CN104596652A - 一种时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪 - Google Patents

Abstract

一种时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，包括沿光路依次放置的第一耦合镜、第二耦合镜和分光镜，该分光镜将光一分为二，一路透射光经第一反射镜入射到自相关晶体上，另一路反射光依次经第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜后，入射到所述的自相关晶体上；透射光和反射光在自相关晶体上产生单次自相关信号后，依次经第五反射镜、透镜和第六反射镜后，被光电探测器接收，该光电探测器的输出端与计算机相连。本发明基于同一套自相关光路，快捷、方便地实现飞秒量级和皮秒量级脉冲宽度的测量和分析，降低传统方案中因为改变非共线夹角而导致的等光程重调、晶体相位匹配角重调，从而降低时间成本、提高工作效率。

Description

一种时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪

技术领域

本发明涉及超短脉冲的脉冲宽度单次测量，包括皮秒量级和飞秒量级的单次超短脉冲。

背景技术

传统的激光脉冲的脉冲宽度测量方法，有示波器和条纹相机两种。当采用16GHz的高速示波器进行脉宽测量时，考虑到快响应光电管、屏蔽电缆线、以及相应的接口电路元器件的带宽，其上升沿响应为71.5ps，即时间分辨率大于71.5ps。当采用条纹相机时，其时间分辨率为2.85ps。为了能够实现<10ps、甚至飞秒级的脉冲宽度的测量，科学家们发展了自相关测量方法。

J.Janszky在1977年从理论上分析了自相关方法测量超短脉冲的可行性(参见Optics Communications，Vol.23(3)，1977，293～298)。Yuzo Ishida在1985年采用了自相关方法实现了0.42p脉冲宽度的测量(参见Optics Communications，Vol.56(1)，1985，57～60)，使用的非共线夹角为11°。A.Brun在1991年采用了自相关方法实现了52fs脉冲宽度的测量(参见J.Phys.D:Appl.Phys.,Vol.24，1991，1225～1233)，使用的非共线夹角<2°。R.A.Ganeev在1995年采用了自相关方法实现了1.4ps和12ps的脉冲宽度的测量(参见Optics Communications，Vol.114，1995，432～434)，使用的非共线夹角为22°。M.Raghuramaiah在2001年采用了自相关方法实现了26ps的脉冲宽度的测量(参见Sadhana，Vol.26(6)，2001，603～611)，使用的非共线夹角为30°。

基于以上研究基础，美国相干公司(Coherent Inc.)的研制了商用的飞秒级脉宽测量仪SSA-P，测量范围为30-300fs，非共线夹角约为10°，其标称分辨率为5fs。上海光学精密机械研究所研制了皮秒级脉宽测量仪PsWidth20，测量范围为1-18ps，非共线夹角为55°，其标称分辨率为0.1ps。

综上所述，目前国际上的单次自相关方法中，为了实现不同时间范围的超短脉冲的脉冲宽度测量，所采用的技术方案是改变非共线夹角。该方案的缺点在于，1)在单次自相关光路中改变非共线夹角之后，晶体的相位匹配角将发生变化，需要重新加工或调节；2)在单次自相关光路中改变非共线夹角之后，两个子光束的等光程将发生变化，也需要重新调节。在超短脉冲的单次自相关过程中同时调节等光程和晶体的相位匹配角这两个变量，相当于求解一个二元一次方程，是非常困难的。

发明内容

本发明所要解决的问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，基于单次自相关信号的可调节放大率的方法，用于改变自相关仪的时间分辨率，从而满足飞秒量级、或者皮秒量级的超短脉冲的测量精度要求，实现不同超短脉冲的不同脉冲宽度的测量和分析，解决在此过程中的光路调试的技术难度和时间成本问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，其特点在于，包括沿光路依次放置的第一耦合镜、第二耦合镜和分光镜，该分光镜将光一分为二，一路透射光经第一反射镜入射到自相关晶体上，另一路反射光依次经第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜后，入射到所述的自相关晶体上；

透射光和反射光在自相关晶体上产生单次自相关信号后，依次经第五反射镜、透镜和第六反射镜后，被光电探测器接收，该光电探测器的输出端与计算机相连。

所述的透射光和反射光入射到自相关晶体上时，透射光和反射光之间存在一个非共线夹角Φ。

所述的光电探测器为CCD、光电二极管或快响应光电管。

所述的透镜是平凸透镜、双凸透镜、凹面镜或柱面镜。

本发明实现步骤具体如下：

1)采用较大的非共线角，在自相关晶体之后得到与脉冲宽度相关联的、空间分布的单次自相关信号；

2)在自相关晶体之后、光电探测器(CCD)之前安装成像透镜，针对皮秒量级的脉冲设置放大率M＝1，满足脉冲宽度介于0.5-20ps之间的超短脉冲的测量和分析需求。

3)针对飞秒量级的脉冲，设置放大率M＝10，满足脉冲宽度介于30fs-500fs之间的超短脉冲的测量和分析需求。

上述步骤的要点是：

(1)自相关过程中的光路结构保持不变，不改变等光程，不改变晶体的相位匹配角；

(2)基于自相关过程的晶体和光电探测器(CCD)之间的间距、放大率M，计算出合理的透镜焦距，并选择合适的物距、像距；

(3)为了提高光电探测器的检测精度，需要在自相关过程的晶体之后插入鉴别率板，标定自相关信号在光电探测器(CCD)上的放大率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)基于同一套自相关光路，快捷、方便地实现飞秒量级和皮秒量级脉冲宽度的测量和分析，降低传统方案中因为改变非共线夹角而导致的等光程重调、晶体相位匹配角重调，从而降低时间成本、提高工作效率。

