CN103837240A - 自相关仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自相关仪，该自相关仪其在沿光路的方向上设置有保偏耦合器、第一准直器、第一反射镜、延迟装置、倍频装置、光电探测器，其中，保偏耦合器的第一端与第一保偏光纤连接，保偏耦合器的第二端通过第二保偏光纤连接于第一准直器的第一端，保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于延迟装置，保偏耦合器的第四端通过第四保偏光纤连接于倍频装置，倍频装置通过第五保偏光纤连接于激光探测器。利用全保偏光纤结构的自相关仪使得光路避免受到温度变化带来的振动的影响，并且由于保偏光纤能够使被测激光脉冲的偏振态保持稳定地传输，所以不再需要进行对激光的偏振态进行调节便可完成对激光脉冲宽度的测量，使得该自相关仪便于使用。

Description

自相关仪

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种用于测量激光脉冲宽度的自相关仪。

背景技术

随着激光器的出现，脉冲激光器由于峰值功率高而获得广泛的应用，目前在化学反应动力学、非线性光学、光谱分析、激光加工、激光测距等科技领域都采用脉冲激光器作为光源，脉冲激光器的脉冲宽度已从毫秒、纳秒级别提高到皮秒、飞秒级别。

对于一般脉冲激光器，通常可以利用一台带宽大于350MHZ的示波器和快速光电二极管进行测量。对于皮秒、飞秒脉冲激光器，则只能使用条纹相机或自相关仪进行测量。自相关仪是近十多年来发展的专门用于测量脉冲宽度的仪器，具有高分辨率、高灵敏度和使用方便等优点。

公告号为CN101672698B的中国发明专利公开了名为“基于光纤器件的超短脉冲宽度自相关测量仪”的发明创造，参照图1，图1是该自相关测量仪的结构图。自相关测量仪设置有1:1光纤耦合器12、第一准直器13、第一高反镜14、第一光纤偏振控制器15、第二准直器16、第二高反镜17、微动平台18、第二光纤偏振控制器19、第三准直器20、KTP倍频晶体21、大芯径光纤22、光谱仪23和计算机24。

自相关测量仪对激光器11输出的脉冲激光进行测量时，首先激光器11向1:1光纤耦合器12输出激光脉冲，经过1:1光纤耦合器12将该激光脉冲分成第一激光束和第二激光束后，其中第一激光束通过第一准直器13输出后，垂直地入射在第一高反镜14上，并通过第一高反镜14将第一激光束反射入射到耦合器12中。第二激光束入射到第一光纤偏振控制器15，通过调节第一光纤偏振控制器15使得第二激光束平行于第一激光束，第二激光束经调节后入射到第二高反镜17。

微动平台18与计算机24连接，计算机24通过内置程序可对微动平台18进行控制，且微动平台18与第二高反镜17连接，所以计算机24可通过控制微动平台18使得第二高反镜17沿光路的方向上往复移动，继而通过调节第二准直器16与第二高反镜17之间的距离，从而实现第一激光束和第二激光束之间的光延迟。

第二激光束经过第二高反镜17反射后，经过第二准直器16和第一光纤偏振控制器15入射到光纤耦合器12，由于第二激光束相对于第一激光束存在延迟，所以在光纤耦合器12内将产生干涉信号，为了将该干涉信号的幅度调节达到最大值，则需要通过调节第一偏振控制器，使得第一激光束的偏振态基本与第二激光器的偏振态相同，从而使得干涉信号的幅度为最大值。

光纤耦合器12将该干涉信号输出到第二偏振控制器19中，由于KTP倍频晶体21对入射激光脉冲信号的偏振态具有选择性，不同偏振态的激光具有不同的入射转化率，所以通过第二偏振控制器19对干涉信号的偏振态进行调节，以使得被测的信号具有最佳的转化率。再通过大芯径光纤22的传输入射到光谱仪中，通过与计算机24连接的光谱仪23对入射信号进行扫描，最后在计算机24上实现对激光脉冲实时的测量，并实时显示脉冲宽度数据。

