CN107884079B - 单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法，其中，单发次超短激光脉冲宽度测量装置包括分束镜、CCD、第一光路、第二光路、克尔效应模块和成像模块。采用本发明提供的单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法，通过基于波前倾斜的光克尔效应不仅能够实现对超短激光脉冲脉宽的测量，并且，只要改变从第一光路和第二光路上出射的泵浦光和探测光之间的夹角，就能够对测量分辨率和时间窗口进行调节，因而适用范围广，不仅能够测量超短脉冲激光的宽度，而且从可见光波段到近红外都能够测量；具有时间分辨率高、可调谐、适用范围广等优点。

Description

单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于超短脉冲测量技术领域，具体涉及一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法。

背景技术

目前，测量激光脉冲宽度的方法多种多样。但是，现有光电器件的响应时间最快在ps量级，因此，这些光电器件不能直接用于测量飞秒激光的脉冲宽度。当前只能利用飞秒激光自身进行飞秒激光脉冲宽度的测量，常用的方法主要有三种：自相关法、频率分辨光学快门(FROG)和自参考光谱位相相干电场重建法(SPIDER)。其中，相关法能够用于脉冲宽度的测量，但是相关信号并不能给出脉冲的波形，需要提前假设脉冲波形，故相关法能够给出脉冲的啁啾情况，但是不能提供脉冲的位相信息。而频率分辨光学快门和自参考光谱位相相干电场重建法既能给出脉冲光谱的位相信息，又能测量脉冲时域波形，但是这两种方法相对相关法来说复杂得多，实施难度大。

并且，上述三种方法都只能测量重复的超短激光脉冲，无法对单个超短激光脉冲的宽度进行测量。而在激光惯性约束聚变研究中，激光器每次运行只输出单个超短激光脉冲。单个超短激光脉冲的脉宽直接决定着激光的强度，因此，实验中需要对输出的超短激光脉冲的宽度进行测量。

研究表明由热效应引起的光学非线性响应时间在纳秒量级，分子的重新取向和重新分布的光学非线性响应时间在皮秒量级，而源于电子云畸变的非线性效应特征响应时间更短，可以达到10fs量级甚至更短。另一方面，具有波前倾斜的光进入自相关仪进行测量时，两个脉冲光之间的延时依赖于光束截面的空间位置。因此，利用基于电子云畸变的克尔非线性效应和采用波前倾斜的方式，有望实现测量单个超短激光脉冲的宽度。为此，我们设计了一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法，能够实现单发次超短激光脉冲宽度的测量。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置，其要点在于：包括分束镜、CCD、第一光路、第二光路、克尔效应模块和成像模块；待测量的一束超短激光脉冲由所述分束镜透射形成一束泵浦光、反射形成一束探测光，所述泵浦光和探测光各自经第一光路和第二光路先后进入克尔效应模块，从克尔效应模块出射的部分探测光经成像模块成像到CCD上，其中，从第一光路出射的所述泵浦光与从第二光路出射的探测光的传播方向之间的夹角大于0°且小于90°。

采用以上结构，分束镜将一束超短激光脉冲分为一束泵浦光和一束探测光，探测光经第一光路延迟后晚于泵浦光进入克尔效应模块，发生克尔效应，使部分探测光通过克尔效应模块，经成像模块成像到CCD上，形成了基于克尔效应的单发次超短激光脉冲测量装置，记录背景图像和信号图像，以处理得到单发次超短激光脉冲的宽度。

作为优选：所述克尔效应模块包括克尔介质、第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片，其中，所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向夹角大于0°且小于90°，所述第二偏振片和第三偏振片的偏振方向垂直；所述第一偏振片和第二偏振片均位于克尔介质的前方，且三者之间的连线为三角形，所述第三偏振片位于克尔介质的后方，并与第二偏振片和克尔介质同轴设置；从第一光路出射的所述泵浦光经第一偏振片射向克尔介质，从第二光路出射的所述探测光依次经第二偏振片、克尔介质和第三偏振片后射向成像模块。采用以上结构，没有泵浦光时，探测光会被消光，而无法到达CCD；有泵浦光时，由于克尔介质的各项异性，当探测光经过克尔介质时，其偏振特性会发生变化，从而会有信号通过第三偏振片。

