CN105157857A - 一种超短脉冲时间同步的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种超短脉冲时间同步的测量装置，该测量装置包括有光学延迟线、第一半透半反镜、第二半透半反镜、透镜、非线性晶体、小孔光阑、第一光电二极管、半波片、合束器、四分之一波片、偏振分束器、第二光电二极管、第三光电二极管和减法器；测量方法是采用光学互相关测量时间同步，即由第一光电二极管获得和频光信号的最大值，使两束待测超短脉冲初步达到时间同步；采取电学能量平衡法进一步提升时间同步测量精度，在初步时间同步的基础上，若减法器输出信号为0，则两束超短脉冲达到高精度时间同步。本发明的时间同步测量精度可达亚飞秒量级，能够用于皮秒、飞秒等超短脉冲激光的时间同步测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及到多束超短脉冲之间时间同步的测量装置和测量方法。
背景技术
超强超短激光系统的研制引起了人们极大的兴趣，超相对论强度水平(>1023W/cm2)的激光系统可用来研究各种现象，如激光-等离子电子、离子加速、硬X射线、相对论自聚焦等。受限于放大器和压缩元件的尺寸、损伤阈值、热效应以及非线性效应，当前单路激光系统的峰值强度记录为2*1022W/cm2。若采用相干组束则有望进一步提高激光系统的峰值强度，而超短脉冲的高效相干组束对脉冲间的时间同步提出了极高的要求，飞秒脉冲的有效相干叠加要求各路脉冲的相对时间抖动为亚飞秒量级。
现有技术中超短脉冲时间同步的测量方法主要有：光谱干涉法(参见PlasmaPhysicsandControlledFusion,2008,vol.50,124045)、光学互相关法(参见AppliedPhysicsB,2009,vol.97,445)等。其中，光谱干涉法的时间同步精度较低，通常为数十飞秒。最为常用的是光学互相关法，但光学互相关法的测量精度与脉冲宽度有关，脉冲宽度越窄，测量精度越高。对于亚飞秒乃至百阿秒量级的时间同步测量精度则鲜有报道。
中国发明专利号为201410264530.7的《多束超短脉冲时间同步和相位同步的诊断装置及诊断方法》，其采用的是皮秒脉冲光源，测量方法是光学互相关方法测量时间同步，即将两待测脉冲线聚焦到晶体中，其采用观测焦斑形态的方法判断相位同步。由于他采用的是皮秒光源，所以他的同步精度较低，只能是百飞秒量级。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的用于超短脉冲时间同步的测量装置及测量方法。本发明的测量装置及测量方法在采用在光学互相关测量时间同步的基础上，采取电学能量平衡法进一步提升时间同步测量精度，使得时间同步测量精度达到亚飞秒量级。
为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种超短脉冲时间同步的测量装置，其特征在于，该测量装置包括有光学延迟线、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一反射镜、透镜、非线性晶体、小孔光阑、第一光电二极管、半波片、合束器、四分之一波片、偏振分束器、第二光电二极管、第三光电二极管和减法器；
所述的光学延迟线由两块反射镜组成并设置在精密平移台上，该两块反射镜垂直放置，所述的精密平移台沿光束入射方向前后移动；