然而，该自相关仪采用的是普通光纤和空气作为激光脉冲传播的媒介，为了实现对激光脉冲宽度精确的测量，则需要对第一光纤偏振控制器15和第二光纤偏振控制器19进行调节，方能使得干涉信号的幅度调节到达最大值，才能对激光脉冲宽度进行测量，这样导致该自相关仪存在结构复杂、调节难度大、测量不精确等缺点。同时，该自相关仪采用普通光纤和空气作为激光脉冲作为传播介质，容易受到温度变化带来的振动的影响，且容易受到外界环境干扰，光损耗高，使得该自相关仪无法在一些复杂的户外环境进行测量使用，大大地影响自相关仪在不同环境下的适用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于使用且工作稳定的自相关仪。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种自相关仪，该自相关仪其在沿光路的方向上设置有保偏耦合器、第一准直器、第一反射镜、延迟装置、倍频装置、光电探测器，其中，保偏耦合器的第一端与第一保偏光纤连接，保偏耦合器的第二端通过第二保偏光纤连接于第一准直器的第一端，保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于延迟装置，保偏耦合器的第四端通过第四保偏光纤连接于倍频装置，倍频装置通过第五保偏光纤连接于激光探测器。

由上述方案可见，通过保偏光纤连接在自相关仪的各个光学器件之间，使得保偏耦合器、第一准直器、延迟装置、倍频装置、光电探测器之间的激光传输均通过保偏光纤来传递，利用全保偏光纤的结构的自相关仪具有良好的稳定性，使得光路避免受到温度变化带来的振动的影响，且光损耗低，使得光路传输过程稳定高效，不容易受外界环境干扰，并且由于保偏光纤能够使被测激光脉冲的偏振态保持稳定地传输，所以不再需要进行对激光的偏振态进行调节便可完成对激光脉冲宽度的测量，使得该自相关仪便于使用。

更进一步的方案是，第一反射镜连接在第一准直器的第二端上。

由上可见，将反射镜连接在准直器的端面上，使得激光脉冲从准直器出射后直接入射到反射镜中，反射镜将激光脉冲反射后也直接入射会准直器，继而使得激光脉冲将不在空气中传输，避免了空气对激光脉冲的影响，有利于提高激光脉冲偏振态的稳定性，从而提高自相关仪的测量精度，也提高了自相关仪的集成度。

更进一步的方案是，倍频装置包括在沿其光路的方向上依次设置的第二准直器、倍频晶体和第三准直器，保偏耦合器的第四端通过第四保偏光纤连接于第二准直器的第一端，第三准直器的第一端通过第五保偏光纤连接于激光探测器。

由上可见，通过第二准直器接收从保偏耦合器输出的干涉信号，再通过倍频晶体对干涉信号倍频后产生倍频光信号，由于倍频光信号仅与两束激光脉冲光强度的乘积项有关，所以经过倍频晶体二次谐波后的倍频光信号将有利于提高脉冲宽度测量精度。

更进一步的方案是，第二准直器的第二端连接在倍频晶体的第一端上，第三准直器的第二端连接在倍频晶体的第二端上。

由上可见，在倍频晶体的两端上连接有准直器，使得激光脉冲将不在空气中传输，避免了空气对激光脉冲的影响，有利于提高激光脉冲偏振态的稳定性，从而提高自相关仪的测量精度，也提高了自相关仪的集成度。

更进一步的方案是，倍频晶体为偏硼酸钡晶体。

由上可见，偏硼酸钡晶体（简称BBO晶体）是具有综合优良性能的非线性光学晶体，具有较宽的透光波段和位相匹配范围,和具有较大的非线性光学系数、较高的抗光损伤阈值、较宽的温度带宽以及优秀的光学均匀性为各种非线性光学应用提供实际可能性。

更进一步的方案是，倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体。

由上可见，磷酸钛氧钾晶体（简称KTP晶体）是一种优良的非线性光学晶体，其具有倍频效率高、高非线性系数、高热导率、机械性能良好、晶体表面易于抛光、失配度小等特点。

更进一步的方案是，延迟装置包括在沿光路方向上依次设置的第四准直器和第二反射镜，保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于第四准直器，延迟装置还包括移动装置，移动装置连接于第二反射镜并使第二反射镜可沿光路的方向上移动自相关仪的测量精度。

由上可见，该移动装置可以为电机通过齿轮齿条或蜗轮蜗杆对反射镜进行移动的装置，通过控制电机便可实现对激光脉冲延迟的调节，从而提高自相关仪的电气自动化和测量精度。

更进一步的方案是，延迟装置包括在沿光路方向上依次设置的第五准直器、第一角锥棱镜、斜方棱镜、第一楔形棱镜、第二楔形棱镜、第六准直器和第三反射镜，保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于第五准直器，第一角锥棱镜可沿光路方向平行移动，第一楔形棱镜或第二楔形棱镜可沿垂直于光路的方向平行移动，第一楔形棱镜的斜面倾斜角与第二楔形棱镜的斜面倾斜角相同。