作为优选：所述第一偏振片和克尔介质之间设置有狭缝。采用以上结构，狭缝用于确定泵浦光的尺寸。

作为优选：所述克尔介质和第三偏振片之间设置有光阑。采用以上结构，光阑用于阻挡泵浦光和额外的探测光。

作为优选：所述第一光路由至少一个反射镜组成，所述第二光路均由至少两个反射镜以及设置在其中两个相邻反射镜之间的延迟组件，所述泵浦光在第一光路中的传递时间小于探测光在第二光路中的传递时间。采用以上结构，第一光路和第二光路的结构简单可靠，易于调节，并具体实现了使探测光到达克尔介质的时间晚于泵浦光到达克尔介质的时间。

作为优选：所述延迟组件包括平移台以及至少两个设置在该平移台上的反射镜，其中，相邻反射镜的镜面相互垂直。采用以上结构，操作简单，有效提高了实验效率，且成本相对低廉。

作为优选：在所述第二光路的出射端设置有准直扩束组件，该准直扩束组件由至少一个准直镜片和至少一个扩束镜片组成。采用以上结构，用于对探测光进行扩束和准直。

作为优选：所述成像模块包括显微物镜和至少一个成像透镜，所述显微物镜位于CCD和最后一个成像透镜之间；从克尔效应模块出射的所述探测光依次经过各个成像透镜后，再由显微物镜成像到CCD上。采用以上结构，通过采用显微物镜的设计，使CCD上记录的图像能够清晰反应出更细微的特征。

一种单发次超短激光脉冲宽度测量方法，其要点在于，按照以下步骤进行：

S1：调整第二光路，使第二光路的光路长于第一光路出射的光路；

S2：向单发次超短激光脉冲宽度测量装置发射一束超短激光脉冲，通过CCD记录单发次超短激光脉冲的图像，该图像作为背景图像；

S3：调整第二光路，使第二光路的光路等于第一光路出射的光路；

S4：向单发次超短激光脉冲宽度测量装置发射一束超短激光脉冲，通过CCD记录单发次超短激光脉冲的图像，该图像作为信号图像；

S5：对背景图像和信号图像进行数据处理，得到单发次超短激光脉冲的宽度。

采用以上方法，能够实现测量超短脉冲激光的宽度，并且，只要改变从第一光路和第二光路上出射的泵浦光和探测光之间的夹角，就能够对测量分辨率和时间窗口进行调节，因而适用范围广，不仅能够测量超短脉冲激光的宽度，而且从可见光波段到近红外都能够测量。

进一步地，步骤S5中数据处理的方法按照以下步骤进行：

S51：在背景图像和信号图像中与x轴的对应方向上截取光强分布；

S52：将截取的信号光强减去背景光强并作归一化处理获得相关函数；

S53：对相关函数进行拟合，得到单发次超短激光脉冲的宽度。

采用以上方法，能够将背景图像和信号图像进行处理得到单发次超短激光脉冲的宽度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法，通过基于波前倾斜的光克尔效应不仅能够实现对超短激光脉冲脉宽的测量，并且，只要改变从第一光路和第二光路上出射的泵浦光和探测光之间的夹角，就能够对测量分辨率和时间窗口进行调节，因而适用范围广，不仅能够测量超短脉冲激光的宽度，而且从可见光波段到近红外都能够测量；具有时间分辨率高、可调谐、适用范围广等优点。

