置上；所述第三反射镜和第六反射镜位于同一竖直位置上。

所述精密光学延迟平台系统包括精密光学延迟平台组件、第四反射镜和第五反射镜。第四反射镜和第五反射镜固定在精密光学延迟平台组件上，并位于同一竖直位置上。第三反射镜和第四反射镜位于同一水平位置上，第五反射镜和第六反射镜位于同一水平位置上。精密光学延迟平台系统与计算机相连是指精密光学延迟平台组件与计算机相连。

所述精密光学延迟平台组件由电动平移台和压电陶瓷件构成，压电陶瓷件叠放固定在电动平移台上，二者的扫描方向一致，以使精密光学延迟平台组件既可以进行大范围的快速扫描，又可以进行小范围的精细扫描，扫描方向选择水平方向。

测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的方法，采用分束器将超短脉冲激光分为探测光束和泵浦光束，探测光束经过精密光学延迟平台系统，泵浦光束经过待测透明介质，之后两路光重新合成，输出到精密探测器中；测量中，首先用电动平移台进行大范围粗略单步扫描，确定干涉场形成的范围L，之后用压电陶瓷件在此L范围进行精细单步扫描，生成“干涉场信息—延迟长度”之间的关系曲线，经对比分析得到拟合曲线的顶点、曲线半高宽对应的超短激光的脉冲宽度，利用计算机计算得出测量的超短脉冲激光在透明介质中的传播相速度，其间，精密探测器用来记录扫描信息。

与现有技术相比，本发明利用超短脉冲激光时间分辨延迟干涉技术，采用分束器将超短脉冲激光分为探测光和泵浦光，探测光经过精密光学延迟平台系统，泵浦光经过待测透明介质，之后两路光重新合成，输出到精密探测器中，利用泵浦-探测技术实现对不同时间延迟下合成输出干涉场信息的测量，获得“干涉场-延迟时间”之间的关系曲线，与未放置待测透明介质时的背景曲线进行对比分析，可以精确、快捷地测量出超短脉冲激光在透明介质中的传播相速度。本发明的测量方法简单，装置配置合理，由于外界因素对测量曲线与背景曲线的影响一致，在对比分析中通过简单运算方法就可以消除外界影响，使本发明具有较高的测量精度，并可适用于更广泛的工作环境。

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，该实施例仅用于解释本发明。并不对本发明的保护范围构成限制。

附图说明

图1是本发明测量超短脉冲激光在透明介质中传播相速度的装置结构及光路示意图；

图2是图1中的精密光学延迟平台系统结构的立体示意图；

图3是本发明超短脉冲激光在透明介质中传播相速度的测量过程流程图。

图中的附图标记：

1-超短脉冲激光光源；2a-第一分束器；2b-第二分束器；

3a-第一反射镜；3b-第二反射镜；3c-第三反射镜；3d-第四反射镜；

3e-第五反射镜；3f-第六反射镜；4-精密光学延迟平台系统；

4a-电动平移台；4b-压电陶瓷件；5-待测透明介质；

6a-第一精密探测器；6b-第二精密探测器；7-计算机。

具体实施方式

参见图1，根据本发明，测量超短脉冲激光在透明介质中传播相速度的装置由一个超短脉冲激光光源1、两块分束器、六块反射镜、一个精密光学延迟平台系统4、两个精密探测器、一台计算机7和一块待测透明介质5连接构成。所述超短脉冲激光光源1采用可产生脉宽在飞秒至皮秒量级脉冲激光的激光器，例如可选用钛宝石飞秒激光器，其飞秒脉冲激光光源输出波长为800nm，脉宽为35fs，重复频率为80MHz的激光脉冲。所述分束器是用来将一路超短脉冲激光分成两路光和用来将两路超短脉冲激光合成一路光的器件，可采用分束棱镜或分束镜等，例如选用50:50的飞秒激光分束镜。所述反射镜用于超短脉冲激光的反射，可采用前表面镀银反射镜。所述精密光学延迟平台系统4的作用是改变两路光之间的光程差，该系统由精密光学延迟平台组件和固定于其上的第四反射镜3d及第五反射镜3e组成，如图2所示。组件中的压电陶瓷件4b叠放固定在电动平移台4a上，电动平移台4a可选用分辨率为4um的平移台，压电陶瓷件4b可选用分辨率为1nm的器件。所述精密探测器用于探测合成输出光的干涉光场信息，可选用光斑分析仪，以便能够详细有力地表现出进入其中的光场信息。所述计算机7，用于处理精密探测器探测到的信息数据，可选用通用商业PC机。所述待测透明介质5可采用任何具有高透光率的介质，例如晶体、非晶体、液体等，可选用厚度为1mm的Nd:YAG晶体。