由上可见，利用角锥棱镜作为光延迟粗调器件，利用第一楔形棱镜和第二楔形棱镜作为光延迟细调器件，使得该延迟装置具有较大光延迟可调范围，且具有高分辨率的可调精度。

附图说明

图1是现有的自相关仪结构图。

图2是本发明自相关仪实施例的结构图。

图3是本发明自相关仪实施例中延迟装置的结构图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参照图2，图2是本发明自相关仪实施例的结构图，自相关仪3在沿其光路的方向上设置有保偏耦合器32、准直器33、反射镜34、延迟装置4、倍频装置、光电探测器38，其中，倍频装置包括在沿光路方向上设置的准直器35、倍频晶体36和准直器37。

优选地，保偏耦合器32为2×2光纤耦合器，该保偏耦合器32的分光比为1:1，倍频晶体36可为偏硼酸钡晶体(BBO晶体)或磷酸钛氧钾晶体(KTP晶体)。反射镜34连接在准直器33的第一端上，反射镜34也可以为一反射膜，通过在准直器33的第一端上镀上该反射膜，亦可实现反射镜34与准直器33之间的连接。准直器35的第一端连接在倍频晶体36的第一端面上，准直器37的第一端连接在倍频晶体36的第二端面上。

自相关仪还包括保偏光纤51、保偏光纤52、保偏光纤53、保偏光纤54和保偏光纤55，保偏光纤51的第一端与保偏耦合器32的第一端连接，保偏光纤52的第一端与保偏耦合器32的第二端连接，保偏光纤53的第一端与保偏耦合器32的第三端连接，保偏光纤54的第一端与保偏耦合器32的第四端连接。保偏光纤51的第二端与用于发射被测激光脉冲的激光器31连接，保偏光纤52的第二端与准直器33的第二端连接，保偏光纤53的第二端与延迟装置连接，保偏光纤54的第二端与准直器35的第二端连接。保偏光纤55的第一端连接于准直器37的第二端，保偏光纤55的第二端连接于光电探测器38。

延迟装置4可使用申请人已公开的公告号为CN203324573U的中国实用新型专利申请中所描述的光延迟线装置，参照图3，光延迟线装置4在沿光路方向上依次设置有准直器41、角锥棱镜42、斜方棱镜43、楔形棱镜44、楔形棱镜45、准直器46和反射镜47。本实施例中的延迟装置4与公告号为CN203324573U的中国实用新型专利申请中所描述的光延迟线装置不同的地方在于：准直器46后增加有与准直器46端面连接的反射镜47，反射镜47也可以为一反射膜，通过在准直器46的端面镀上该反射膜。保偏光纤53的第二端连接于准直器41。该延迟装置4还包括第一电机(未示出)和第二电机(未示出)，第一电机用于将角锥棱镜42在沿光路方向上的进行平行移动，第二电机用于将楔形棱镜44在沿垂直于光路的方向上进行平行移动。

对激光器31输出的激光脉冲进行脉冲宽度测量时，使用人员首先将计算机39的数据线连接于光电探测器38、第一电机和第二电机，通过对计算机39的操控来实现对角锥棱镜42和楔形棱镜44的位置的控制，以及通过对计算机39对光电探测器38采集的数据进行处理分析。

随后启动激光器31，激光器31通过保偏光纤51向保偏耦合器32输出激光脉冲，继而保偏耦合器32将该激光脉冲分成第一激光束和第二激光束，第一激光束通过保偏光纤53入射到准直器33，继而准直器33将第一激光束耦合聚焦后出射到反射镜34上，通过反射镜34将第一激光束反射并依此通过准直器33和保偏光纤52入射到保偏耦合器32中。

第二激光束通过保偏光纤54入射到准直器41中，随后经过准直器41准直后向角锥棱镜42输出准直的第二激光束。再经过角锥棱镜42平行反射后入射到斜方棱镜43中，第二激光束经过斜方棱镜43调整入射光束与输出光束的距离后输出到楔形棱镜44中。由于楔形棱镜44的斜面倾斜角与楔形棱镜45的斜面倾斜角相同，所以第二激光束依次经过楔形棱镜44与楔形棱镜45保持其入射光束与输出光束的平行性，最后经过准直器46将第二激光束准直输出到反射镜47中。由于光路具有可逆性，所以由反射镜47反射后的第二激光束将依次经过准直器46、楔形棱镜45、楔形棱镜44、斜方棱镜43和角锥棱镜42返回入射到准直器41，继而通过保偏光纤53将第二激光束入射保偏耦合器32中。

