CN1038448C - 多功能激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多功能激光干涉仪，适用于测量光脉冲、电脉冲、磁脉冲和超快变电场以及超短光脉冲信号的变化。它含有超短脉冲发射光源、双脉冲形成装置、扩束器、微分时间延迟器、聚焦系统、干涉系统、转换元件、干涉条纹和接收处理显示系统、被测信号接口、同步装置和补偿元件。具有时间分辨率精度高、响应速度快、用途广，可以实时测量的优点。

Description

多功能激光干涉仪

本发明是一种多功能激光干涉仪。

主要适用于测量光脉冲、电脉冲以及磁脉冲的信号，如测量光强和电压随时间变化的波形。因为它的响应速度极快，是微微秒(ps)量级。所以，它非常适用于超快变电场和超短光脉冲信号变化的测量。

已有技术主要有两个方面。一是普通干涉仪，如一九八七年机械工业出版社出版的“剪切干涉仪及其应用”一书中描述的干涉仪，可用来做多样的测量工作，但它既不能像示波器一样示波显示电信号的波形，也不能示波显示光信号、磁信号的波形。另一方面，中国专利87101030.5描述的超快变电场的测量系统和美国专利4472053描述的测量系统，虽然能示波显示电信号和光信号的波形，但不能示波显示其他如磁信号的波形等。而且，这些测量系统内不含有干涉系统。

本发明的目的是设计一种可以示波显示一系列的超快变信号，如电信号、光信号、磁信号等随时间变化波形的测量装置。既有高精度的时间分辨率，又能测量多种类型的信号。

附图说明：为下述方便，先进行附图的图面说明。

图1是本发明的多功能激光干涉仪的结构方框图。

图2是本发明的多功能激光干涉仪的光路图。

本发明的多功能激光干涉仪由十一部分构成：超短脉冲发射光源1、双脉冲形成装置2、扩束器3、微分时间延迟器4、聚焦系统5、干涉系统6、转换元件7、干涉条纹的接收处理显示系统8、被测信号接口9、同步装置10和补偿元件11。其中，转换元件7在干涉系统6的一个臂的光路A中，补偿元件11是在干涉系统6的另一个臂的光路B中，如图2所示。

由超短脉冲发射光源1发射的基础光束经双脉冲形成装置2后，将单个脉冲变成与原单脉冲形状相同的两个脉冲。两个脉冲一前一后，时间相差几个毫微秒。这个时间差比微分时间延迟器所造成的最大时间差大三倍以上。由双脉冲形成装置2输出的光脉冲再经扩束器3横向扩束后，入射到微分时间延迟器4上。该延迟器4出射的脉冲光束中，在光束横截面上各处有不同的时间延迟，延迟量相对光束垂直面的水平方向上递增。由延迟器4输出的光束再经聚焦系统5进入干涉系统6，由于干涉系统6出射的光束已产生了干涉条纹。再由干涉条纹的接收处理显示系统8对这些干涉条纹进行处理后，显示其测量结果。转换元件7置于干涉系统6中一个臂的光路A中，如图2所示。被测量信号经由被测信号接口9加于转换元件7上。补偿元件11置于干涉系统6的另一个臂的光路B中，起光程补偿作用，促使干涉系统6两个臂的光程尽可能相等。当被测信号加在转换元件7上时，转换元件的折射率变化，导致干涉系统的一个臂的光程起变化，因此干涉系统产生的干涉条纹会移动。由于微分时间延迟器的作用，不是整条干涉条纹处处移动，而是与被测信号作用相关的局部产生移动。因此，干涉条纹形状产生波动，这种波动的波形正是被测信号随时间变化的波形。此波形由接收处理显示系统8显示出来。至此完成了测量。由上述可知，不管哪种类型的信号，只要能使相应的转换元件7改变折射率，便能用本发明的多功能激光干涉仪进行测量。使用双脉冲形成装置2把具有单个光脉冲的基础光束改变成具有两个光脉冲的基础光束，是为了使测量结果更准确。由同步装置10控制，当基础光束的第二个光脉冲刚好到达转换元件7时，将被测信号加在转换元件上。这样，基础光束的第一个光脉冲形成的干涉条纹是不加被测信号的干涉条纹。第二个光脉冲形成的干涉条纹是加被测信号的干涉条纹。两组干涉条纹对比处理，将得到精确的被测信号波形。

本发明的超短脉冲发射光源1当前选用激光系统来实现。该光源1可以是一台锁模激光器带单脉冲选择器，或者是一台同步泵浦染料激光器，或者是带有脉冲压缩装置和激光放大系统的激光系统。所以，前面所述的基础光束是一束超短脉冲激光束。