附图说明

图1为单发次超短激光脉冲宽度测量装置的光路示意图；

图2为克尔效应模块的局部放大图。

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。

如图1和图2所示，一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置，其特征在于：包括分束镜1、CCD21、第一光路A、第二光路B、克尔效应模块C和成像模块D；待测量的一束超短激光脉冲由所述分束镜1透射形成一束泵浦光、反射形成一束探测光，所述泵浦光和探测光各自经第一光路A和第二光路B先后进入克尔效应模块C，从克尔效应模块C出射的部分探测光经成像模块D成像到CCD21上，其中，从第一光路A出射的所述泵浦光与从第二光路B出射的探测光的传播方向之间的夹角大于0°且小于90°。通过该装置的CCD21能够记录背景图像和信号图像，我们对背景图像和信号图像进行数据处理，可以得到单发次超短激光脉冲的宽度。

请参见图1，本实施例中，分束镜1为高透分束镜，90％的激光透射形成泵浦光，10％的激光反射形成探测光。所述第一光路A包括第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4，从分束镜1透射进入的泵浦光依次经过第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4后射向克尔效应模块C。所述第二光路B包括第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9、第七反射镜10、第八反射镜11、第九反射镜12和准直扩束组件13，从分束镜1反射进入的探测光依次经过第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9、第七反射镜10、第八反射镜11和第九反射镜12后射向准直扩束组件13，准直扩束组件13对探测光进行准直和扩束后射向克尔效应模块C。

其中，准直扩束组件13由准直镜片和扩束镜片组成，准直镜片和扩束镜片均为一个或多个。第五反射镜8和第六反射镜9作为延迟组件，第五反射镜8和第六反射镜9的镜面相互垂直，且均安装在同一个平移台上，该平移台的调节精度均为1微米，以便于准确控制探测光晚于泵浦光到达克尔介质15的时间。

需要指出的是，分束镜1、CCD21、第一光路A、第二光路B、克尔效应模块C和成像模块D均置于光学平台22上，既便于光路的调节，又保证了光学元件安装的稳定性。并且，各个反射镜的反射率均为90％以上，具体反射率可根据激光波长选择。

请参见图1和图2，所述克尔效应模块C包括克尔介质15、第一偏振片5、第二偏振片14和第三偏振片17，其中，克尔介质15采用CS₂和ZnSe等，以满足非线性响应快的要求。本实施例中，所述第二偏振片14和第三偏振片17的偏振方向垂直，而所述第一偏振片5和第二偏振片14的偏振方向优选为45°，以使克尔信号最强。所述第一偏振片5和第二偏振片14均位于克尔介质15的前方，且三者之间的连线为三角形，所述第三偏振片17位于克尔介质15的后方，并与第二偏振片14和克尔介质15同轴设置。

需要指出的是，所述第一偏振片5和克尔介质15之间设置有狭缝6，通过调节狭缝6的宽度，能用于确定泵浦光的尺寸。所述克尔介质15和第三偏振片17之间设置有光阑16，该光阑16用于阻挡透过克尔介质15的泵浦光以及额外的探测光进入成像模块D(详见图2)。

从第一光路A的第三反射镜4出射的泵浦光依次经第一偏振片5和狭缝6射向克尔介质15，从第二光路B的准直扩束组件13出射的探测光依次经第二偏振片14、克尔介质15、光阑16和第三偏振片17后射向成像模块D。没有泵浦光时，探测光会被消光，而无法到达CCD21；有泵浦光时，由于克尔介质15的各项异性，当探测光经过克尔介质15时，其偏振特性会发生变化，从而会有信号通过第三偏振片17，进入成像模块D，并最终成像到CCD21上。

请参见图1，所述成像模块D包括第一成像透镜18、第二成像透镜19和显微物镜20，其中，第一成像透镜18位于第三偏振片17和第二成像透镜19之间，显微物镜20位于第二成像透镜19和CCD21之间。

从克尔效应模块C的第三偏振片17出射的探测光依次经过第一成像透镜18、第二成像透镜19和显微物镜20成像到CCD21上。其中需要指出的是，通过采用显微物镜20的设置，使CCD21上记录的图像能够清晰反应出更细微的特征。

