CN106644408B - 同步扫描条纹相机时间分辨力测量装置及方法 - Google Patents
同步扫描条纹相机时间分辨力测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置及方法，旨在解决传统测试方法置信度差的问题。装置包括飞秒激光器、第一分光镜、快二极管、扩束镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜和测长干涉仪；第一分光镜设置在飞秒激光器的输出光路上，快二极管设置在第一分光镜的透射光路上，扩束镜设置在第一分光镜的反射光路上，第二分光镜设置在扩束镜的输出光路上，第一反射镜设置在第二分光镜的透射光路上，第二反射镜设置在第二分光镜的反射光路上；测长干涉仪设置在第二反射镜的正后方，用于测量第二反射镜沿其所在光路方向的移动距离；所述第二反射镜为双面反射镜。本发明能够实现高时间分辨同步扫描条纹相机的分辨力的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属光电检测领域，涉及条纹相机时间分辨力的测量装置及测试方法，尤其涉及同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置及测试方法。
背景技术
条纹相机是同时具备超高时间分辨与高空间分辨的唯一高端科学测量与诊断仪器，是实现微观和超快过程探测的必要手段，对于基础前沿科学研究和重大原始性创新研究具有重意义。同步扫描条纹相机属于条纹相机中的一种，其可以测试弱周期光场的瞬时变化。在许多基础科学和应用科学的研究中，如光合作用机理的研究、激子迁移、电子自旋驰豫、电荷转移、能量转移和分子振动等过程的研究都要涉及到超短弱光现象的诊断。同步扫描的条纹相机是对光激发导致的分子结构变化、电子能量传递、分子组成的复杂性、电子质子传递研究的有力工具。随着我国同步扫描条纹相机的研制水平不断提高，对同步扫描条纹相机的时间分辨力的标定也提出了新的挑战，新标定方法的探索和高精度的标定装置研制十分必要。
传统测试方法：同步扫描条纹相机时间分辨力的测量通常是采用重频激光器产生的窄脉冲照射条纹相机的狭缝，先使条纹相机在静态工作模式下采集条纹像，然后使条纹相机在扫描模式下采集条纹像，比较两组条纹像的变化来获取条纹相机的分辨力。由于环境背景、成像质量、电路噪声、曝光时间等多种因素的影响，甚至有时会出现动态扫描时比静态获取的条纹像窄的现象，采用这种方法测量获取的同步条纹相机的时间分辨力置信度差。
发明内容
基于上述背景，本发明提出了一种同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置及方法，以解决传统测试方法置信度差的问题，极大地提高了测试精度。
本发明技术方案是：
同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置，其特殊之处在于：它包括飞秒激光器、第一分光镜、快二极管、扩束镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜和测长干涉仪；所述第一分光镜设置在飞秒激光器的输出光路上，快二极管设置在第一分光镜的透射光路上，扩束镜设置在第一分光镜的反射光路上，第二分光镜设置在扩束镜的输出光路上，第一反射镜设置在第二分光镜的透射光路上，第二反射镜设置在第二分光镜的反射光路上；测长干涉仪设置在第二反射镜正后方，用于测量第二反射镜沿其所在光路方向的移动距离；所述第二反射镜为双面反射镜；测量时，所述快二极管与待测量条纹相机相连，用于触发待测量条纹相机；所述扩束镜将飞秒激光束进行扩束，使激光束覆盖条纹相机狭缝；所述第二分光镜的位置在待测量条纹相机的狭缝正前方，确保经第二分光镜分束后再经第一反射镜反射和第二反射镜反射后形成的两束光脉冲序列进入待测量条纹相机狭缝；；所述脉冲序列的时间间隔随着所述第二反射镜沿其所在光路方向移动而改变；所述脉冲序列的时间间隔变化通过测长干涉仪测量间接获取。
