CN106855437B - 一种单发紫外超短脉冲脉宽测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单发紫外超短脉冲脉宽测量装置及方法，该方法基于紫外光脉冲和近红外脉冲的强度互相关，通过一个脉宽已知的近红外超短脉冲和紫外光超短脉冲的差频过程来达到测量紫外超短脉冲脉宽的目的，实现该方法装置的结构简单、便于操作；可用于低重复频率激光脉冲的测量。
Description
技术领域
本发明属于超快激光范畴，具体涉及一种单发紫外超短脉冲脉宽测量装置及方法。
背景技术
在超快光学领域，紫外超短脉冲激光是指波长处于100-400nm范围内，时间延续(即脉宽)在飞秒量级的激光。由于紫外光的单光子能量高，紫外超短脉冲在超快时间分辨光谱、激光加工等领域有着非常重要的应用。紫外光脉冲的脉宽是一个非常重要的物理量，在应用中人们需要知道其准确的脉冲宽度。基于二次谐波的强度自相关方法(自相关仪、FROG)是一类常用的激光脉宽测量方法，但是这类方法不适用于紫外波段，这是因为目前尚无在紫外区域满足二次谐波相位匹配条件的晶体。近些年，人们提出泵浦探测、双光子吸收等方法用于测量紫外超短脉冲脉宽，但是这些方法都是不适用于重复频率低(100Hz以下)的激光。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种单发紫外超短脉冲脉宽测量装置及方法，利用一个脉宽已知的近红外超短脉冲和紫外光超短脉冲的差频过程来达到测量紫外超短脉冲脉宽的目的；可用于低重复频率激光脉冲的测量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种紫外超短脉冲的脉宽测量装置，包括测量底板和激光器，所述测量底板上安装有三倍频器、双色分束镜、第一平移台、第二平移台、第一紫外光反射镜、第二紫外光反射镜、第三紫外光反射镜、第一近红外光反射镜、第二近红外光反射镜、第三近红外光反射镜、第四近红外光反射镜、第五近红外光反射镜和第六近红外光反射镜、非线性晶体、自相关仪和成像装置；其中，第一平移台上安装第一紫外光反射镜和第二紫外光反射镜，第二平移台上安装第一近红外光反射镜和第二近红外光反射镜；
激光器发射激光经过三倍频器出射紫外光脉冲和近红外光脉冲，紫外光脉冲经由双色分束镜反射，近红外光脉冲经由双色分束镜透射；
经由双色分束镜反射的紫外光脉冲经由第一紫外光反射镜、第二紫外光反射镜和第三紫外光反射镜依次反射，入射到非线性晶体内；
通过调节第六近红外光反射镜使其偏离近红外光脉冲的入射路径，经由双色分束镜透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜、第二近红外光反射镜、第三近红外光反射镜和第四近红外光反射镜依次反射，入射到非线性晶体内；
通过调节第六近红外光反射镜使其处于近红外光脉冲的入射路径上，经由双色分束镜透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜、第二近红外光反射镜、第三近红外光反射镜、第四近红外光反射镜、第六近红外光反射镜和第五近红外光反射镜，入射到自相关仪内。
一种应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，包括以下步骤：
步骤1，激光器发射激光，激光经由三倍频器出射紫外光脉冲和近红外光脉冲，紫外光脉冲经由双色分束镜反射，近红外光脉冲经由双色分束镜透射；
步骤2，经由双色分束镜反射的紫外光脉冲和经由双色分束镜透射的近红外光脉冲以一定角度入射到非线性晶体中，二者在非线性晶体内相交；
步骤3，调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，使得二者在非线性晶体中相交处的时间同步；
步骤4，调整非线性晶体的相位匹配角度，直到在成像装置上观察到紫外光脉冲和近红外光脉冲的差频信号；
步骤5，调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，对所述紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行校准，得到校准系数；
步骤6，根据步骤5得到的校准系数和步骤4中的差频信号，得到紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp；
步骤7，测量近红外光脉冲的脉宽tp1；
步骤8，根据公式计算出紫外光脉冲宽度tp2。
应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，所述步骤2中的经由双色分束镜反射的紫外光脉冲和经由双色分束镜透射的近红外光脉冲以一定角度入射到非线性晶体中，二者在非线性晶体内相交；具体实现过程如下：
经由双色分束镜反射的紫外光脉冲经由第一紫外光反射镜、第二紫外光反射镜和第三紫外光反射镜依次反射，垂直入射到非线性晶体内；
调节第六近红外光反射镜使其偏离近红外光脉冲的入射路径，经由双色分束镜透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜、第二近红外光反射镜、第三近红外光反射镜和第四近红外光反射镜依次反射，入射到非线性晶体内；