两束待测的超短脉冲激光平行入射，第一束待测超短脉冲依次经过光学延迟线和第一半透半反镜，经所述的第一半透半反镜透射后垂直地入射至所述的透镜，第二束待测超短脉冲先经第二半透半反镜反射后再经第一反射镜反射垂直地入射至所述的透镜中，入射至所述透镜中的第一束待测超短脉冲和第二待测超短脉冲相互平行，经过所述透镜聚焦的两束待测超短脉冲入射至所述的非线性晶体，由非线性晶体出射两束待测超短脉冲的倍频光以及和频光，所述的小孔光阑阻挡住两束待测超短脉冲的倍频光但容许和频光通过，两束待测超短脉冲的和频光入射至所述的第一光电二极管中；
所述第二束待测超短脉冲经第二半透半反镜透射后经过所述的半波片，透过半波片的第二待测超短脉冲入射至所述的合束器中，所述的第一束待测超短脉冲经所述的第一半透半反镜反射后入射至所述的合束器中，经过所述合束器的第一束待测超短脉冲和第二束待测超短脉冲再通过所述的四分之一波片入射至所述的偏振分束器中，经偏振合分束器分束后分别入射至所述的第二光电二极管和第三光电二极管，所述的第二光电二极管和第三光电二极管均连接于所述的减法器，由减法器的输出电压信号判断两束待测超短脉冲的时间同步情况。
在本发明超短脉冲时间同步的测量装置中，所述第一束待测超短脉冲和第二束待测超短脉冲的光束行进方向为z轴，x轴为与光束行进方向垂直的面内的水平轴，所述的半波片的光轴与x轴呈45度，所述的四分之一波片的光轴与x轴呈45度。
在本发明超短脉冲时间同步的测量装置中，所述的非线性晶体包括偏磷酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)。
在本发明超短脉冲时间同步的测量装置中，判断两束待测超短脉冲的时间同步情况的方法为：移动光学延迟线，使得第一光电二极管获得和频光信号的最大值，达到两束待测超短脉冲初步达到时间同步；进一步调节光学延迟线，若减法器输出信号为0，则两束超短脉冲达到高精度时间同步，两束所述的待测超短脉冲的同步精度为300as。
一种利用上述测量装置实现两束待测超短脉冲时间同步的测量方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：
第一步，组装完成超短脉冲时间同步的测量装置；
第二步，将第一束待测超短脉冲经过光学延迟线、第一半透半反镜后垂直地入射到所述的透镜中，第二束超短待测脉冲经过第二半透半反镜和第一反射镜后垂直地入射到所述的透镜中，两束待测超短脉冲相互平行地入射到所述的透镜上，经所述的透镜聚焦的两束待测超短脉冲入射到所述的非线性晶体中，由非线性晶体出射的光束通过小孔光阑后再由第一光电二极管接收，通过移动精密平移台来变换光学延迟线的位置，使得第一光电二极管的和频光信号达到最大值，则此时两束待测超短脉冲初步达到时间同步；
第三步，第二束待测超短脉冲通过第二半透半反镜透射，再经半波片达到合束器，第一束待测超短脉冲通过第一半透半反镜反射后达到所述的合束器，合束后的两束待测超短脉冲经过四分之一波片后抵达偏振分束器，经偏振分束器分为反射光和透射光，反射光投射到第二光电二极管上，透射光投射到第三光电二极管上，第二光电二极管和第三光电二极管输出的信号均进入减法器；
第四步，由减法器输出的电压信号判断两束待测超短脉冲的时间同步情况，在两束待测超短脉冲初步达到时间同步后，进一步精确调节光学延迟线的位置，若减法器输出信号为0，则两束待测超短脉冲到高精密时间同步，时间同步精度能够达到300as。
在所述测量方法的第二步中，调节光学延迟线，使得和频光信号为最大值的一半，检测该处和频光信号的时间稳定性，以实现对时间同步稳定性的监控。
在所述测量方法的第三步中，在减法器输出的信号为0时，监测该处输出信号在1小时的稳定性，在开环状态下1小时内可将同步范围稳定在三个波长以内，若采用闭环控制，则将时间同步稳定在亚飞秒量级。
基于上述技术方案，本发明的测量装置和测量方法在超短脉冲时间同步的操作中取得了如下技术效果：
1.本发明采用在光学互相关测量时间同步的基础上，采取电学能量平衡法进一步提升时间同步测量精度。
