CN106017698A - 超短脉冲宽度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲宽度测量装置及其测量方法，该装置包括CCD探测器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一分束片、第二分束片、聚焦透镜和步进平台，本发明可对任意方向的入射的超短脉冲的宽度实时测量，具有光路调节简化、适用的光谱范围宽的特点。

Description

超短脉冲宽度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光脉冲宽度测量，特别是一种超短脉冲宽度的测量装置及其测量方法。

背景技术

由于超短脉冲极高的光强和极短的脉宽，因此被广泛的用于研究各种超快现象及强场下的物理行为，如快点火激光核聚变、分子弛豫和超快动力学等。而超短脉冲技术的进步与脉宽测量技术的发展是分不开的，因此研究测量的超短激光脉冲新技术，了解脉冲宽度、相位及形状信息，是超快技术研究中十分重要的内容。目前测量激光脉冲的普遍方法是自相关法、光学频率光栅开关法(FROG)和自参考光谱位相相干电场重建法(SPIDER)。总体思路为：首先把入射光分为两束，让其中一束光通过一个延迟线，然后再把这两束光合并，并借助倍频晶体发生相互作用，得到强度或者光谱信息，然后用不同的方法得到入射光的信息。但是两束光的相互作用是利用非线性晶体来实现的，这一过程较为复杂，不易操作。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种超短脉冲宽度测量装置，该装置利用光的干涉效应来实现的超短脉冲宽度测量的方便化测量。可对任意方向的入射的超短脉冲的宽度实时测量，具有光路调节简化、适用的光谱范围宽的特点。

本发明的技术方案如下：

一种超短脉冲宽度测量装置，包括CCD探测器，其特征在于：还包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一分束片、第二分束片、聚焦透镜和步进平台，所述的第三平面反射镜、第四平面反射镜置于所述的步进平台上，沿待测超短脉冲方向依次是所述的第一平面反射镜、第二平面反射镜和第一分束片，该第一分束片将所述的待测超短脉冲光分为第一光束和第二光束：第一束光经所述的第三平面反射镜、第四平面反射镜后经所述的第二分束片、聚焦透镜进入CCD探测器，第二束光经所述的第五平面反射镜、第六平面反射镜、第二分束片、聚焦透镜进入CCD探测器，所述的第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一分束片和第二分束片与光路成45°，所述的步进平台由高精度步进电机带动，移动方向平行于第一光束的方向，所述的CCD探测器的CCD探测面位置所述的聚焦透镜的焦面。

利用上述超短脉冲宽度测量装置测量超短脉冲宽度的方法，该方法包括下列步骤：

1)调节所述的第一平面反射镜和第二平面反射镜，使待测的超短脉冲光从第二平面反射镜沿水平方向出射，将所述的步进平台的移动方向与第一光束方向平行，调节所述的聚焦透镜与第一光束和第二光束重合后的光束垂直，将所述的CCD探测器置于聚焦透镜的焦面处；

2)开启所述的步进平台，所述的步进平台每动一步所述的CCD探测器就进行一次测量，最后在所述的CCD的显示屏上得到干涉强度关于光程差的曲线；

3)首先将干涉强度关于光程差的曲线换算成干涉强度关于延时的曲线I(τ)，然后再将曲线I(τ)的波形斜率变化点作为I(τ)包络的数据点，采用拉格朗日插值法对这些数据点进行拟合，可得到I(τ)包络，计算得到I(τ)包络的宽度(T_FWHM)_detector后，根据公式求出输入的超短脉冲的脉宽(T_FWHM)_in，其中C为已知啁啾参量。