通过调节第三近红外光反射镜和第四近红外光反射镜使得近红外光脉冲与紫外光脉冲在非线性晶体内相交，夹角小于5°。
应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，所述步骤3中的调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程采用的方法为移动所述第一平移台或者第二平移台。
应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，所述步骤4中的调整非线性晶体的相位匹配角度，采用的方法为旋转非线性晶体，使得紫外光脉冲和近红外光脉冲在非线性晶体内满足差频过程的相位匹配条件。
应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，所述步骤5中的调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，对紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行校准，得到校准系数；具体包括以下步骤：
移动第一平移台或者第二平移台，记录第一平移台或者第二平移台移动的距离ΔL，测量成像装置上差频信号的移动距离ΔP，校准系数为2ΔL/(cΔP)，其中c为光速。
应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，所述步骤6中的根据步骤5得到的校准系数和步骤4中的差频信号，得到紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp；具体包括以下步骤:
对成像装置上的差频信号的横向光强分布进行高斯拟合，得到拟合函数，拟合函数的半高全宽乘以步骤5中得到的校准系数即为紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp。
应用所述的紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，所述步骤7中的测量近红外光脉冲的脉宽tp1，具体包括以下步骤：
通过调节第六近红外光反射镜使其处于近红外光脉冲的入射路径上，经由双色分束镜透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜、第二近红外光反射镜、第三近红外光反射镜、第四近红外光反射镜、第六近红外光反射镜和第五红近外光反射镜，入射到自相关仪内，利用自相关仪测量出近红外光脉冲的脉宽tp1。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明的方法基于紫外脉冲和近红外脉冲的强度互相关，通过一个脉宽已知的近红外超短脉冲和紫外超短脉冲的差频过程来达到测量紫外超短脉冲脉宽的目的；实现该方法的装置的结构简单、便于操作；可用于低重复频率激光脉冲的测量。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的实施例的实物图；
图3是紫外光脉冲和近红外光脉冲的差频信号图；
图4是本发明的实施例的校准直线图；
图5是紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关函数的半高全宽图；
图中各个标号含义：1—三倍频器，2—双色分束镜，3-第一平移台，4-第二平移台，5-第一紫外光反射镜，6-第二紫外光反射镜，7—第三紫外光反射镜，8—第一近红外光反射镜，9—第二近红外光反射镜，10-第三近红外光反射镜，11-第四近红外光反射镜，12-第五近红外光反射镜，13-第六近红外光反射镜，14-非线性晶体，15—自相关仪，16—成像装置。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。
具体实施方式
本发明的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置，参见图1和图2，包括测量底板和激光器，所述测量底板上安装有三倍频器1、双色分束镜2、第一平移台3、第二平移台4、第一紫外光反射镜5、第二紫外光反射镜6、第三紫外光反射镜7、第一近红外光反射镜8、第二近红外光反射镜9、第三近红外光反射镜10、第四近红外光反射镜11、第五近红外光反射镜12和第六近红外光反射镜13、非线性晶体14、自相关仪15和成像装置16；测量底板与其上安装的各个元器件均活动连接。其中，第一平移台3和第二平移台4均能够在测量底板上移动，第一平移台3上安装第一紫外光反射镜5和第二紫外光反射镜6，第二平移台4上安装第一近红外光反射镜8和第二近红外光反射镜9；
其中，激光器采用锁模飞秒激光，出射光中心波长为800nm。第六近红外光反射镜13通过可翻转镜架安装在测量底板上；非线性晶体14采用BBO晶体或者LBO晶体，厚度为0.5毫米；成像装置采用CCD或者CMOS。
应用所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，包括以下步骤：
步骤1，激光器发射激光，激光经由三倍频器1出射紫外光脉冲和近红外光脉冲，紫外光脉冲经由双色分束镜2反射，近红外光脉冲经由双色分束镜2透射；