转换元件7当测量电信号时，用普通克尔盒，测量光信号时，可用光克尔材料做成的组件作为转换元件7。

所用干涉系统6可以是马赫干涉仪，或者是迈克尔逊干涉仪，或者是剪切干涉仪等。

接收处理显示系统8的接收器可选用二维二极管列阵，或选用二维电荷耦合器件(CCD)，或用OMA。

微分时间延迟器是衍射光栅。或者是色散棱镜，或者是阶梯光栅。

扩束器可用球面望远镜，或把望远镜和球面改成柱面的望远镜，或者用棱镜。

双脉冲形成装置2由两块半透反射镜和一块直角棱镜构成，如图2所示。单脉冲激光束经第一块半透反射镜分成两束，透过的光束再透过第二块半透反射镜，形成第一个光脉冲。在第一块半透反射镜处反射的光束经直角棱镜反射回来，再经第二块半透反射镜反射，形成第二个脉冲。这两个脉冲合成一束光，其中第二个脉冲比第一个脉冲延迟了一段时间。

本发明的激光干涉仪的时间分辨率精度取决于基础光束的脉冲宽度和转换元件7的性能。而且这两部分均可选到理想的器件。

本发明的激光干涉仪优点是：

1.能示波显示多种类型的信号随时间变化的波形，而且时间分辨率精度高，至少达到10^-12秒。

2.由于本发明采用了微分时间延迟器和干涉系统，所以应用范围广。除用以测量光脉冲、电脉冲、磁脉冲信号外，还可以测量非线性光学材料的非线性折射率系数n₂。测量时，把被测材料放在转换元件7的位置，用一超短光脉冲照射被测材料，由同步装置10使该脉冲与基础光束的脉冲同步，可以一次测出由n₂形成的折射率变化量Δn在光照射后随时间的衰减曲线。由此曲线可求得n₂值，也可求得非线性的弛豫时间。

3.测量速度快，是实时测量。只要超短脉冲发射光源1发射一个光脉冲，其测量就可方便地完成。

实施例：

如图1和图2所示的结构。超短脉冲发射光源1选用一台超短脉冲锁模激光器，它带有单脉冲选择器，可以输出单个的脉冲宽度为5×10^-14秒的光脉冲。选用柱面凹透镜和柱面凸透镜组成扩束器3。选用衍射光栅作为微分时间延迟器4。选用会聚透镜作为聚焦系统5。干涉系统6选用马赫干涉仪。基础光束的焦点分别落在马赫干涉仪的两个臂中。一个臂中的焦点处或焦点附近放置转换元件7，另一个臂中的焦点处或附近置放补偿元件11。测电信号时转换元件7用普克尔盒，补偿元件11是一块晶体，它和普克尔盒中的晶体相同。置于马赫干涉仪出口处的接收处理显示系统8选用二维二极管列阵作为接收器，接收到信号后存储、处理，最后把被测信号随时间变化的波形显示在荧光屏上。时间分辨率精度为5×10^-14秒。

Claims (5)

1.一种多功能激光干涉仪，包括由激光系统构成的超短脉冲发射光源(1)发射的基础光束，由扩束器(3)扩束后，入射到微分时间延迟器(4)上，由微分时间延迟器(4)输出的光束经过聚焦系统(5)后，有分束分成两束光路A和B，在A光路上置有转换元件(7)，在B光路上置有补偿元件(11)，最后有接收处理显示系统(8)，其特征在于置于超短脉冲发射光源(1)与扩束器(3)之间有双脉冲形成装置(2)；在聚焦系统(5)与接收处理显示系统(8)之间是干涉系统(6)，置有转换元件(7)的A光路是干涉系统(6)的一个臂，置有补偿元件(11)的B光路是干涉系统(6)的另一个臂；被测量信号由同步装置(10)控制经被测信号接口(9)加于转换元件(7)上；转换元件(7)接收被测量信号后由折射率变化导致干涉系统(6)的一个臂光程变化，引起干涉条纹产生波动，最后接收处理显示系统(8)显示的波动波形是被测量信号随时间变化的波形。

2.依照权利要求1所述的一种多功能激光干涉仪，其特征在于干涉系统(6)是马赫干涉仪，或者是迈克尔逊干涉仪，或者是剪切干涉仪。

3.依照权利要求1所述的一种多功能激光干涉仪，其特征在于超短脉冲发射光源(1)的激光系统是一锁模激光器带单脉冲选择器，或者是一同步泵浦的染料激光器，或者是带有脉冲压缩装置和激光放大系统的激光系统。

4.依照权利要求1所述的一种多功能激光干涉仪，其特征在于微分时间延迟器(4)是衍射光栅，或者是阶梯光栅，或者是色散棱镜。

5.依照权利要求1所述的一种多功能激光干涉仪，其特征在于置于超短脉冲发射光源(1)和扩束器(3)之间的双脉冲形成装置(2)是由两块半透反射镜和一直角棱镜所构成。

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