2)有助于促进超短脉冲的脉冲宽度测量中的测试设备的模块化、标准化，为实现超短脉冲测试设备的规模化和批量化研制提供了有力的技术保障。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构简图，用于实现脉冲宽度介于0.5～20ps之间的超短脉冲的测量和分析需求；

图2是本发明实施例2的结构简图,用于实现脉冲宽度介于30～500fs之间的超短脉冲的测量和分析需求。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

当被测脉冲为皮秒量级(0.5～20ps)的超短脉冲时，请参阅图1，图1是本发明的实施例1的结构简图。被测脉冲首先由第一耦合镜1、第二耦合镜2进入单次自相关仪的内部，然后经由分光镜3一分为二。透射光经过第一反射镜4入射到自相关晶体8上。反射光经过第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7之后，也入射到自相关晶体8上。透射光和反射光在自相关晶体8上产生单次自相关信号9，通过第五反射镜10、透镜11、第六反射镜12之后，得到单次自相关信号像13。单次自相关信号像13被光电探测器14(CCD)所接收，然后传输到计算机15进行分析并处理，得到被测脉冲的宽度。

透射光和反射光之间存在一个非共线夹角Φ，从而能够在透射光和反射光之间产生空间上的延迟。这样的效果是空间上的不同位置具有不同的时间延迟量，从而通过自相关晶体8得到空间分布的、与时间延迟量相关联的单次自相关信号。自相关信号的空间宽度Δx、时间宽度Δt、非共线夹角Φ之间的关系为

Δt/Δx＝2sin(Φ/2)/c          (1)

对于脉冲宽度介于0.5～20ps之间的超短脉冲，放大率M＝1，光电探测器(CCD)上得到的自相关信号像的空间宽度Δx’＝M×Δx。所以光电探测器(CCD)上的时间分辨率ρ为

ρ＝Δt/Δx’＝2sin(Φ/2)/c            (2)

特别地，当Φ＝55°，光电探测器(CCD)上的像素单元尺寸为20um/pixel时，分辨率ρ为62fs/pixel。

脉冲宽度为0.5ps的超短脉冲的自相关信号的宽度为0.707ps，该技术方案所能提供的采样点约为11pixel，能够满足脉冲宽度的测量和分析需要。脉冲宽度为20ps的超短脉冲的自相关信号的宽度为28.28ps，该技术方案所能提供的采样点为456pixel，小于光电探测器(CCD)的最大像素数512pixel。因此，当放大率M＝1时，该技术方案能够满足脉冲宽度介于0.5～20ps之间的超短脉冲测量和分析的需求。

当被测脉冲为飞秒量级的超短脉冲时，请参阅图2，图1是本发明的实施例2的结构简图。图2中的光路结构基本上与图1一致，除了透镜11的位置。

被测脉冲首先由第一耦合镜1、第二耦合镜2进入单次自相关仪的内部，然后经由分光镜3一分为二。透射光经过第一反射镜4入射到自相关晶体8上。反射光经过第二反射镜5、第三反射镜6、第四反射镜7之后，也入射到自相关晶体8上。透射光和反射光在自相关晶体8上产生单次自相关信号9，通过第五反射镜10、透镜11、第六反射镜12之后，得到单次自相关信号像13。单次自相关信号像13被光电探测器14(CCD)所接收，然后传输到计算机15进行分析并处理，得到被测脉冲的宽度。

对于脉冲宽度介于30～500fs之间的超短脉冲，放大率M＝10，光电探测器(CCD)上得到的自相关信号像的空间宽度Δx’＝M×Δx。所以光电探测器(CCD)上的时间分辨率ρ为

ρ＝Δt/Δx’＝2sin(Φ/2)/(Mc)          (3)

特别地，当Φ＝55°，光电探测器(CCD)上的像素单元尺寸为20um时，分辨率ρ为6.2fs/pixel。

脉冲宽度为30fs的超短脉冲的自相关信号的宽度为42.42fs，该技术方案所能提供的采样点约为7pixel，能够满足脉冲宽度的测量和分析需要。脉冲宽度为500fs的超短脉冲的自相关信号的宽度为707fs，该技术方案所能提供的采样点为114pixel，小于光电探测器(CCD)的最大像素数512pixel。因此，当放大率M＝1时，该技术方案能够满足脉冲宽度介于30～500fs之间的超短脉冲测量和分析的需求。

Claims (4)

1.一种时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，其特征在于，包括沿光路依次放置的第一耦合镜(1)、第二耦合镜(2)和分光镜(3)，该分光镜(3)将光一分为二，一路透射光经第一反射镜(4)入射到自相关晶体(8)上，另一路反射光依次经第二反射镜(5)、第三反射镜(6)和第四反射镜(7)后，入射到所述的自相关晶体(8)上；

透射光和反射光在自相关晶体上产生单次自相关信号(9)后，依次经第五反射镜(10)、透镜(11)和第六反射镜(12)后，被光电探测器(14)接收，该光电探测器(14)的输出端与计算机(15)相连。

2.根据权利要求1所述的时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，其特征在于，所述的透射光和反射光入射到自相关晶体(8)上时，透射光和反射光之间存在一个非共线夹角Φ。

3.根据权利要求1所述的时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，其特征在于，所述的光电探测器为CCD、光电二极管或快响应光电管。

4.根据权利要求1所述的时间分辨率可调的超短脉冲脉宽测量仪，其特征在于，所述的透镜(11)是平凸透镜、双凸透镜、凹面镜或柱面镜。