步骤2，经由双色分束镜2反射的紫外光脉冲经由第一紫外光反射镜5、第二紫外光反射镜6和第三紫外光反射镜7依次反射，通过调节第三紫外光反射镜7使得紫外光脉冲垂直入射到非线性晶体14内；
调节第六近红外光反射镜13使其偏离近红外光脉冲的入射路径，即不阻挡近红外光脉冲传播，经由双色分束镜2透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜8、第二近红外光反射镜9、第三近红外光反射镜10和第四近红外光反射镜11依次反射，入射到非线性晶体14内；
通过调节第三近红外光反射镜10和第四近红外光反射镜11使得近红外光脉冲与紫外光脉冲在非线性晶体14内相交，夹角小于5°，夹角小于5°的目的是使得近红外光脉冲与紫外光脉冲在非线性晶体14内重合的距离足够长。
步骤3，移动第一平移台3或者第二平移台4调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，使得二者在非线性晶体14中相交处的时间同步；
步骤4，旋转非线性晶体14，使得紫外光脉冲和近红外光脉冲在非线性晶体14内满足差频过程的相位匹配条件，直到在成像装置16上观察到紫外脉冲和近红外脉冲的差频信号；
步骤5，移动第一平移台3或者第二平移台4，记录第一平移台3或者第二平移台4移动的距离ΔL，相应地测量成像装置16上差频信号的移动距离ΔP(以像素为单位)，计算2ΔL/(cΔP)即为校准系数(以飞秒/像素为单位)，其中c为光速；
步骤6，对成像装置16上的差频信号的横向光强分布进行高斯拟合，得到拟合函数，拟合函数的半高全宽(以像素为单位)乘以步骤5中获得的校准系数，即为紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关函数的半高全宽，即为紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp；
步骤7，通过调节第六近红外光反射镜13使其处于近红外光脉冲的入射路径上，经由双色分束镜2透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜8、第二近红外光反射镜9、第三近红外光反射镜10、第四近红外光反射镜11、第六近红外光反射镜13和第五近红外光反射镜12，入射到自相关仪15内，利用自相关仪15测量出近红外光脉冲的脉宽tp1；
步骤8，根据公式计算出紫外光脉宽tp2。
满足高斯分布的光脉冲强度可以表示为：
其中，I0为脉冲峰值强度，tp为脉冲宽度(半高全宽)。两个高斯光脉冲(脉冲宽度分别为tp1和tp2)的强度互相关可以表示为：
其中，I1(t)表示脉冲宽度为tp1的高斯光脉冲的强度；I2(t)脉冲宽度为tp2的高斯光脉冲的强度；∝表示正比；τ表示时间。
可见，强度互相关信号的时间宽度为根据此公式，只要知道近红外光的脉宽tp1和强度互相关信号的时间宽度τp，即可计算出紫外光脉冲的脉冲宽度。
实验分析
参见图3，图3表示所得差频信号的图像。本发明的方法能够获得紫外光脉冲和近红外光脉冲的差频信号，由于该差频信号的强度正比于紫外光脉冲和近红外光脉冲的互相关函数，差频信号的时间宽度即为互相关函数的半高全宽。图4中表示实验装置的校准直线，该直线的斜率即为校准系数。图5表示差频信号强度的高斯拟合，其半高全宽即为紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关函数的半高全宽。由自相关仪测得的近红外光脉冲的脉宽为55fs，因此通过计算得到紫外光脉冲的脉宽为140fs。
Claims (8)
1.一种单发紫外超短脉冲脉宽测量装置，包括测量底板和激光器，其特征在于，所述测量底板上安装有三倍频器(1)、双色分束镜(2)、第一平移台(3)、第二平移台(4)、第一紫外光反射镜(5)、第二紫外光反射镜(6)、第三紫外光反射镜(7)、第一近红外光反射镜(8)、第二近红外光反射镜(9)、第三近红外光反射镜(10)、第四近红外光反射镜(11)、第五近红外光反射镜(12)和第六近红外光反射镜(13)、非线性晶体(14)、自相关仪(15)和成像装置(16)；其中，第一平移台(3)上安装第一紫外光反射镜(5)和第二紫外光反射镜(6)，第二平移台(4)上安装第一近红外光反射镜(8)和第二近红外光反射镜(9)；
激光器发射激光经过三倍频器(1)出射紫外光脉冲和近红外光脉冲，紫外光脉冲经由双色分束镜(2)反射，近红外光脉冲经由双色分束镜(2)透射；
经由双色分束镜(2)反射的紫外光脉冲经由第一紫外光反射镜(5)、第二紫外光反射镜(6)和第三紫外光反射镜(7)依次反射，入射到非线性晶体(14)内；
通过调节第六近红外光反射镜(13)使其偏离近红外光脉冲的入射路径，经由双色分束镜(2)透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜(8)、第二近红外光反射镜(9)、第三近红外光反射镜(10)和第四近红外光反射镜(11)依次反射，入射到非线性晶体(14)内；
通过调节第六近红外光反射镜(13)使其处于近红外光脉冲的入射路径上，经由双色分束镜(2)透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜(8)、第二近红外光反射镜(9)、第三近红外光反射镜(10)、第四近红外光反射镜(11)、第六近红外光反射镜(13)和第五近红外光反射镜(12)，入射到自相关仪(15)内；