2.本发明的时间同步测量精度可达亚飞秒量级，能够用于高能皮秒拍瓦激光、飞秒激光等超短脉冲的时间同步测量。
3.本发明能够实现多束超短脉冲的时间同步测量与稳定性监控，对于实现超短脉冲高效相干组束具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明超短脉冲时间同步的测量装置简图。
图2是采用光学互相关法，使得两束待测超短脉冲和频信号达到最大值的一半后，监测该处强度值在1h内的时间稳定性曲线。
图3是采用电学能量平衡法，将两束待测超短脉冲达到高精密时间同步后，减法器输出信号在1h内的稳定性曲线。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明超短脉冲之间时间同步的测量装置和测量方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其具体结构和实现过程，但不能以此来限制本发明专利保护范围。
先请看图1，本发明首先设计制作出了一种超短脉冲时间同步的测量装置。该测量装置包括有光学延迟线1、第一半透半反镜2、第二半透半反镜3、第一反射镜4、透镜5、非线性晶体6、小孔光阑7、第一光电二极管8、半波片9、合束器10、四分之一波片11、偏振分束器12、第二光电二极管13、第三光电二极管14和减法器15。
上述的光学延迟线1由两块反射镜组成并设置在精密平移台上，所述的精密平移台可沿光束入射方向前后移动。各45°放置的两块反射镜布置在精密光学平移台上，该两块反射镜呈垂直放置，使得入射的光束经过两次反射后与入射光平行的方向出射。光学延迟线1的主要功能是调节两束待测超短脉冲之间的时间延迟。
两束待测的超短脉冲激光平行入射，激光光源采用的200fs的光源。第一束待测超短脉冲依次经过光学延迟线1和第一半透半反镜1，经所述的第一半透半反镜1透射后垂直地入射至所述的透镜5。第二束待测超短脉冲先经第二半透半反镜3反射后再经第一反射镜4反射，然后垂直地入射至所述的透镜5中。入射至所述透镜5中的第一束待测超短脉冲和第二待测超短脉冲相互平行，经过所述透镜5聚焦的两束待测超短脉冲入射至所述的非线性晶体6中。所述的非线性晶体包括但不限于偏磷酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)。由非线性晶体6出射的两束待测超短脉冲的倍频光以及和频光入射到小孔光阑7上，所述的小孔光阑7阻挡住两束待测超短脉冲的倍频光但容许和频光通过，两束待测超短脉冲的和频光入射至所述的第一光电二极管8上，并由第一光电二极管8接收和频光信号，以测定和频光信号强度的变化。
所述第二束待测超短脉冲经第二半透半反镜3透射后通过所述的半波片9，透过半波片9的第二待测超短脉冲入射至所述的合束器10中，所述的第一束待测超短脉冲经所述的第一半透半反镜2反射后入射至所述的合束器10中。经过所述合束器10的第一束待测超短脉冲和第二束待测超短脉冲通过所述的四分之一波片11入射至所述的偏振分束器12中，经偏振分束器12分光后分别入射至所述的第二光电二极管13和第三光电二极管14。所述的第二光电二极管13和第三光电二极管14均连接于所述的减法器15，由减法器15的输出电压信号判断两束待测超短脉冲的时间同步情况。判断两束待测超短脉冲的时间同步情况的方法为：移动光学延迟线，使得第一光电二极管8获得和频光信号的最大值，达到两束待测超短脉冲初步达到时间同步；进一步调节光学延迟线，若减法器15输出信号为0，则两束超短脉冲达到高精度时间同步，两束所述的待测超短脉冲的时间同步精度为300as。
