CN107702797A - 可调谐脉冲序列发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐脉冲序列发生装置，包括防护盒以及设置在该防护盒内的平台，在所述防护盒上设有入射孔和出射孔，在所述平台上设有超连续谱产生模块、超连续谱展宽模块和超连续谱整形模块，其中，所述超连续谱展宽模块包括短时间窗口通道和长时间窗口通道，在所述超连续谱产生模块和超连续谱展宽模块之间设有可收折的反射镜一，在所述超连续谱展宽模块和超连续谱整形模块之间设有可收折的反射镜二。采用本发明提供的可调谐脉冲序列发生装置，能够产生时间窗口可选、脉冲序列时间间隔和时间跨度可调的超连续谱脉冲序列，结构新颖，易于实现，操作简单，时间分辨率高，调谐速度快。
Description
技术领域
本发明属于超快过程诊断技术领域，具体涉及一种可调谐脉冲序列发生装置。
背景技术
在超快时间分辨测量技术中，超连续谱是一种重要的探测方法。将聚焦的超短脉冲与非线性介质相互作用，当激光能量超过阈值后，经过介质后的激光就可以产生明显的光谱展宽，这样的超短激光脉冲可用于探测可重复发生的物理过程。然而有很多过程是一次性的，难以再现的，比如强激光作用下材料性质的变化。由于不同发次强激光脉冲存在差异，以及材料本身的结构与性质不同等，这些因素使得强激光作用下的材料性质不可逆，无法回复到最初的状态。此外，化学反应、生物生长等过程都面临这样的问题，当前的技术手段难以进行探测。
在很多情况下，人们关心的物理、化学等过程不仅发生极快，而且发生在极小的空间里。这就要求探测技术不但具有极高的时间分辨，还要求具有高的空间分辨能力。然而，目前用于超快二维成像的CCD和CMOS的时间分辨只有100ns，对应的读取速度仅为107/s的帧频。分幅相机和条纹相机虽已经广泛应用于超快物理过程的诊断，但是，研究表明基于光电转换的相机受制于空间电荷和微通道板的加工工艺，时空分辨很难得到进一步提升；且此类设备极易受到强中子、伽马射线、电磁噪声等的干扰；仅利用现有的成像设备无法在更精细的尺度上给出随时间演化的超快过程。因此，研发一种全新的超快诊断技术势在必行。面对无法重复的过程，超连续谱啁啾展宽是一种非常实用的探测工具。做为探针光，它可以给出超快过程二维空间分布随时间的演化过程。
基于超连续谱的全光分幅技术是实现极快过程、极小空间探测的重要途径，已成为现阶段探测技术发展的趋势。其内涵是将不同时间内的二维空间演化信息在空间上进行分离，然后利用CCD等记录设备进行记录。而此技术的关键是对超连续谱探针光进行分割、整形。利用特殊的方法将超连续谱分割成包含不同波长成分的子脉冲序列，每个子脉冲序列对应不同的时刻。当子脉冲序列通过待测物体后，便携带了待测信息。为了适应不同超快时空演化过程的需要，产生时间窗口可选、时间间隔可调的超连续谱脉冲序列是关键，因此，研发一种能够产生时间窗口可选、脉冲序列时间间隔可调的超连续谱脉冲序列的发生装置成为当务之急。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种可调谐脉冲序列发生装置，能够产生时间窗口可选、脉冲序列时间间隔和时间跨度可调的超连续谱脉冲序列。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种可调谐脉冲序列发生装置，包括防护盒以及设置在该防护盒内的平台，在所述防护盒上设有入射孔和出射孔，其要点在于：在所述平台上设有超连续谱产生模块、超连续谱展宽模块和超连续谱整形模块，其中，所述超连续谱展宽模块包括短时间窗口通道和长时间窗口通道，在所述超连续谱产生模块和超连续谱展宽模块之间设有可收折的反射镜一，在所述超连续谱展宽模块和超连续谱整形模块之间设有可收折的反射镜二；当反射镜一和反射镜二展开时，从入射孔入射的超短脉冲激光经超连续谱产生模块产生超连续谱白光，该超连续谱白光经反射镜一进入短时间窗口通道展宽后形成超连续谱一，该超连续谱一经反射镜二进入超连续谱整形模块整形后形成一串子脉冲序列；当反射镜一和反射镜二收折时，从入射孔入射的超短脉冲激光经超连续谱产生模块产生超连续谱白光，该超连续谱白光进入长时间窗口通道展宽后形成超连续谱二，该超连续谱二进入超连续谱整形模块整形后形成一串子脉冲序列；其中，所述超连续谱一的时间跨度小于超连续谱二的时间跨度。