本发明测量装置的光路连接关系：由激光光源1产生的超短脉冲激光束，经第一分束器2a分为两路相互垂直的光束，一路作为泵浦光束依次经过第一反射镜3a、待测透明介质5、第二反射镜3b，入射到第二分束器2b，另一路作为探测光束依次经过第三反射镜3c、固定在精密光学延迟平台系统4上的第四反射镜3d及第五反射镜3e、和第六反射镜3f，入射到第二分束器2b。两路入射光经第二分束器2b输出合成光分为两路相互垂直的光束，该两路合成光分别入射到第一精密探测器6a和第二精密探测器6b。所述精密光学延迟平台组件、第一精密探测器6a和第二精密探测器6b均通过信号线与计算机7相连，以对其信息数据进行处理。

第一反射镜3a、待测透明介质5和第二反射镜3b位于同一竖直位置上；第三反射镜3c和第六反射镜3f位于同一竖直位置上；第四反射镜3d和第五反射镜3e位于同一竖直位置上；第三反射镜3c和第四反射镜3d位于同一水平位置上；第五反射镜3e和第六反射镜3f位于同一水平位置上；电动平移台4a和压电陶瓷件4b的扫描方向一致，都是水平方向，可使精密光学延迟平台组件既可以进行大范围的快速扫描，又可以进行小范围的精细扫描，通过控制精密光学延迟平台系统4在水平方向运动，改变延长线长度，从而改变探测光路的光程，即改变探测光与泵浦光之间的时间延迟，使得探测光与泵浦光光程相等。

根据本发明，测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的方法，采用分束器2a将超短脉冲激光分为探测光束和泵浦光束，探测光束经过精密光学延迟平台系统4，泵浦光束经过待测透明介质5，之后两路光重新合成，又分别输出到精密探测器6a和6b中。测量中，首先用电动平移台4a进行大范围粗略单步扫描，确定干涉场形成的范围L；之后用压电陶瓷件4b在此L范围进行精细单步扫描，生成“干涉场信息—延迟长度”之间的关系曲线；经对比分析得到拟合曲线的顶点、曲线半高宽对应的超短激光的脉冲宽度；利用计算机7计算得出测量的超短脉冲激光在透明介质中的传播相速度。其间，精密探测器6a和6b用来记录扫描信息并做平均处理。

图3是本发明超短脉冲激光在透明介质中传播相速度的测量过程流程图。测量具体步骤如下：

1）初始态1：激光光源1产生超短脉冲激光束，装置中未放入待测透明介质5；

2）开始：启动精密光学延迟平台组件，使之进行水平方向的扫描，进行背景测量；

3）大范围粗略单步扫描：利用电动平移台4a进行背景测量的大范围粗略单步扫描1；

4）判断是否完成大范围粗略单步扫描1：如果未完成，则重复进行步骤3），如果完成，精密探测器6a和6b记录数据信息做平均处理并存入计算机7，确定干涉场出现范围L₁；

5）精细单步扫描：利用压电陶瓷件4b进行背景测量的L₁范围精细单步扫描；

6）判断是否完成L₁范围精细单步扫描：如果未完成，则重复进行步骤5），如果完成，精密探测器6a和6b记录数据信息做平均处理并存入计算机7，生成“干涉场信息—延迟长度”之间关系的曲线，作为背景曲线；

7）初始态2：激光光源1产生超短脉冲激光束，在泵浦光路中放入待测透明介质5；

8）按照步骤2）至步骤6）进行样品测量：利用电动平移台4a进行样品测量的大范围粗略单步扫描2；判断是否完成大范围粗略单步扫描2，确定干涉场出现范围L₂；利用压电陶瓷件4b进行样品测量的L₂范围精细单步扫描；判断是否完成L₂，生成“干涉场信息—延迟长度”之间关系的曲线，作为测量曲线；

9）对比分析、计算：对比分析由步骤6）和步骤8）所生成的“干涉场信息—延迟长度”之间关系的背景曲线和测量曲线，该曲线符合高斯拟合，得到背景曲线顶点（x₁,y₁）和背景曲线半高宽对应的原始激光脉宽，也得到测量曲线顶点（x₂,y₂）和测量曲线半高宽对应的输出激光脉宽；利用计算机7处理并计算，得到超短脉冲激光在待测透明介质5中传播的相速度，计算公式如下：

v_p=cd/[d+2(x₂-x₁)]

