CN103389163A - 空间分辨二维单次自相关仪 - Google Patents

Abstract

一种空间分辨二维单次自相关仪，包括依次的第一圆孔光阑和第二圆孔光阑、平行平晶标准具、菲涅耳双棱镜、倍频晶体、滤光片、狭缝和CCD探测器，该CCD探测器的输出端与计算机的输入端相连，所述的第一圆孔光阑、第二圆孔光阑、菲涅耳双棱镜、倍频晶体、滤光片、狭缝和CCD探测器同光轴，所述的第一圆孔光阑和第二圆孔光阑具有相同的直径，所述的平行平晶标准具位于且仅充满自第二圆孔光阑输出光束的第4象限，所述的菲涅尔双棱镜的底面为光束入射面，棱线方向沿铅直的x方向。本发明可单发次测量超短脉冲的时间宽度和传播时间差异，弥补了传统单次自相关仪无法测量传播时间差异的不足。

Description

空间分辨二维单次自相关仪

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光束测量，特别是一种空间分辨二维单次自相关仪，该仪器能够同时测量亚皮秒超短脉冲激光光束传播时间差异（propagation timedifference,以下简称为PTD）和脉冲时间宽度。

背景技术

20世纪60年代锁模激光器的发展对脉冲时间宽度的测量提出了新的要求，这是因为锁模激光器输出的脉冲时间宽度远远小于任何光电探测器的响应时间。为此，提出了自相关技术，用于自参考测量超短脉冲的时间宽度。由于锁模激光器输出的超短脉冲能量比较低，在实际应用中需要对脉冲进行放大，在放大过程中脉冲的重复频率降低。为了测量重复频率比较低的超短脉冲的时间宽度、并且实时监测脉冲时间宽度的变化，提出了单次自相关技术。

在先技术中单次自相关仪的结构如图1所示：主要包括：超短脉冲激光束P₀首先通过分束镜1分为反射光束P_r和透射光束P_t，其中反射光束P_r经过固定反射镜2至倍频晶体5，透射光束(P_t)经过固定在平移台上的回射镜3和反射镜4至倍频晶体5，由倍频晶体5输出的激光束再经过柱面镜6和滤光片7进入探测器8。分析由探测器8测得的二次谐波空间分布，计算超短脉冲激光束的时间宽度（参见在先技术[1]F.Salin,P.Georges,G.Roger,and A.Brun,“Single-shot measurement of a52-fspulse,”Applied Optics Vol.26,Issue.21,4528～4531(1987)）。

在超短脉冲的产生、放大和传输过程中，要使用复杂的光学系统对超短脉冲激光束进行控制，将不可避免的引入时空耦合效应。由透镜系统色差产生的PTD是一种典型的时空耦合效应（参见[2]Z.Bor,“Single-shot measurement of a52-fs pulse,”Journal of Modern Optics Vol.35,Issue.12,1907～1918(1988)）。具有PTD的超短脉冲激光束具有两种脉冲时间宽度，即局部脉宽和整体脉宽。在忽略高阶色散的情况下，在光束横截面内不同位置处局部脉宽保持不变。整体脉宽同时包括局部脉宽和PTD的贡献，然而，在先技术测量超短脉冲激光束脉宽时，对PTD不敏感，难以分辨超短脉冲激光束中是否存在PTD及其大小，测得的脉宽接近于局部脉宽。

发明内容

本发明的目的是弥补上述在先技术无法测量PTD的不足，提供一种空间分辨二维单次自相关仪，该仪器能够同时测量超短脉冲激光束的PTD和局部脉宽。

本发明的技术解决方案如下：

一种空间分辨二维单次自相关仪，特征在于其构成包括：沿被测超短脉冲激光束方向依次的第一圆孔光阑和第二圆孔光阑、平行平晶标准具、菲涅耳双棱镜、倍频晶体、滤光片、狭缝和CCD探测器，该CCD探测器的输出端与计算机的输入端相连，其位置关系是：所述的第一圆孔光阑、第二圆孔光阑、菲涅耳双棱镜、倍频晶体、滤光片、狭缝和CCD探测器同光轴，所述的第一圆孔光阑和第二圆孔光阑具有相同的直径，所述的平行平晶标准具位于且仅充满自第二圆孔光阑输出光束的第4象限，所述的菲涅尔双棱镜的底面为光束入射面，棱线方向沿铅直的x方向。