本发明具有以下有益效果：

本发明没有使用非线性晶体，利用的是光的干涉效应测量超短脉冲宽度，本发明可实时测量，具有适用的光谱范围宽的特点；

本发明在CCD探测器之前加了一个聚焦透镜，使得两束光在平行但不重合的情况下也能发生干涉进行测量，光路调节进一步简化；

通过第一平面反射镜和第二平面反射镜的调节，可对任意方向的入射的超短脉冲进行测量。

附图说明

图1是本发明超短脉冲宽度测量装置的光路结构示意图

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，但不应以此限制发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明超短脉冲宽度测量装置的光路结构示意图，由图可见，本发明超短脉冲宽度测量装置包括CCD探测器10，还包括第一平面反射镜1、第二平面反射镜2、第三平面反射镜5、第四平面反射镜6、第五平面反射镜7、第六平面反射镜8、第一分束片3、第二分束片4、聚焦透镜9和步进平台11，所述的第三平面反射镜5、第四平面反射镜6置于所述的步进平台11上，沿待测超短脉冲方向依次是所述的第一平面反射镜1、第二平面反射镜2和第一分束片3，该第一分束片3将所述的待测超短脉冲光分为第一光束和第二光束：第一束光经所述的第三平面反射镜5、第四平面反射镜6后经所述的第二分束片4、聚焦透镜9进入CCD探测器10，第二束光经所述的第五平面反射镜7、第六平面反射镜8、第二分束片4、聚焦透镜9进入CCD探测器10，所述的第一平面反射镜1、第二平面反射镜2、第三平面反射镜5、第四平面反射镜6、第五平面反射镜7、第六平面反射镜8、第一分束片3和第二分束片4与光路成45°，所述的步进平台11由高精度步进电机带动，移动方向平行于第一光束的方向，所述的CCD探测器10的CCD探测面位置所述的聚焦透镜9的焦面。

所述的超短脉冲宽度测量装置测量超短脉冲宽度的方法，该方法包括下列步骤：

1)调节所述的第一平面反射镜1和第二平面反射镜2，使待测的超短脉冲光从第二平面反射镜2沿水平方向出射，将所述的步进平台11的移动方向与第一光束方向平行，调节所述的聚焦透镜9与第一光束和第二光束重合后的光束垂直，将所述的CCD探测器10置于聚焦透镜9的焦面处；

2)开启所述的步进平台11，所述的步进平台11每动一步所述的CCD探测器10就进行一次测量，最后在所述的CCD的显示屏上得到干涉强度关于光程差的曲线；

3)首先将干涉强度关于光程差的曲线换算成干涉强度关于延时的曲线I(τ)，然后再将曲线I(τ)的波形斜率变化点作为I(τ)包络的数据点，采用拉格朗日插值法对这些数据点进行拟合，可得到I(τ)包络，计算得到I(τ)包络的宽度(T_FWHM)_detector后，根据公式求出输入的超短脉冲的脉宽(T_FWHM)_in，其中C为已知啁啾参量。

图1中第三平面反射镜5、第四平面反射镜6、第五平面反射镜7、第六平面反射镜8、第一分束片3和第二分束片4构成一种迈克尔逊干涉仪，本发明测量所涉及的物理过程实质可以看作：待测的啁啾高斯光脉冲经过一个迈克尔逊干涉仪分为相等的仅有一个延迟的两束光的干涉过程。本发明的工作原理如下：

首先假设进入测量系统的是有初始啁啾的高斯光脉冲：

$E_{in}\left(t\right)=\exp (-\frac{1+iC}{2}\frac{t^2}{t_0^2}-{\mathrm{i\ω}}_{0}t)---\left(1\right)$

其中，C是啁啾参量,t₀是脉冲的半宽度(峰值强度的1/e)，ω₀为角频率。迈克尔逊干涉仪使得两个脉冲产生一个时延τ，此时干涉光脉冲瞬时强度可以表示为：

$\begin{array}{c}{I}_{total}\left(t\right)=\frac{E_0^2}{2}{|\exp \[-\frac{1+iC}{2}\frac{{(t-\mathrm{\τ}/2)}^2}{t_0^2}-{\mathrm{i\ω}}_0(t-\mathrm{\τ}/2)\]+\exp \[-\frac{1+iC}{2}\frac{{(t+\mathrm{\τ}/2)}^2}{t_0^2}-{\mathrm{i\ω}}_0(t+\mathrm{\τ}/2)\]|}^2\\ =\frac{E_0^2}{2}\{\exp \[-\frac{{(t-\mathrm{\τ}/2)}^2}{t_0^2}\]+\exp \[-\frac{{(t+\mathrm{\τ}/2)}^2}{t_0^2}\]+2\exp (-\frac{t^2+\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{4}}{t_0^2})\cos \[\mathrm{\τ}(\frac{Ct}{t_0^2}+{\mathrm{\ω}}_0)\]\}\end{array}---\left(2\right)$