请参见图2，单发次超短激光脉冲宽度测量的基本原理如下：

在光克尔实验中，克尔介质15前后的第二偏振片14和第三偏振片17的偏振方向相互垂直，泵浦光与克尔介质15前探测光的偏振方向夹角为45°；在没有泵浦光时，探测光会被消光，从而无法到达CCD21；在有泵浦光时，由于克尔介质15的各项异性，当探测光经过克尔介质15品时，其偏振特性会发生变化从而会有信号通过第三偏振片17。通过调整第二光路B的第五反射镜8和第六反射镜9的位置，可以改变泵浦光和探测光之间的时间延迟。并且，由于泵浦光和探测光为非共线入射到克尔介质15，泵浦光的波前相对克尔介质15有倾斜，也就是说波前到达克尔介质15的时间是不同的。因此，在克尔介质15处两个脉冲之间的延时依赖于光束截面的空间位置。如图2所示，克尔介质15上不同的空间坐标x₁和x₂对应不同时刻的泵浦光波前t₁和t₂，△t＝△x·cos(θ)/c，其中c为光速，θ为泵浦光与克尔介质15表面的夹角。CCD21在x方向记录的图像代表了探测光的光强和克尔效应时间演化的相关性。

相关性C(t)可以表示为：其中I_probe(t)为探测光光强，/>为门控函数，为泵浦光在介质中引起的克尔非线性。通过对相关函数的测量，结合已知的探测光，可以得到门控函数。当探测光早于泵浦光到达克尔介质15时，测得的相关函数C(△t＜＜0)＝0。当探测光以一个较大的时间延迟晚于泵浦光到达克尔介质15，测得的相关函数C(△t＞＞0)是小于1的常数。当泵浦光和探针光同时到达克尔介质15，在时间上重合，相关函数在数值上缓变。相关函数在时域上的改变由泵浦光和探测光的时间延迟△t决定。相关函数的斜率由泵浦光和探针光的脉冲宽度决定。假定经过一系列光学元件后泵浦光和探测光仍然是高斯光束，通过拟合相关函数可以得到激光的脉冲宽度。

请参见图1和图2，一种单发次超短激光脉冲宽度测量方法，按照以下步骤进行：

S1：调整第二光路B中第五反射镜8和第六反射镜9的位置，使第二光路B的光路长于第一光路A出射的光路，即探测光落后泵浦光几个ps。

S2：向单发次超短激光脉冲宽度测量装置发射一束超短激光脉冲，通过CCD21记录单发次超短激光脉冲的图像，该图像作为背景图像。

S3：调整第二光路B中第五反射镜8和第六反射镜9的位置，使第二光路B的光路等于第一光路A出射的光路，即泵浦光和探测光在时间上重合。

S4：向单发次超短激光脉冲宽度测量装置发射一束超短激光脉冲，通过CCD21记录单发次超短激光脉冲的图像，该图像作为信号图像。

S5：对背景图像和信号图像进行数据处理，得到单发次超短激光脉冲的宽度。

请参见图2和上述单发次超短激光脉冲宽度测量的基本原理，步骤S5中数据处理的方法按照以下步骤进行：

S51：在背景图像和信号图像中与x轴的对应方向上截取光强分布。

S52：将截取的信号光强减去背景光强并作归一化处理获得相关函数，相关函数在x轴上的空间位置决定着泵浦光和探针光的时间延迟。因为泵浦光波前在到达时间上的偏离可以忽略不计，因此x轴上的空间位置不受泵浦光抖动的影响。

S53：上述单发次超短激光脉冲宽度测量的基本原理中介绍的方法，对相关函数进行拟合，得到单发次超短激光脉冲的宽度。根据测量脉宽的不同，可以通过改变泵浦光入射的角度和光斑尺寸来改变测量的分辨率和时间窗口，灵活性高，适用范围广，从可见光波段到近红外波段都可测量。

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 (3)