所述的平行平晶标准具在测量脉冲时间宽度时在线使用，使光束横截面的四分之一产生相对于其余部分固定的时间延迟。

所述的菲涅耳双棱镜将待测超短脉冲进行波阵面分割，其顶角的选取与被测超短脉冲光束脉宽相关，提供相应的量程。

本发明空间分辨二维单次自相关仪的工作过程如下：

当一束竖直偏振的待测超短脉冲激光束先后经过第一圆孔光阑和第二圆孔光阑输出的光束正入射所述的平行平晶标准具和菲涅耳双棱镜，经过所述的平行平晶标准具的第4象限光束将产生相对于其余的第1象限光束、第2象限光束和第3象限光束一个固定的时间延迟，经菲涅耳双棱镜形成在水平面内以固定角度交叉的两束光，该两束交叉光束在倍频晶体内部经倍频转换，产生二次谐波出射光，该二次谐波出射光经滤光片和狭缝，再入射到所述的CCD探测器上，该CCD探测器上记录的二次谐波图像输入所述的计算机，所述的计算机记录的二次谐波图像包括时间同步的两部分脉冲光束的二次谐波图像及具有相对时间延迟的两部分脉冲光束的二次谐波图像，二者在竖直方向上排列，在水平方向上图像峰值具有相对偏移。所述的计算机从所得到的二维强度分布图像中心附近提取出沿水平方向分布的一维曲线，根据一维强度分布曲线峰值在水平方向的偏移计算PTD；之后，首先假设一个脉宽，通过所述的计算机计算该脉宽和上述测得的PTD共同作用时产生的二次谐波图像，与所测得的二次谐波图像半高全宽进行对比，迭代计算出与测量结果最符合的二次谐波图像，所对应的脉宽即为局部脉宽。

本发明是空间分辨二维单次自相关仪，其工作原理说明如下：

当一束竖直偏振的待测超短脉冲激光束先后经过第一圆孔光阑和第二圆孔光阑输出的光束正入射所述的平行平晶标准具和菲涅耳双棱镜，经过所述的平行平晶标准具的第4象限光束将产生相对于其余的第1象限光束、第2象限光束和第3象限光束一个固定的时间延迟，经菲涅耳双棱镜形成在水平面内以固定角度交叉的两束光，该两束交叉光束在倍频晶体内部经倍频转换，产生二次谐波出射光，该二次谐波出射光经滤光片和狭缝，再入射到所述的CCD探测器上，该CCD探测器上记录的二次谐波图像输入所述的计算机，所述的计算机记录的二次谐波图像包括时间同步的两部分脉冲光束的二次谐波图像及具有相对时间延迟的两部分脉冲光束的二次谐波图像，二者在竖直方向上排列，在水平方向上图像峰值具有相对偏移。如图3所示，所述的CCD探测器上接收到的光强沿空间位置坐标x和y的分布W(x,y)的计算公式为：

$W(x,y)=\frac{1}{8\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{g}^2(x,y,\mathrm{\μ})\mathrm{d\μ},$

其中，g(x,y,μ)为两束超短脉冲光束在晶体内部产生的二次谐波信号的电场强度的包络函数，表达式为：

$g(x,y,\mathrm{\μ})={\∫}_{-l/2}^{l/2}{2\mathrm{\πd}}_{\mathrm{zxx}}k\cos \mathrm{\α}{g}_1{g}_2\mathrm{dz},$

其中，x，y和z分别为竖直方向、水平方向以及两束超短脉冲光束在晶体内部传播方向所成的夹角的角平分线方向的坐标变量，μ为与时间变量t有关的变量，表达式为：

μ＝t-kzcosα/ω,

l为二次谐波晶体长度，d_zxx为晶体中二次谐波产生的非线性光学系数，k为波数，ω为圆频率，α为两束超短脉冲光束在晶体内部传播方向所成的夹角的半角，g₁和g₂为两束超短脉冲光束在晶体内部的电场强度的包络函数，表达式为：