式中：v_p为相速度，c为真空中的光速，d为待测透明介质5的厚度，x₂为测量曲线顶点的水平坐标，x₁为背景曲线顶点的水平坐标；

10）结束。

本发明测量方法利用分束器2a将激光光源1输出的超短脉冲激光分成两路光，并利用分束器2b将泵浦光、探测光两路光重新合成后得到合成输出光，通过精密光学延迟平台系统4和精密探测器的结合使用，可以精确快捷地测量出短脉冲激光在待测透明介质5中传播的相速度v_p。而且，通过进一步计算还可以得到待测透明介质5的折射率n=c/v_p及超短脉冲激光的脉宽等信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的装置，包括超短脉冲激光光源，其特征在于，该装置构成还包括两块分束器、六块反射镜、待测透明介质、精密光学延迟平台系统、两个精密探测器和计算机；光路连接关系为：由激光光源(1)产生的超短脉冲激光束，经第一分束器(2a)分为两路相互垂直的光束，其中，一路作为泵浦光束依次经过第一反射镜(3a)、待测透明介质(5)、第二反射镜(3b)，入射到第二分束器(2b)，另一路作为探测光束依次经过第三反射镜(3c)、精密光学延迟平台系统(4)、第六反射镜(3f)、入射到第二分束器(2b)；两路入射光经第二分束器(2b)输出合成光分为两路相互垂直的光束分别入射到第一精密探测器(6a)和第二精密探测器(6b)，两个精密探测器(6a、6b)将探测到的信息数据输入计算机(7)中，进行后期处理，以获得相速度；精密光学延迟平台系统、第一精密探测器(6a)和第二精密探测器(6b)均通过信号线与计算机(7)相连；

所述精密光学延迟平台系统(4)包括精密光学延迟平台组件，所述精密光学延迟平台组件由电动平移台(4a)和压电陶瓷件(4b)构成，所述压电陶瓷件(4b)叠放固定在所述电动平移台(4a)上，二者的扫描方向一致，以使精密光学延迟平台组件既可以进行大范围的快速扫描，又可以进行小范围的精细扫描，扫描方向选择水平方向。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在光路中，所述第一反射镜(3a)、待测透明介质(5)和第二反射镜(3b)位于同一竖直位置上；所述第三反射镜(3c)和第六反射镜(3f)位于同一竖直位置上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述精密光学延迟平台系统(4)还包括第四反射镜(3d)和第五反射镜(3e)；第四反射镜(3d)和第五反射镜(3e)固定在精密光学延迟平台组件上，并位于同一竖直位置上；第三反射镜(3c)和第四反射镜(3d)位于同一水平位置上；第五反射镜(3e)和第六反射镜(3f)位于同一水平位置上；所述精密光学延迟平台系统与计算机(7)相连是指精密光学延迟平台组件与计算机(7)相连。

4.测量超短脉冲激光在介质中传播相速度的方法，其特征在于，采用分束器将超短脉冲激光分为探测光束和泵浦光束，探测光束经过精密光学延迟平台系统，泵浦光束经过待测透明介质，之后两路光重新合成，输出到精密探测器中；测量中，首先用电动平移台进行大范围粗略单步扫描，确定干涉场形成的范围L，之后用压电陶瓷件在此L范围进行精细单步扫描，生成“干涉场信息—延迟长度”之间的关系曲线，经对比分析得到拟合曲线的顶点、曲线半高宽对应的超短激光的脉冲宽度，利用计算机计算得出测量的超短脉冲激光在透明介质中的传播相速度，其间，精密探测器用来记录扫描信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，测量具体步骤如下：

1)初始态1：激光光源产生超短脉冲激光束，装置中未放入待测透明介质；

2)开始：启动精密光学延迟平台组件，使之进行水平方向的扫描，进行背景测量；

3)大范围粗略单步扫描：利用电动平移台进行背景测量的大范围粗略单步扫描1；

4)判断是否完成大范围粗略单步扫描1：如果未完成，则重复进行步骤3)，如果完成，精密探测器记录信息并存入计算机，确定干涉场出现范围L₁；

5)精细单步扫描：利用压电陶瓷件进行背景测量的L₁范围精细单步扫描；

6)判断是否完成L₁范围精细单步扫描：如果未完成，则重复进行步骤5)，如果完成，精密探测器记录信息并存入计算机，生成“干涉场信息—延迟长度”之间关系的曲线作为背景曲线；

7)初始态2：激光光源产生超短脉冲激光束，在泵浦光路中放入待测透明介质；

8)按照步骤2)至步骤6)进行样品测量：利用电动平移台进行样品测量的大范围粗略单步扫描2；判断是否完成大范围粗略单步扫描2，确定干涉场出现范围L₂；利用压电陶瓷件进行样品测量的L₂范围精细单步扫描；判断是否完成L₂，生成“干涉场信息—延迟长度”之间关系的曲线作为测量曲线；

9)对比分析、计算：对比分析所述生成的“干涉场信息—延迟长度”之间关系的背景曲线与测量曲线，得到背景曲线顶点(x₁,y₁)和背景曲线半高宽对应的原始激光脉宽，也得到测量曲线顶点(x₂,y₂)和测量曲线半高宽对应的输出激光脉宽；利用计算机处理并计算，得到超短脉冲激光在待测透明介质中传播的相速度，计算公式如下：

v_p＝cd/[d+2(x₂-x₁)]

式中：v_p为相速度，c为真空中的光速，d为待测透明介质的厚度，x₂为测量曲线顶点的水平坐标，x₁为背景曲线顶点的水平坐标；

10)结束。