1.一种单发次超短激光脉冲宽度测量装置，其特征在于：包括分束镜、CCD、第一光路、第二光路、克尔效应模块和成像模块；

待测量的一束超短激光脉冲由所述分束镜透射形成一束泵浦光、反射形成一束探测光，所述泵浦光和探测光各自经第一光路和第二光路先后进入克尔效应模块，从克尔效应模块出射的部分探测光经成像模块成像到CCD上，其中，从第一光路出射的所述泵浦光与从第二光路出射的探测光的传播方向之间的夹角大于0°且小于90°；

分束镜为高透分束镜，90%的激光透射形成泵浦光，10%的激光反射形成探测光，所述第一光路包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，从分束镜透射进入的泵浦光依次经过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜后射向克尔效应模块，所述第二光路包括第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和准直扩束组件，从分束镜反射进入的探测光依次经过第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜和第九反射镜后射向准直扩束组件，准直扩束组件对探测光进行准直和扩束后射向克尔效应模块；

其中，准直扩束组件由准直镜片和扩束镜片组成，准直镜片和扩束镜片均为一个或多个，第五反射镜和第六反射镜作为延迟组件，第五反射镜和第六反射镜的镜面相互垂直，且均安装在同一个平移台上，该平移台的调节精度均为1微米；

分束镜、CCD、第一光路、第二光路、克尔效应模块和成像模块均置于光学平台上，并且，各个反射镜的反射率均为90%以上；

所述克尔效应模块包括克尔介质、第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片，其中，克尔介质采用CS和ZnSe，以满足非线性响应快的要求，所述第二偏振片和第三偏振片的偏振方向垂直，所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向为45°，所述第一偏振片和第二偏振片均位于克尔介质的前方，且三者之间的连线为三角形，所述第三偏振片位于克尔介质的后方，并与第二偏振片和克尔介质同轴设置；

所述第一偏振片和克尔介质之间设置有狭缝，所述克尔介质和第三偏振片之间设置有光阑，该光阑用于阻挡透过克尔介质的泵浦光以及额外的探测光进入成像模块；

从第一光路的第三反射镜出射的泵浦光依次经第一偏振片和狭缝射向克尔介质，从第二光路的准直扩束组件出射的探测光依次经第二偏振片、克尔介质、光阑和第三偏振片后射向成像模块，没有泵浦光时，探测光会被消光，而无法到达CCD；有泵浦光时，由于克尔介质的各项异性，当探测光经过克尔介质时，其偏振特性会发生变化，从而会有信号通过第三偏振片，进入成像模块，并最终成像到CCD上；

所述成像模块包括第一成像透镜、第二成像透镜和显微物镜，其中，第一成像透镜位于第三偏振片和第二成像透镜之间，显微物镜位于第二成像透镜和CCD之间；

从克尔效应模块的第三偏振片出射的探测光依次经过第一成像透镜、第二成像透镜和显微物镜成像到CCD上。

2.一种根据权利要求1所述的单发次超短激光脉冲宽度测量装置的测量方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

S1：调整第二光路，使第二光路的光路长于第一光路出射的光路；

S2：向单发次超短激光脉冲宽度测量装置发射一束超短激光脉冲，通过CCD记录单发次超短激光脉冲的图像，该图像作为背景图像；

S3：调整第二光路，使第二光路的光路等于第一光路出射的光路；

S4：向单发次超短激光脉冲宽度测量装置发射一束超短激光脉冲，通过CCD记录单发次超短激光脉冲的图像，该图像作为信号图像；

S5：对背景图像和信号图像进行数据处理，得到单发次超短激光脉冲的宽度。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，步骤S5中数据处理的方法按照以下步骤进行：

S51：在背景图像和信号图像中与x轴的对应方向上截取光强分布；

S52：将截取的信号光强减去背景光强并作归一化处理获得相关函数；

S53：对相关函数进行拟合，得到单发次超短激光脉冲的宽度。