上述飞秒激光器和第一分光镜之间的光路上设置有光电隔离器，以防止激光器输出的激光经后续光学元件后返回激光器致使激光器损坏。
上述第二分光镜和第一反射镜之间的光路上设置有波片，设置波片的目的是为了改善同源激光束的偏振方向，防止光束干涉，以进一步提高测量精度。
采用上述测量装置测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法一，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)开启飞秒激光器输出脉冲周期为T的脉冲激光；
2)所述脉冲激光镜经第一分光镜分光后，透射光注入快二极管，触发待测量条纹相机；反射光经扩束镜后，形成准直的平行光；
3)所述平行光经第二分光镜后分成两束：透射光由第一反射镜自准反射后再经所述第二分光镜反射后进入待测量条纹相机狭缝；反射光经第二反射镜自准反射后，再次进入第二分光镜，经第二分光镜透射后也进入待测量条纹相机狭缝；进入待测量条纹相机狭缝的这两束激光形成两组脉冲序列；
4)沿第二反射镜所在光路移动第二反射镜，使所述两组脉冲序列的时间间隔为t，将此时第二反射镜的位置记为初始位置；
5)沿第二反射镜所在光路移动第二反射镜，相对于初始位置，第二反射镜的移动距离为ΔL时，所述时间间隔为t'，相应的时间间隔的变化量为Δt，Δt＝|t-t'|＝2ΔL/c，式中，c为光速；
6)不断调整第二反射镜的移动步长，同时利用待测量条纹相机在动态扫描模式下测量第二反射镜移动前后的时间间隔变化量Δt，直至待测量条纹相机刚好能分辨，此时对应的时间间隔的变化量即为待测条纹相机的时间分辨力。
上述步骤5)中第二反射镜的移动距离ΔL通过测长干涉仪测量。
测量时，对上述初始位置对应的脉冲序列的时间间隔t事先标定。
采用上述的测量装置测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法二，其特征在于：包括以下步骤：
1)开启飞秒激光器输出脉冲周期为T的脉冲激光；
2)所述脉冲激光镜经第一分光镜分光后，透射光注入快二极管，触发待测量条纹相机；反射光经扩束镜后，形成准直的平行光；
3)所述平行光经第二分光镜后分成两束：透射光经波片透射后，由第一反射镜自准反射后再次透过所述波片，最后经所述第二分光镜反射后进入待测量条纹相机狭缝；反射光经第二反射镜自准反射后，再次进入第二分光镜，经第二分光镜透射后也进入待测量条纹相机狭缝；进入待测量条纹相机狭缝的这两束激光形成两组脉冲序列；
4)沿第二反射镜的光路移动第二反射镜，使所述两组脉冲序列的时间间隔为t，将此时第二反射镜的位置记为初始位置；
5)沿第二反射镜的光路移动第二反射镜，相对于初始位置，第二反射镜的移动距离为ΔL时，所述时间间隔为t'，相应的时间间隔的变化量为Δt，Δt＝|t-t'|＝2ΔL/c，式中，c为光速；
6)不断调整第二反射镜的移动步长，同时利用待测量条纹相机在动态扫描模式下测量第二反射镜移动前后的时间间隔变化量Δt，直至待测量条纹相机刚好能分辨第二反射镜的移动步长，此时对应的时间间隔的变化量即为待测条纹相机的时间分辨力。
上述步骤5)中第二反射镜的移动距离ΔL通过测长干涉仪测量。
测量时，对上述初始位置对应的脉冲序列的时间间隔t事先标定。
本发明的优点是：
1、本发明通过对同源激光器分光，产生两个激光脉冲序列，通过第二反射镜(双面反射镜)的移动来调节两个光路的光程，从而使两个激光脉冲序列的脉冲间隔不断变化，并通过测长干涉仪精确控制光程的变化量，进而获取两个脉冲间隔的变化量。由于测长干涉仪的精度可控制在微米量级，所以两个脉冲间隔的变化量可控制在飞秒量级。另外，本发明中两个脉冲序列的脉冲间隔可大于激光器的脉宽，有效减小了激光器本身脉宽对测量结果的影响，使飞秒量级的时间分辨力可实现，能够实现高时间分辨同步扫描条纹相机的分辨力的高精度测量。
2、本发明通过在第二分光镜和第一反射镜之间设置波片，有效改善了同源激光束的偏振方向，防止不同光束之间互相干涉，进一步提高了测量的精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1-飞秒激光器、2-光电隔离器、3-第一分光镜、4-快二极管、5-扩束镜、6-第二分光镜、7-第一反射镜、8-波片、9-第二反射镜、10-测长干涉仪、11-条纹相机。