通过成像装置(16)观察紫外光脉冲和近红外光脉冲的差频信号。
2.一种应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，激光器发射激光，激光经由三倍频器(1)出射紫外光脉冲和近红外光脉冲，紫外光脉冲经由双色分束镜(2)反射，近红外光脉冲经由双色分束镜(2)透射；
步骤2，经由双色分束镜(2)反射的紫外光脉冲和经由双色分束镜透射的近红外光脉冲以一定角度入射到非线性晶体(14)中，二者在非线性晶体(14)内相交；
步骤3，调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，使得二者在非线性晶体(14)中相交处的时间同步；
步骤4，调整非线性晶体(14)的相位匹配角度，直到在成像装置(16)上观察到紫外光脉冲和近红外光脉冲的差频信号；
步骤5，调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，对所述紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行校准，得到校准系数；
步骤6，根据步骤5得到的校准系数和步骤4中的差频信号，得到紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp；
步骤7，测量近红外光脉冲的脉宽tp1；
步骤8，根据公式计算出紫外光脉冲宽度tp2。
3.如权利要求2所述的应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，所述步骤2中的经由双色分束镜(2)反射的紫外光脉冲和经由双色分束镜(2)透射的近红外光脉冲以一定角度入射到非线性晶体(14)中，二者在非线性晶体(14)内相交；具体实现过程如下：
经由双色分束镜(2)反射的紫外光脉冲经由第一紫外光反射镜(5)、第二紫外光反射镜(6)和第三紫外光反射镜(7)依次反射，垂直入射到非线性晶体(14)内；
调节第六近红外光反射镜(13)使其偏离近红外光脉冲的入射路径，经由双色分束镜(2)透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜(8)、第二近红外光反射镜(9)、第三近红外光反射镜(10)和第四近红外光反射镜(11)依次反射，入射到非线性晶体(14)内；
通过调节第三近红外光反射镜(10)和第四近红外光反射镜(11)使得近红外光脉冲与紫外光脉冲在非线性晶体(14)内相交，夹角小于5°。
4.如权利要求2所述的应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，所述步骤3中的调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程采用的方法为移动所述第一平移台(3)或者第二平移台(4)。
5.如权利要求2所述的应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，所述步骤4中的调整非线性晶体(14)的相位匹配角度，采用的方法为旋转非线性晶体(14)，使得紫外光脉冲和近红外光脉冲在非线性晶体(14)内满足差频过程的相位匹配条件。
6.如权利要求2所述的应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，所述步骤5中的调节紫外光脉冲或者近红外光脉冲的光程，对紫外超短脉冲的脉宽测量装置进行校准，得到校准系数；具体包括以下步骤：
移动第一平移台(3)或者第二平移台(4)，记录第一平移台(3)或者第二平移台(4)移动的距离ΔL，测量成像装置(16)上差频信号的移动距离ΔP，校准系数为2ΔL/(cΔP)，其中c为光速。
7.如权利要求2所述的应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，所述步骤6中的根据步骤5得到的校准系数和步骤4中的差频信号，得到紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp；具体包括以下步骤:
对成像装置(16)上的差频信号的横向光强分布进行高斯拟合，得到拟合函数，拟合函数的半高全宽乘以步骤5中得到的校准系数即为紫外光脉冲和近红外光脉冲的强度互相关信号的时间宽度τp。
8.如权利要求2所述的应用权利要求1所述的单发紫外超短脉冲脉宽测量装置进行脉宽测量的方法，其特征在于，所述步骤7中的测量近红外光脉冲的脉宽tp1，具体包括以下步骤：
通过调节第六近红外光反射镜(13)使其处于近红外光脉冲的入射路径上，经由双色分束镜(2)透射的近红外光脉冲经由第一近红外光反射镜(8)、第二近红外光反射镜(9)、第三近红外光反射镜(10)、第四近红外光反射镜(11)、第六近红外光反射镜(13)和第五红近外光反射镜(12)，入射到自相关仪(15)内，利用自相关仪(15)测量出近红外光脉冲的脉宽tp1。
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