CCD探测器10接收到的强度正比于I_total(t)在时间上的积分：

$I\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{I}_{total}\left(t\right)dt=E_0^2{t}_0\sqrt{\mathrm{\π}}\[1+\exp (-\frac{{\mathrm{\τ}}^2(1+C^2)}{4t_0^2})cos\left({\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}\right)\]---\left(3\right)$

由上式可知I(τ)的包络的半高全宽为：

${\left(T_{FWHM}\right)}_{\det ector}=1.665\sqrt{\frac{4}{1+C^2}}{t}_0=\frac{2}{\sqrt{1+C^2}}{\left(T_{FWHM}\right)}_{in}---\left(4\right)$

控制高精度步进电机11来该变两个脉冲之间的延迟，让其中一个脉冲对另一个脉冲进行扫描，在扫描中得到I(τ)曲线。

在计算I(τ)曲线的包络过程中，把I(τ)曲线的波形斜率变化点作为I(τ)包络的数据点，其中斜率由正变负的点是I(τ)的上包络，斜率由负变正的点是I(τ)的下包络。采用拉格朗日插值法对这些数据点进行拟合，得到I(τ)的包络。计算得到I(τ)包络的宽度(T_FWHM)_detector后，根据公式(4)反推出输入的超短脉冲的脉宽(T_FWHM)_in。

这里是以高斯脉冲为例进行理论推导的，在实际过程中，所得到的I(τ)包络的宽度与具体的脉冲波形有关。

实验表明，本发明可对任意方向的入射的超短脉冲的宽度实时测量，具有光路调节简化、适用的光谱范围宽的特点。

Claims (2)

1.一种超短脉冲宽度测量装置，包括CCD探测器(10)，其特征在于：还包括第一平面反射镜(1)、第二平面反射镜(2)、第三平面反射镜(5)、第四平面反射镜(6)、第五平面反射镜(7)、第六平面反射镜(8)、第一分束片(3)、第二分束片(4)、聚焦透镜(9)和步进平台(11)，所述的第三平面反射镜(5)、第四平面反射镜(6)置于所述的步进平台(11)上，沿待测超短脉冲方向依次是所述的第一平面反射镜(1)、第二平面反射镜(2)和第一分束片(3)，该第一分束片(3)将所述的待测超短脉冲光分为第一光束和第二光束：第一束光经所述的第三平面反射镜(5)、第四平面反射镜(6)后经所述的第二分束片(4)、聚焦透镜(9)进入CCD探测器(10)，第二束光经所述的第五平面反射镜(7)、第六平面反射镜(8)、第二分束片(4)、聚焦透镜(9)进入CCD探测器(10)，所述的第一平面反射镜(1)、第二平面反射镜(2)、第三平面反射镜(5)、第四平面反射镜(6)、第五平面反射镜(7)、第六平面反射镜(8)、第一分束片(3)和第二分束片(4)与光路成45°，所述的步进平台(11)由高精度步进电机带动，移动方向平行于第一光束的方向，所述的CCD探测器(10)的CCD探测面位置所述的聚焦透镜(9)的焦面。

2.利用权利要求1所述的超短脉冲宽度测量装置测量超短脉冲宽度的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)调节所述的第一平面反射镜(1)和第二平面反射镜(2)，使待测的超短脉冲光从第二平面反射镜(2)沿水平方向出射，将所述的步进平台(11)的移动方向与第一光束方向平行，调节所述的聚焦透镜(9)与第一光束和第二光束重合后的光束垂直，将所述的CCD探测器(10)置于聚焦透镜(9)的焦面处；

2)开启所述的步进平台(11)，所述的步进平台(11)每动一步所述的CCD探测器(10)就进行一次测量，最后在所述的CCD的显示屏上得到干涉强度关于光程差的曲线；

3)首先将干涉强度关于光程差的曲线换算成干涉强度关于延时的曲线I(τ)，然后再将曲线I(τ)的波形斜率变化点作为I(τ)包络的数据点，采用拉格朗日插值法对这些数据点进行拟合，可得到I(τ)包络，计算得到I(τ)包络的宽度(T_FWHM)_detector后，根据公式求出输入的超短脉冲的脉宽(T_FWHM)_in，其中C为已知啁啾参量。