图2是飞秒激光器所产生的脉冲激光的示意图；
图3是本发明所产生的两组脉冲序列的示意图；
图中：T为飞秒激光器的重频周期，t为本发明所产生的脉冲序列的时间间隔。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置包括依次设置在同一光路上的飞秒激光器1、光电隔离器2、第一分光镜3和快二极管4，沿第一分光镜3的反射光路依次设置有扩束镜5、第二分光镜6、波片8和第一反射镜7，以及沿第二分光镜6的反射光路依次设置有第二反射镜9和测长干涉仪10。其中第二反射镜9为双面反射镜，测长干涉仪10用于测量第二反射镜9沿其所在光路方向的移动距离。
在使用本装置进行测量时，将快二极管4与待测量条纹相机11的倍频器相连，用于触发待测量条纹相机；调整第二分光镜6的位置使其位于待测量条纹相机11的狭缝正前方，确保第二分光镜6分束后经第一反射镜反射7和第二反射镜9反射后形成的两束光脉冲序列进入待测量条纹相机的狭缝。
本发明的工作原理是：
本发明利用飞秒激光器、光电隔离器、分光镜和反射镜等的组合，以改变两路同源激光进入待测量条纹相机扫描狭缝时的光程，从而产生不同时间间隔的两路飞秒脉冲激光序列；通过不断调整移动第二反射镜，同时使用待测量条纹相机在动态扫描模式下测量第二反射镜9移动前后的时间间隔变化Δt，当条纹相机刚好能分辨第二反射镜9的移动步长时，对应的时间间隔变化即为待测条纹相机的时间分辨力。
本发明同时提供了基于上述测量装置测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，包括以下步骤：
1)开启飞秒激光器，输出脉冲周期为T的脉冲激光，如图2所示；
2)所述脉冲激光镜经光电隔离器2耦合后，通过第一分光镜3分光：透射光注入快二极管4，触发待测量条纹相机11；反射光经扩束镜5后，形成准直的平行光；
3)所述平行光经第二分光镜6后分成两束：透射光经波片8透射后，再由第一反射镜7自准反射后再次透过波片8，最后经第二分光镜6反射后进入待测量条纹相机狭缝；反射光经第二反射镜9自准反射后，再次进入第二分光镜6，经第二分光镜6透射后也进入待测量条纹相机狭缝；进入待测量条纹相机狭缝的这两束激光形成两束脉冲序列，如图3所示；
4)沿第二反射镜9的光路移动第二反射镜，使所述两束脉冲序列的时间间隔为t(对t可进行提前标定)，将此时第二反射镜的位置记为初始位置；
5)沿第二反射镜的光路移动第二反射镜，相对于初始位置，第二反射镜的移动距离为ΔL时(ΔL通过测长干涉仪精确测量)，所述时间间隔为t'，相应的时间间隔的变化量为Δt，Δt＝|t-t'|＝2ΔL/c，式中，c为光速；
6)不断调整第二反射镜的移动步长，同时利用待测量条纹相机在动态扫描模式下测量第二反射镜移动前后的时间间隔变化量Δt，直至待测量条纹相机刚好能分辨，此时对应的时间间隔的变化量即为待测条纹相机的时间分辨力。
Claims (9)
1.同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置，其特征在于：包括飞秒激光器、第一分光镜、快二极管、扩束镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜和测长干涉仪；
所述第一分光镜设置在飞秒激光器的输出光路上，快二极管设置在第一分光镜的透射光路上，扩束镜设置在第一分光镜的反射光路上，第二分光镜设置在扩束镜的输出光路上，第一反射镜设置在第二分光镜的透射光路上，第二反射镜设置在第二分光镜的反射光路上；测长干涉仪设置在第二反射镜的正后方，用于测量第二反射镜沿其所在光路方向的移动距离；所述第二反射镜为双面反射镜；
测量时，所述快二极管与待测量条纹相机相连，用于触发待测量条纹相机；所述第二分光镜位于待测量条纹相机狭缝的正前方，确保经第二分光镜分束后经第一反射镜反射和第二反射镜反射后形成的两束光脉冲序列进入待测量条纹相机狭缝；所述脉冲序列的间隔通过所述第二反射镜沿其所在光路方向移动而改变；所述脉冲序列的时间间隔变化量通过测长干涉仪测量获取。