$g_1\text{=exp}(\frac{-2\ln 2}{{\mathrm{\τ}}^2}\×{\{t-[z_1-\frac{{\mathrm{ct}}_d{x}_1^2}{{\mathrm{nr}}_x^2}-\frac{{\mathrm{ct}}_d{(y_1-r_y/2)}^2}{{\mathrm{nr}}_y^2}]/{\mathrm{\υ}}_g\}}^2),$

$\mathrm{where}\frac{x_1^2}{r_x^2}+\frac{{(y_1-r_y/2)}^2}{r_y^2}\≤1,y_1\∈[-\frac{r_y}{2},\frac{r_y}{2}],$

$g_2=\exp (\frac{-2\ln 2}{{\mathrm{\τ}}^2}\×{\{(t+\mathrm{\Δt})-[z_2-\frac{{\mathrm{ct}}_d{x}_2^2}{{\mathrm{nr}}_x^2}-\frac{{\mathrm{ct}}_d{(y_2-r_y/2)}^2}{{\mathrm{nr}}_y^2}]/{\mathrm{\υ}}_g\}}^2),$

$\mathrm{where}\frac{x_2^2}{r_x^2}+\frac{{(y_2-r_y/2)}^2}{r_y^2}\≤1,y_2\∈[-\frac{r_y}{2},\frac{r_y}{2}].$

其中，τ为超短脉冲光束的局部脉宽，Δt为两束超短脉冲光束的相对时间延迟，也就是平行平晶标准具产生的时间延迟，x₁,y₁,z₁和x₂,y₂,z₂分别为描述两束超短脉冲光束在晶体内部传播的坐标系变量，c为真空中光速，t_d为PTD，n为寻常光束在晶体中的折射率，r_x和r_y分别为超短脉冲光束在x₁方向和y₁方向（x₂方向和y₂方向）的光束半径，v_g为超短脉冲光束在晶体内部的群速度。

所述的计算机从所得到的二维强度分布图像中心附近提取出沿水平方向分布的一维曲线，该一维强度分布曲线峰值在水平方向的偏移仅与Δt和PTD相关，当Δt由平行平晶标准具的厚度确定时，该一维强度分布曲线峰值在水平方向的偏移与PTD一一对应，因此，可以预先计算不同的PTD所对应的一维强度分布曲线峰值在水平方向的偏移，建立二者的对应关系，即可在实际测量中首先得到一维强度分布曲线峰值在水平方向的偏移时，找到对应的PTD；同步的超短脉冲激光束形成的二次谐波图像宽度与局部脉宽τ和PTD相关，首先假设一个脉宽τ，所述的计算机通过上述计算公式计算该脉宽τ和上述测得的PTD共同作用时产生的二次谐波图像，与所测得的二次谐波图像的半高全宽进行对比，迭代计算出与测量结果最符合的二次谐波图像，所对应的脉宽即为局部脉宽。

本发明的技术效果如下：

1、本发明使用平行平晶标准具将光束横截面的四分之一产生相对于其余部分固定的时间延迟，同时得到具有时间同步的和具有固定时间延迟的超短脉冲光束产生的二次谐波图像，具有单发次同时测量PTD和脉冲时间宽度的优点。

2、本发明采用菲涅耳双棱镜对待测超短脉冲脉冲激光束进行波阵面分割，能够分辨PTD对二次谐波图像的影响，克服了采用分束镜进行振幅分割分光时无法分辨PTD的缺陷。

附图说明

图1是在先技术单次自相关仪结构示意图。

图2是本发明空间分辨二维单次自相关仪的结构示意图。

图3是两束超短脉冲光束在晶体内部产生二次谐波的示意图。

图4是本发明空间分辨二位单次自相关仪测量局部脉宽为500fs、无脉冲波前畸变的超短脉冲时，CCD记录的光强的二维强度分布以及光束中心附近光强沿水平方向分布的一维曲线；