采用以上结构，反射镜一和反射镜二能够根据实际需求展开或收折，使超短脉冲激光经超连续谱产生模块产生超连续谱白光可以选择进入短时间窗口或长时间窗口；超连续谱白光在短时间窗口通道内经色散后形成啁啾展宽的超连续谱一，其时间跨度为ps量级(10-12秒)，一般为几十ps，超连续谱白光在长时间窗口通道内经色散后形成啁啾展宽的超连续谱二，其时间跨度为ns量级(10-9秒)，一般为几ns；超连续谱一或超连续谱二经超连续谱整形模块整形后形成一串子脉冲序列，每个子脉冲包含不同的波长成分，同时对应不同的时间，实现了产生时间窗口可选、脉冲序列时间间隔和时间跨度可调的超连续谱脉冲序列的功能，这些超连续谱脉冲序列可以作为探测光来探测超快过程，有益于掌握超快过程的演化行为并分析其内在的物理机制。
作为优选：所述短时间窗口通道包括反射镜三、反射镜四和玻璃棒；从反射镜一入射的超连续谱白光经反射镜三射向玻璃棒，玻璃棒展宽形成的超连续谱一经反射镜四射向反射镜二。采用以上结构，经玻璃棒色散并展宽，形成啁啾展宽的超连续谱一，其时间跨度仅有几十ps，具有超高的时间分辨率。
作为优选：所述长时间窗口通道包括准直物镜一、准直物镜二和光纤组件；从超连续谱产生模块入射的超连续谱白光经准直物镜一准直后射向光纤组件，光纤组件展宽形成的超连续谱二经准直物镜二准直后射向超连续谱整形模块。采用以上结构，经光纤组件色散并展宽，能够形成啁啾展宽的超连续谱二，其时间跨度可达数ns，不仅与短时间窗口通道形成长短配合，使时间窗口可选，而且其时间分辨也远高于传统的100ns，具有较高的时间分辨率。
作为优选：所述光纤组件包括光纤耦合器一、光纤耦合器二和光纤；从准直物镜一入射的超连续谱白光依次经光纤耦合器一、光纤和光纤耦合器二展宽形成超连续谱二，该超连续谱二射向准直物镜二。采用以上结构，通过光纤耦合器一能够将超连续谱白光耦合到光纤中，再将形成的超连续谱二经光纤耦合器二向准直物镜二出射，并且，光纤的长度可根据实际需要进行选择，灵活性高。
作为优选：所述光纤采用光子晶体光纤，所述玻璃棒采用N-SF10材质的玻璃。采用以上结构，由于光子晶体光纤的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，超连续谱可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。
作为优选：所述准直物镜一和准直物镜二均通过多维度调节支架安装在平台上。采用以上结构，通过各自对应的多维度调节支架能够在多个维度上对准直物镜一和准直物镜二进行姿态调节，以与光纤组件配合。
作为优选：所述超连续谱产生模块包括聚焦透镜、非线性介质和离轴抛物面镜；从入射孔入射的超短脉冲激光经聚焦透镜聚焦在非线性介质上，非线性介质产生的超连续谱白光经离轴抛物面镜准直后射向超连续谱展宽模块。采用以上结构，聚焦透镜用于将超短脉冲激光聚焦在非线性介质上，非线性介质用于产生超连续谱白光，离轴抛物面镜用于准直超连续谱白光。
作为优选：所述超连续谱整形模块包括谐振腔，在该谐振腔设置有可相互靠近或者远离的部分透反镜一和部分透反镜二；从短时间窗口通道入射的超连续谱一或从长时间窗口通道入射的超连续谱二依次经部分透反镜一和部分透反镜二整形后形成一串子脉冲序列。采用以上结构，部分透反镜一和部分透反镜二相互平行，超连续谱一或超连续谱二经部分透反镜一时部分被反射，部分被透射，透射的部分再入射到部分透反镜二时，同样部分光被反射，部分被透射，最终透射的部分则变成了一串由不同波长成分组成的子脉冲序列，经过出射孔导出至该装置外。
作为优选：在所述平台上安装有可滑动的平移台一，所述部分透反镜一和部分透反镜二分别通过平移台二和平移台三可滑动地安装在平移台一上，所述平移台二和平移台三中至少有一个采用压电平移台。采用以上结构，实现对部分透反镜一和部分透反镜二位置的精确调节。