2.根据权利要求1所述的同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置，其特征在于：所述飞秒激光器和第一分光镜之间的光路上设置有光电隔离器。
3.根据权利要求1或2所述的同步扫描条纹相机时间分辨力的测量装置，其特征在于：在第二分光镜和第一反射镜之间的光路上设置有波片。
4.采用权利要求1或2所述的测量装置测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)开启飞秒激光器输出脉冲周期为T的脉冲激光；
2)所述脉冲激光镜经第一分光镜分光后，透射光注入快二极管，触发待测量条纹相机；反射光经扩束镜后，形成准直的平行光；
3)所述平行光经第二分光镜后分成两束：透射光经第一反射镜自准反射后再经所述第二分光镜反射后进入待测量条纹相机狭缝；反射光经第二反射镜自准反射后，再次进入第二分光镜，经第二分光镜透射后也进入待测量条纹相机狭缝；进入待测量条纹相机狭缝的这两束激光形成两组脉冲序列；
4)沿第二反射镜所在光路移动第二反射镜，使所述两组脉冲序列的时间间隔为t，将此时第二反射镜的位置记为初始位置；
5)沿第二反射镜所在光路移动第二反射镜，相对于初始位置，第二反射镜的移动距离为ΔL时，所述时间间隔为t'，相应的时间间隔的变化量为Δt，Δt＝|t-t'|＝2ΔL/c，式中，c为光速；
6)不断调整第二反射镜的移动步长，同时利用待测量条纹相机在动态扫描模式下测量第二反射镜移动前后的时间间隔变化量Δt，直至待测量条纹相机刚好能分辨第二反射镜的移动步长，此时对应的时间间隔的变化量即为待测条纹相机的时间分辨力。
5.根据权利要求4所述的测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，其特征在于：所述步骤5)中第二反射镜的移动距离ΔL通过测长干涉仪测量。
6.根据权利要求5所述的测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，其特征在于：测量时，对所述初始位置对应的脉冲序列的时间间隔t事先标定。
7.采用权利要求3所述的测量装置测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)开启飞秒激光器输出脉冲周期为T的脉冲激光；
2)所述脉冲激光镜经第一分光镜分光后，透射光注入快二极管，触发待测量条纹相机；反射光经扩束镜后，形成准直的平行光；
3)所述平行光经第二分光镜后分成两束：透射光经波片透射后，由第一反射镜自准反射后再次透过所述波片，最后经所述第二分光镜反射后进入待测量条纹相机狭缝；反射光经第二反射镜自准反射后，再次进入第二分光镜，经第二分光镜透射后也进入待测量条纹相机狭缝；进入待测量条纹相机狭缝的这两束激光形成两组脉冲序列；
4)沿第二反射镜的光路移动第二反射镜，使所述两组脉冲序列的时间间隔为t，将此时第二反射镜的位置记为初始位置；
5)沿第二反射镜的光路移动第二反射镜，相对于初始位置，第二反射镜的移动距离为ΔL时，所述时间间隔为t'，相应的时间间隔的变化量为Δt，Δt＝|t-t'|＝2ΔL/c，式中，c为光速；
6)不断调整第二反射镜的移动步长，同时利用待测量条纹相机在动态扫描模式下测量第二反射镜移动前后的时间间隔变化量Δt，直至待测量条纹相机刚好能分辨第二反射镜的移动步长，此时对应的时间间隔的变化量即为待测条纹相机的时间分辨力。
8.根据权利要求7所述的测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，其特征在于：所述步骤5)中第二反射镜的移动距离ΔL通过测长干涉仪测量。
9.根据权利要求8所述的测试同步扫描条纹相机时间分辨力的方法，其特征在于：测量时，对所述初始位置对应的脉冲序列的时间间隔t事先标定。
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