图5是本发明空间分辨二位单次自相关仪测量局部脉宽为500fs、传播时间差异为676fs的超短脉冲时，CCD记录的光强的二维强度分布以及光束中心附近光强沿水平方向分布的一维曲线；

具体实施方式

先请参阅图2，图2是本发明空间分辨二维单次自相关仪的结构示意图，由图可见，本发明空间分辨二维单次自相关仪，构成包括：沿被测超短脉冲激光束P0传播方向依次的第一圆孔光阑9和第二圆孔光阑10、平行平晶标准具11、菲涅耳双棱镜12、倍频晶体5、滤光片7、狭缝13和CCD探测器14，该CCD探测器14的输出端与计算机15的输入端相连，其位置关系是：所述的第一圆孔光阑9、第二圆孔光阑10、菲涅耳双棱镜12、倍频晶体5、滤光片7、狭缝13和CCD探测器14同光轴，所述的第一圆孔光阑9和第二圆孔光阑10具有相同的直径，所述的平行平晶标准具11位于且仅充满自第二圆孔光阑10输出光束的第4象限，所述的菲涅尔双棱镜12的底面为光束入射面，棱线方向沿铅直的x方向。

下面是一个实施例的参数：

待测超短脉冲激光束P₀的中心波长是1053nm，脉宽为500fs，传播时间差异为676fs，光束直径为20mm；

第一圆孔光阑9和第二圆孔光阑10具有相同的直径，通光直径调整范围为1.5mm至22mm；

平行平晶标准具11的尺寸为10mm×10mm×0.17mm，材料为K9玻璃，P₄相对于横截面内其余部分P₁,P₂,P₃的时间延迟为287fs；

菲涅耳双棱镜12的两个底角均为5°，矩形面的通光面积为20mm×20mm，材料为K9玻璃；

倍频晶体5为KDP（磷酸二氢钾KH2PO4，简称KDP）晶体，厚度为5mm，通光面边长为20mm×20mm，相位匹配角为42°；

滤光片7为KG3滤光片，直径为25mm，通光波长范围是315nm-710nm；

狭缝13宽度调整范围为0mm至20mm，高度为100mm；

CCD探测器12为Andor i-KON934，像元数为1024×1024，分辨率为13μm，动态范围是16bit；

根据理论计算：

对于无时空耦合效应的超短脉冲光束而言，具有相对时间延迟为287fs的两束超短脉冲激光束产生的二次谐波图像峰值位置相对于时间同步情况下的偏移为0.953mm；时间同步的两束超短脉冲激光束产生的二次谐波图像半高全宽为2.335mm，数值模拟结果见图4。

对于PTD为676fs的情形，具有相对时间延迟为287fs的两束超短脉冲激光束产生的二次谐波图像峰值位置相对于时间同步情况下的偏移为0.642mm；时间同步的两束超短脉冲激光束产生的二次谐波图像半高全宽为1.595mm，数值模拟结果见图5。

Claims (1)

1.一种空间分辨二维单次自相关仪，特征在于其构成包括：沿被测超短脉冲激光束（P₀）传播方向依次的第一圆孔光阑(9)和第二圆孔光阑(10)、平行平晶标准具(11)、菲涅耳双棱镜(12)、倍频晶体(5)、滤光片(7)、狭缝(13)和CCD探测器(14)，该CCD探测器(14)的输出端与计算机(15)的输入端相连，其位置关系是：所述的第一圆孔光阑(9)、第二圆孔光阑(10)、菲涅耳双棱镜(12)、倍频晶体(5)、滤光片(7)、狭缝(13)和CCD探测器(14)同光轴，所述的第一圆孔光阑(9)和第二圆孔光阑(10)具有相同的直径，所述的平行平晶标准具(11)位于且仅充满自第二圆孔光阑(10)输出光束的第4象限，所述的菲涅尔双棱镜(12)的底面为光束入射面，棱线方向沿铅直的x方向。

Images