在本发明超短脉冲时间同步的测量装置中，若以所述第一束待测超短脉冲和第二束待测超短脉冲的光束行进方向为z轴，x轴为与光束行进方向垂直的面内的水平轴，所述的半波片9的光轴与x轴呈45度，所述的四分之一波片11的光轴与x轴呈45度。假设两待测超短脉冲初始偏振方向相同，均为线偏振光。半波片9的作用是将其中一束待测超短脉冲的偏振方向旋转90度。那么两待测超短脉冲的偏振方向已相互垂直，再通过四分之一波片11后，将成为不同旋向的圆偏振光，即一束为左旋圆偏振光，另一束为右旋圆偏振光。两束圆偏振光再经过偏振分束器12将p分量和s分量分开，然后偏振分束器12的反射光和透射光再分别由两个光电二极管接收。
利用上述测量装置实现两束待测超短脉冲时间同步的测量方法，该方法包括如下具体步骤：
第一步，组装完成超短脉冲时间同步的测量装置。
第二步，将第一束待测超短脉冲经过光学延迟线、第一半透半反镜后垂直地入射到所述的透镜中，第二束超短待测脉冲经过第二半透半反镜和第一反射镜后垂直地入射到所述的透镜中，两束待测超短脉冲相互平行地入射到所述的透镜上，经所述的透镜聚焦的两束待测超短脉冲入射到所述的非线性晶体中，由非线性晶体出射的光束通过小孔光阑后再由第一光电二极管接收，通过移动精密平移台来变换光学延迟线的位置，使得第一光电二极管的和频光信号达到最大值，则此时两束待测超短脉冲初步达到时间同步；调节光学延迟线，使得和频光信号为最大值的一半，检测该处和频光信号的时间稳定性，以实现对时间同步稳定性的监控。调节光学延迟线，当两待测超短脉冲达到时间同步时，和频光信号达到最大值，此时两脉冲实现了飞秒量级的时间同步。图2的结果表明，两束待测脉冲的RMS时间抖动为3fs。
第三步，第二束待测超短脉冲通过第二半透半反镜透射，再经半波片达到合束器，第一束待测超短脉冲通过第一半透半反镜反射后达到所述的合束器，合束后的两束待测超短脉冲经过四分之一波片后抵达偏振分束器，经偏振分束器分为反射光和透射光，反射光投射到第二光电二极管上，透射光投射到第三光电二极管上，第二光电二极管和第三光电二极管输出的信号均进入减法器。在减法器输出的信号为0时，监测该处输出信号在1小时的稳定性，测量结果如图3所示，曲线中出现的“平台”是由示波器的触发电平引起的，开环状态下1小时内可将同步范围稳定在三个波长以内。采用闭环反馈控制，将时间同步稳定在亚飞秒量级。
第四步，由减法器输出的电压信号判断两束待测超短脉冲的时间同步情况，在两束待测超短脉冲初步达到时间同步后，进一步精确调节光学延迟线的位置，若减法器输出信号为0，则两束待测超短秒冲达到高精密时间同步，时间同步精度能够达到300as。
本发明的测量装置和测量方法能够实现多束超短脉冲的时间同步测量与稳定性监控，对于实现超短脉冲高效相干组束具有重要的意义。
Claims (8)
1.一种超短脉冲时间同步的测量装置，其特征在于，该测量装置包括有光学延迟线、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一反射镜、透镜、非线性晶体、小孔光阑、第一光电二极管、半波片、合束器、四分之一波片、偏振分束器、第二光电二极管、第三光电二极管和减法器；
所述的光学延迟线由两块反射镜组成并设置在精密平移台上，该两块反射镜垂直放置，所述的精密平移台沿光束入射方向前后移动；
两束待测的超短脉冲激光平行入射，第一束待测超短脉冲依次经过光学延迟线和第一半透半反镜，经所述的第一半透半反镜透射后垂直地入射至所述的透镜，第二束待测超短脉冲先经第二半透半反镜反射后再经第一反射镜反射垂直地入射至所述的透镜中，入射至所述透镜中的第一束待测超短脉冲和第二待测超短脉冲相互平行，经过所述透镜聚焦的两束待测超短脉冲入射至所述的非线性晶体，由非线性晶体出射两束待测超短脉冲的倍频光以及和频光，所述的小孔光阑阻挡住两束待测超短脉冲的倍频光但容许和频光通过，两束待测超短脉冲的和频光入射至所述的第一光电二极管中；