为了使返回到保偏耦合器32中的第一激光束和第二激光束产生干涉信号，可通过控制计算机39调节角锥棱镜42和楔形棱镜44的位置，并以第一激光束为基准，使第二激光束相对于第一激光束产生光延时。

随后光纤耦合器32将该干涉信号通过保偏光纤54输出到倍频装置中，通过倍频晶体36对干涉信号倍频后输出倍频光信号，继而该倍频光信号依次通过准直器37和保偏光纤55入射到光电探测器38中。光电探测器38将采集到倍频光信号的光强信息输出到计算机39中，在计算机39对激光脉冲宽度进行实时的测量，并实时地显示脉冲宽度数据。

由上述方案可见，通过保偏光纤连接在自相关仪的各个光学器件之间，使得保偏耦合器32、准直器33、延迟装置4、倍频装置、光电探测器38之间的激光传输均通过保偏光纤来传递，利用全保偏光纤的结构的自相关仪具有良好的保偏稳定性，使得光路避免受到温度变化带来的振动的影响，且光损耗低，使得光路传输过程稳定高效，不容易受外界环境干扰。并且，由于不在需要调节光纤偏振控制器，通过保偏光纤使得激光脉冲的偏振态不容易发生偏转，使得被测激光脉冲的偏振态保持稳定地传输，所以不再需要进行对激光的偏振态进行调节便可完成对激光脉冲宽度的测量，使得该自相关仪便于使用。同时利用保偏光纤将使得各个光学部件高度集成化，使得该自相关仪具有模块化、易操作、易维护和便携等特点。

最后需要强调的是，本发明并不限于上述的实施方式，如延迟装置采用准直器、连接有齿条的反射镜和连接有齿条的电机，通过这种对反射镜进行移动的移动装置，使得第二激光束产生延迟，继而实现本发明的主要目的，这些都应该包括在本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1. 自相关仪，其在沿光路的方向上设置有保偏耦合器、第一准直器、第一反射镜、延迟装置、倍频装置、光电探测器；

其特征在于：

所述保偏耦合器的第一端与第一保偏光纤连接；

所述保偏耦合器的第二端通过第二保偏光纤连接于所述第一准直器的第一端；

所述保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于所述延迟装置；

所述保偏耦合器的第四端通过第四保偏光纤连接于所述倍频装置；

所述倍频装置通过第五保偏光纤连接于所述激光探测器。

2. 根据权利要求1所述的自相关仪，其特征在于：

所述第一反射镜连接在所述第一准直器的第二端上。

3. 根据权利要求2所述的自相关仪，其特征在于：

所述倍频装置包括在沿其光路的方向上依次设置的第二准直器、倍频晶体和第三准直器，所述保偏耦合器的第四端通过第四保偏光纤连接于所述第二准直器的第一端，所述第三准直器的第一端通过第五保偏光纤连接于所述激光探测器。

4. 根据权利要求3所述的自相关仪，其特征在于：

所述第二准直器的第二端连接在所述倍频晶体的第一端上，所述第三准直器的第二端连接在所述倍频晶体的第二端上。

5. 根据权利要求4所述的自相关仪，其特征在于：

所述倍频晶体为偏硼酸钡晶体。

6. 根据权利要求4所述的自相关仪，其特征在于：

所述倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体。

7. 根据权利要求1至6所述的自相关仪，其特征在于：

所述延迟装置包括在沿光路方向上依次设置的第四准直器和第二反射镜，所述保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于所述第四准直器；

所述延迟装置还包括移动装置，所述移动装置连接于所述第二反射镜并使所述第二反射镜可沿光路的方向上移动。

8. 根据权利要求1至6所述的自相关仪，其特征在于：

所述延迟装置包括在沿光路方向上依次设置的第五准直器、第一角锥棱镜、斜方棱镜、第一楔形棱镜、第二楔形棱镜、第六准直器和第三反射镜，所述保偏耦合器的第三端通过第三保偏光纤连接于所述第五准直器，所述第一角锥棱镜可沿光路方向平行移动，所述第一楔形棱镜或所述第二楔形棱镜可沿垂直于光路的方向平行移动，所述第一楔形棱镜的斜面倾斜角与所述第二楔形棱镜的斜面倾斜角相同。

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