作为优选：在所述超连续谱产生模块和超连续谱展宽模块之间设有采用短波通滤波片的滤波器，该滤波器通过支架安装在平台上。采用以上结构，能够过滤掉残余的入射超短脉冲激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的可调谐脉冲序列发生装置，能够产生时间窗口可选、脉冲序列时间间隔和时间跨度可调的超连续谱脉冲序列，结构新颖，易于实现，操作简单，时间分辨率高，调谐速度快。
附图说明
图1为本发明反射镜一和反射镜二处于展开状态下的结构示意图；
图2为本发明反射镜一和反射镜二处于收折状态下的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
请参见图1和图2，一种可调谐脉冲序列发生装置，包括防护盒24以及设置在该防护盒24内的平台1，在所述防护盒24上设有入射孔2和出射孔21，在所述平台1上设有超连续谱产生模块A、超连续谱展宽模块B和超连续谱整形模块C，其中，所述超连续谱展宽模块B包括短时间窗口通道b1和长时间窗口通道b2，在所述超连续谱产生模块A和超连续谱展宽模块B之间设有可收折的反射镜一6，在所述超连续谱展宽模块B和超连续谱整形模块C之间设有可收折的反射镜二10。当反射镜一6和反射镜二10展开时，从入射孔2入射的超短脉冲激光经超连续谱产生模块A产生超连续谱白光，该超连续谱白光经反射镜一6进入短时间窗口通道b1展宽后形成超连续谱一，该超连续谱一经反射镜二10进入超连续谱整形模块C整形后形成一串子脉冲序列X；当反射镜一6和反射镜二10收折时，从入射孔2入射的超短脉冲激光经超连续谱产生模块A产生超连续谱白光，该超连续谱白光进入长时间窗口通道b2展宽后形成超连续谱二，该超连续谱二进入超连续谱整形模块C整形后形成一串子脉冲序列X。
其中，超连续谱一的时间跨度为ps量级(10-12秒)，一般为几十ps；超连续谱二的时间跨度为ns量级(10-9秒)，一般为几ns；超连续谱一或超连续谱二经超连续谱整形模块整形后形成一串子脉冲序列，每个子脉冲包含不同的波长成分，同时对应不同的时间，实现了产生时间窗口可选、脉冲序列时间间隔可调的超连续谱脉冲序列的功能，这些超连续谱脉冲序列可以作为探测光来探测超快过程，有益于掌握超快过程的演化行为并分析其内在的物理机制。
请参见图1和图2，所述反射镜一6包括反射镜片一6a和伸缩支架一6b，所述反射镜二10包括反射镜片二10a和伸缩支架二10b，所述反射镜片一6a和反射镜片二10a的位置分别通过伸缩支架一6b和伸缩支架二10b进行调节。需要特别指出的是，伸缩支架一6b和伸缩支架二10b也可以更换为其它调节方式，例如折叠、偏摆等，只要能够实现对反射镜片一6a和反射镜片二10a的位置进行调节即可。
当伸缩支架一6b和伸缩支架二10b处于展开状态时，反射镜片一6a位于超连续谱产生模块A和长时间窗口通道b2之间，且反射镜片二10a位于长时间窗口通道b2和超连续谱整形模块C之间，超连续谱产生模块A出射的超连续谱白光经反射镜片一6a反射进入短时间窗口通道b1，短时间窗口通道b1出射的超连续谱一经反射镜片二10a反射进入超连续谱整形模块C。
当伸缩支架一6b和伸缩支架二10b处于收折状态时，反射镜片一6a不位于超连续谱产生模块A和长时间窗口通道b2之间，同时反射镜片二10a也不位于长时间窗口通道b2和超连续谱整形模块C之间，超连续谱产生模块A出射的超连续谱白光直接进入长时间窗口通道b2，长时间窗口通道b2出射的超连续谱二直接进入超连续谱整形模块C。
请参见图1，所述短时间窗口通道b1包括反射镜三7、反射镜四9和玻璃棒8，其中，反射镜三7位于反射镜一6和玻璃棒8之间，反射镜四9位于玻璃棒8和反射镜二10之间。其中，玻璃棒8采用N-SF10材质的玻璃，长度在几厘米至十几厘米不等，可根据需求手动更换。并且，在反射镜一6、反射镜二10、反射镜三7和反射镜四9上均镀有银保护膜，以提高反射镜一6、反射镜二10、反射镜三7和反射镜四9的反射率。
从反射镜一6入射的超连续谱白光经反射镜三7射向玻璃棒8，玻璃棒8展宽形成的超连续谱一经反射镜四9射向反射镜二10。
请参见图2，所述长时间窗口通道b2包括准直物镜一11、准直物镜二15和光纤组件，准直物镜一11位于超连续谱产生模块A和光纤组件之间，准直物镜二15位于光纤组件和超连续谱整形模块C之间，且准直物镜一11和准直物镜二15均为平场消色差物镜，其清晰范围相较于普通物镜更大。准直物镜一11和准直物镜二15通过多维度调节支架25安装在平台1上。其中，所述光纤组件包括光纤耦合器一13、光纤耦合器二14和光纤12。其中，光纤耦合器一13位于光纤12的前端，光纤耦合器二14位于光纤12的后端，且光纤12采用光子晶体光纤，长度从几十厘米到几十米可选，根据实际需求即可。
从超连续谱产生模块A入射的超连续谱白光经准直物镜一11准直后射向光纤耦合器一13，光纤耦合器一13将超连续谱白光耦合进入光纤12中，再将形成的超连续谱二经光纤耦合器二14向准直物镜二15出射，射向超连续谱整形模块C。
请参见图1和图2，所述超连续谱产生模块A包括聚焦透镜3、非线性介质4和离轴抛物面镜5，其中，聚焦透镜3位于入射孔2和非线性介质4之间，离轴抛物面镜5位于非线性介质4和超连续谱展宽模块B之间。离轴抛物面镜5为低散射镜，能够以特定角度和最小化的散射损耗对入射光进行准直。非线性介质可根据实际需求进行更换，本实施例优选为氟化钙，厚度零点几毫米至两毫米不等，这种材料在可见光波段可产生较强的超连续谱。
从入射孔2入射的超短脉冲激光经聚焦透镜3聚焦在非线性介质4上，非线性介质4产生的超连续谱白光经离轴抛物面镜5准直后射向超连续谱展宽模块B。
请参见图1和图2，在所述超连续谱产生模块A和超连续谱展宽模块B之间设有采用短波通滤波片的滤波器23，该滤波器23通过支架22安装在平台1上。经离轴抛物面镜5准直后出射的超连续谱白光经滤波器23过滤掉残余的入射超短脉冲激光后，射向超连续谱展宽模块B。
请参见图1和图2，所述超连续谱整形模块C包括谐振腔，在该谐振腔设置有可相互靠近或者远离的部分透反镜一16和部分透反镜二17。在所述平台1上安装有可滑动的平移台一20，所述部分透反镜一16和部分透反镜二17分别通过平移台二18和平移台三19可滑动地安装在平移台一20上，所述平移台二18和平移台三19中至少有一个采用压电平移台。需要指出的是，部分透反镜一16和部分透反镜二17相互平行，且距离是远大于波长的，两镜间的介质为空气。其中一种有效方式是，谐振腔其中一个部分透射反射镜安装在可粗调的普通小型平移台上，调节精度100微米，另一个部分透反镜安装于压电平移台上，可进行前后位置的精密调节，调节精度10微米。另外，部分透反镜一16的前表面和部分透反镜二17的后表面镀有增透射膜，以保证宽光谱具有很高的透过率，部分透反镜一16的后表面和部分透反镜二17的前表面镀有反射膜，反射率在60-70％。
从短时间窗口通道b1入射的超连续谱一或从长时间窗口通道b2入射的超连续谱二依次经部分透反镜一16和部分透反镜二17整形后形成一串子脉冲序列X，每个子脉冲包含不同的波长成分，同时对应不同的时间，并最终从出射孔21输出。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调谐脉冲序列发生装置，包括防护盒(24)以及设置在该防护盒(24)内的平台(1)，在所述防护盒(24)上设有入射孔(2)和出射孔(21)，其特征在于：在所述平台(1)上设有超连续谱产生模块(A)、超连续谱展宽模块(B)和超连续谱整形模块(C)，其中，所述超连续谱展宽模块(B)包括短时间窗口通道(b1)和长时间窗口通道(b2)，在所述超连续谱产生模块(A)和超连续谱展宽模块(B)之间设有可收折的反射镜一(6)，在所述超连续谱展宽模块(B)和超连续谱整形模块(C)之间设有可收折的反射镜二(10)；
当反射镜一(6)和反射镜二(10)展开时，从入射孔(2)入射的超短脉冲激光经超连续谱产生模块(A)产生超连续谱白光，该超连续谱白光经反射镜一(6)进入短时间窗口通道(b1)展宽后形成超连续谱一，该超连续谱一经反射镜二(10)进入超连续谱整形模块(C)整形后形成一串子脉冲序列(X)；
当反射镜一(6)和反射镜二(10)收折时，从入射孔(2)入射的超短脉冲激光经超连续谱产生模块(A)产生超连续谱白光，该超连续谱白光进入长时间窗口通道(b2)展宽后形成超连续谱二，该超连续谱二进入超连续谱整形模块(C)整形后形成一串子脉冲序列(X)；
其中，所述超连续谱一的时间跨度小于超连续谱二的时间跨度。
2.根据权利要求1所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述短时间窗口通道(b1)包括反射镜三(7)、反射镜四(9)和玻璃棒(8)；
从反射镜一(6)入射的超连续谱白光经反射镜三(7)射向玻璃棒(8)，玻璃棒(8)展宽形成的超连续谱一经反射镜四(9)射向反射镜二(10)。
3.根据权利要求2所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述长时间窗口通道(b2)包括准直物镜一(11)、准直物镜二(15)和光纤组件；
从超连续谱产生模块(A)入射的超连续谱白光经准直物镜一(11)准直后射向光纤组件，光纤组件展宽形成的超连续谱二经准直物镜二(15)准直后射向超连续谱整形模块(C)。
4.根据权利要求3所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述光纤组件包括光纤耦合器一(13)、光纤耦合器二(14)和光纤(12)；
从准直物镜一(11)入射的超连续谱白光依次经光纤耦合器一(13)、光纤(12)和光纤耦合器二(14)展宽形成超连续谱二，该超连续谱二射向准直物镜二(15)。
5.根据权利要求4所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述光纤(12)采用光子晶体光纤，所述玻璃棒(8)采用N-SF10材质的玻璃。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述准直物镜一(11)和准直物镜二(15)均通过多维度调节支架(25)安装在平台(1)上。
7.根据权利要求1所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述超连续谱产生模块(A)包括聚焦透镜(3)、非线性介质(4)和离轴抛物面镜(5)；
从入射孔(2)入射的超短脉冲激光经聚焦透镜(3)聚焦在非线性介质(4)上，非线性介质(4)产生的超连续谱白光经离轴抛物面镜(5)准直后射向超连续谱展宽模块(B)。
8.根据权利要求1所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：所述超连续谱整形模块(C)包括谐振腔，在该谐振腔设置有可相互靠近或者远离的部分透反镜一(16)和部分透反镜二(17)；
从短时间窗口通道(b1)入射的超连续谱一或从长时间窗口通道(b2)入射的超连续谱二依次经部分透反镜一(16)和部分透反镜二(17)整形后形成一串子脉冲序列(X)。
9.根据权利要求8所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：在所述平台(1)上安装有可滑动的平移台一(20)，所述部分透反镜一(16)和部分透反镜二(17)分别通过平移台二(18)和平移台三(19)可滑动地安装在平移台一(20)上，所述平移台二(18)和平移台三(19)中至少有一个采用压电平移台。
10.根据权利要求1所述的可调谐脉冲序列发生装置，其特征在于：在所述超连续谱产生模块(A)和超连续谱展宽模块(B)之间设有采用短波通滤波片的滤波器(23)，该滤波器(23)通过支架(22)安装在平台(1)上。
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