所述第二束待测超短脉冲经第二半透半反镜透射后经过所述的半波片，透过半波片的第二待测超短脉冲入射至所述的合束器中，所述的第一束待测超短脉冲经所述的第一半透半反镜反射后入射至所述的合束器中，经过所述合束器的第一束待测超短脉冲和第二束待测超短脉冲再通过所述的四分之一波片入射至所述的偏振分束器中，经偏振合分束器分束后分别入射至所述的第二光电二极管和第三光电二极管，所述的第二光电二极管和第三光电二极管均连接于所述的减法器，由减法器的输出电压信号判断两束待测超短脉冲的时间同步情况。
2.根据权利要求1所述的一种超短脉冲时间同步的测量装置，其特征在于，所述第一束待测超短脉冲和第二束待测超短脉冲的光束行进方向为z轴，x轴为与光束行进方向垂直的面内的水平轴，所述的半波片的光轴与x轴呈45度，所述的四分之一波片的光轴与x轴呈45度。
3.根据权利要求1所述的一种超短脉冲时间同步的测量装置，其特征在于，所述的非线性晶体包括偏磷酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)。
4.根据权利要求1所述的一种超短脉冲时间同步的测量装置，其特征在于，判断两束待测超短脉冲的时间同步情况的方法为：移动光学延迟线，使得第一光电二极管获得和频光信号的最大值，使两束待测超短脉冲初步达到时间同步；进一步调节光学延迟线，若减法器输出信号为0，则两束超短脉冲达到高精度时间同步。
5.根据权利要求4所述的一种超短脉冲时间同步的测量装置，其特征在于，两束所述的待测超短脉冲的同步精度为300as。
6.一种利用权利要求1所述的测量装置实现两束待测超短脉冲时间同步的测量方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：
第一步，组装完成超短脉冲时间同步的测量装置；
第二步，将第一束待测超短脉冲经过光学延迟线、第一半透半反镜后垂直地入射到所述的透镜中，第二束超短待测脉冲经过第二半透半反镜和第一反射镜后垂直地入射到所述的透镜中，两束待测超短脉冲相互平行地入射到所述的透镜上，经所述的透镜聚焦的两束待测超短脉冲入射到所述的非线性晶体中，由非线性晶体出射的光束通过小孔光阑后再由第一光电二极管接收，通过移动精密平移台来变换光学延迟线的位置，使得第一光电二极管的和频光信号达到最大值，则此时两束待测超短脉冲初步达到时间同步；
第三步，第二束待测超短脉冲通过第二半透半反镜透射，再经半波片达到合束器，第一束待测超短脉冲通过第一半透半反镜反射后达到所述的合束器，合束后的两束待测超短脉冲经过四分之一波片后抵达偏振分束器，经偏振分束器分为反射光和透射光，反射光投射到第二光电二极管上，透射光投射到第三光电二极管上，第二光电二极管和第三光电二极管输出的信号均进入减法器；
第四步，由减法器输出的电压信号判断两束待测超短脉冲的时间同步情况，在两束待测超短脉冲初步达到时间同步后，进一步精确调节光学延迟线的位置，若减法器输出信号为0，则两束待测超短脉冲达到高精密时间同步，时间同步精度能够达到300as。
7.根据权利要求6所述的实现两束待测超短脉冲时间同步的方法，其特征在于，在所述第二步中，调节光学延迟线，使得和频光信号为最大值的一半，检测该处和频光信号的时间稳定性，以实现对时间同步稳定性的监控。
8.根据权利要求6所述的实现两束待测超短脉冲时间同步的方法，其特征在于，在所述第三步中，在减法器输出的信号为0时，监测该处输出信号在1小时的稳定性，在开环状态下1小时内可将同步范围稳定在三个波长以内，若采用闭环控制，则将时间同步稳定在亚飞秒量级。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |