CN110319941A - 以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其包括分束模块、光束转向模块、信号产生模块和信号收集与处理模块;分束模块包括一面半波片和分束元件;光束转向模块包括四面反射镜和两面半波片;信号产生模块为高透明的具有倍频效应的透明微晶玻璃。利用光波分束元件将待测脉冲分束;光束转向模块中的四面反射镜两两以分束后脉冲夹角的角平分线为对称轴对称放置,保证分束后的两束脉冲分别经过两边的反射镜后所走的光程差相等,传播方向共线且相反,将脉冲的偏振方向调整一致后入射到横向倍频介质中,通过分析所得的横向倍频信号实现对超短脉冲的脉宽测量。相对于传统探测方法,探测耗时更短,且探测精度高。
Description
技术领域
本发明属于激光脉冲探测领域,具体涉及微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测仪。
背景技术
超短脉冲激光具有时间宽度短,峰值功率高等特点。随着高性能激光器的开发和进一步完善,超短脉冲激光已经广泛应用于高速光通信、光传感、光频梳、激光雷达、光谱分析、军事等领域。脉宽是超短脉冲激光的重要参数之一。对超短脉冲激光脉宽的有效检测是发挥超短脉冲激光的重要前提。但传统的光电探测器无法对飞秒级别的超短脉冲脉宽参数进行探测。
目前常用的探测超短脉冲激光参数的仪器主要基于有标准自相关法,通过将待测脉冲分束后以一定的夹角耦合到倍频介质内部,通过分析产生的倍频信号得到脉冲的信息,需要连续改变延时线才能获得反映待测脉冲时域信息的倍频信号,该种方法探测结果精确,但对探测装置内部位移装置的精度要求高,探测过程耗时较长,成本高;随后改进的GRENOUILLE的脉冲探测仪器一定程度上克服了上述装置的不足,其收集时间短,但由于需要使用较厚的晶体作为倍频介质,其色散较大,对超短脉冲进行探测时容易引入误差,所以只能用于探测较为简单的信号。
理论上利用横向倍频现象(两束光共线相对入射到倍频介质中,在垂直于光波矢方向有倍频信号的发射,该信号反映了待测脉冲的时域信息)可以实现快速,高精度的超短脉冲探测。但是只有当倍频介质在光波矢入射的垂直方向满足相位匹配时横向倍频信号才能高效率地发射,否则横向倍频信号发射效率极低。但一般常见的倍频晶体难以满足这一相位匹配的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题在于克服目前常见的超短脉冲探测方法的不足,提供以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测仪。
本发明利用微晶玻璃中晶体随机分布特性,将其作为倍频介质,使得横向倍频的相位匹配条件得以满足。将待测脉冲分成两束后共线相对地入射到微晶玻璃倍频介质中,将可得到横向倍频信号,对横向倍频信号加以分析即可推算出待测脉冲的脉宽信号,从而实现高精度、高速的脉冲信号探测。
本发明的目的至少通过以下之一技术方案实现。
以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于,包括分束模块、光束转向模块、信号产生模块和信号收集与处理模块;分束模块将脉冲分为强度相同,传播方向成夹角的两束脉冲;所述光束转向模块包括第一面反射镜、第二面反射镜、第三面反射镜、第四面反射镜、第一面半波片和第二面半波片,且第一面反射镜和第二面反射镜以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称放置,第三面反射镜和第四面反射镜以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称放置,第一面反射镜和第二面反射镜的中心连线与第三面反射镜和第四面反射镜的中心连线平行设置,使得分束后的两束脉冲分别经过两边的反射镜后所走的光程差相等,传播方向共线且相反;第二面半波片和第三面半波片以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称设置,且第二面半波片和第三面半波片均在第三面反射镜和第四面反射镜之间;所述信号产生模块为具有倍频效应的透明微晶玻璃,且位于分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线上;信号收集与处理模块收集微晶玻璃产生的横向倍频信号。
进一步的,所述分束模块包括分束元件和第三面半波片,第三面半波片位于分束元件前。
进一步的,所述信号收集与处理模块为照相机或光谱仪。
进一步的,所述透明微晶玻璃所含的晶相为具有高二阶非线性系数的晶体中一种或两种以上的组合体。
进一步的,所述具有高二阶非线性系数的晶体为:LiNbO3、LiTaO3、NaNbO3、NaTaO3、KNbO3、KTaO3、β-BaB2O4、KTiOPO4、KH2PO4、Ba2TiSi2O8、Sr2TiSi2O8、Ba2TiGe2O8或SrxBa(1-x)Nb2O6,其中x=0.25-0.75。
进一步的,所述超短脉冲探测器适用于80fs-5ps的脉冲的探测。
调整分束模块和光束转向模块中的半波片,使待测脉冲经过分束并调整至偏振方向一致,共线相对地入射到微晶玻璃倍频介质时,若微晶玻璃的位置位于两束脉冲光程差相等的位置时,由于微晶玻璃满足横向倍频发射的相位匹配条件,所以该位置附近会有强烈的横向倍频信号发射。横向倍频信号的强度满足:
τ为各位置的时延,其中光程差相等的地方τ=0;t为现实的时间;A(τ)为不同时延的横向倍频信号强度;I(t-τ)和I(t+τ)为两束脉冲在不同时延处的强度。所用的激光为脉冲激光,激光的强度I随时间t作周期性变化。在光程差相等的位置时,两束光在任意t时刻都具有相同的强度记为I(t),即τ=0,并以此为参考点;当光程差不相等的位置时,在任意t时刻其强度一般不同,在t时刻一束光在该处的强度应记为I(t-τ),由对称性的关系,另一束光则应记为I(t+τ)。
通过照相机拍照或光谱仪记录可以获得横向倍频光的空间分布波形,即A-s波形。其中空间位置s和时延τ满足:
vb为脉冲在倍频介质中的群速度;nb为倍频介质在脉冲对应波长的折射率;c为真空中光速。量取A-s波形的半高宽Δs,经过简单的数学运算即可得到A-τ波形的半高宽Δτ。
脉冲的真实脉宽Δt与Δτ满足:Δτ/k=Δt
k为反卷积因子,对高斯型脉冲k=0.71;对双曲正割型脉冲k=0.77;对洛伦兹型脉冲,k=1。
相比于现有技术,本发明的技术效果是:利用所含晶体为具有高二阶非线性系数晶体的微晶玻璃为倍频介质。将待测脉冲经过分束并调整至传播方向共线相向,偏振方向一致,同时入射到微晶玻璃倍频介质中,获得横向倍频信号,通过对横向倍频信号进行分析即可实现对超短脉冲的脉宽进行测定。由于倍频介质是微晶玻璃,微晶相在玻璃相中随机分布,横向倍频的相位匹配条件可以获得满足,保证了横向倍频信号的高效率发射;由于本发明脉冲探测原理是基于横向倍频,探测过程不需要像标准自相关法需要连续不断地改变分束后两束脉冲的光程差并分别记录不同光程差下的信号强度,本发明只需记录一次横向倍频信号即可实现对脉宽进行探测,探测耗时更短;相比于GRENOUILLE的脉冲探测仪器,本发明可以用于探测复杂的脉冲,探测精度高。
附图说明
图1为本发明以微晶玻璃作为倍频介质的基于横向倍频的脉冲探测仪装置示意图;
图2为实施例1得到的横向倍频信号示意图;
图3为实施例1得到的反映待测脉冲时域信息的空间波形曲线图;
图4为实施例2得到的横向倍频信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述,需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1所示,一种以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其由分束模块、光束转向模块、信号产生模块和信号收集与处理模块组成。所述的分束模块包括第三面半波片9和分束元件8。所述的光束转向模块包括第一面反射镜1、第二面反射镜2、第三面反射镜3、第四面反射镜4、第一面半波片5和第二面半波片6,第一面反射镜1和第二面反射镜2的中心连线与第三面反射镜3和第四面反射镜4的中心连线平行设置,保证分束后的两束脉冲分别经过两边的反射镜后所走的光程差相等,传播方向共线且相反。第一面半波片5和第二面半波片6以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称设置,且第一面半波片5和第二面半波片6均位于第三面反射镜3和第四面反射镜4之间;所述的信号产生模块为高透明的具有倍频效应的透明微晶玻璃7,其固定于三维调整架上。所述的信号收集与处理模块为照相机或光谱仪。信号产生模块中的具有倍频效应的透明微晶玻璃所含的晶相为具有高二阶非线性系数的晶体中一种或两种以上的组合体。微晶中具有高二阶非线性系数的晶体包括:LiNbO3、LiTaO3、NaNbO3、NaTaO3、KNbO3、KTaO3、β-BaB2O4、KTiOPO4、KH2PO4、Ba2TiSi2O8、Sr2TiSi2O8、Ba2TiGe2O8或SrxBa(1-x)Nb2O6,其中x=0.25-0.75。
实施例1
本实施例中采用的试验脉冲为980nm,脉宽为160fs±20fs的双曲正割型的椭圆偏振的脉冲。采用的倍频介质为含有LiNbO3晶相的透明微晶玻璃,其折射率为1.80。
如图1所示,脉冲通过分束模块时,调整分束模块中的半波片,使脉冲分为强度相同,传播方向夹角为90°两束脉冲。经过光束转向模块中四面对称放置的反射镜,并调整模块中的两面半波片使偏振方向调整至一致,传播方向相向共线。两束脉冲同时入射到一块含LiNbO3晶相的透明微晶玻璃中,微调微晶玻璃的位置使横向倍频信号最为显著。并用CCD相机对产生的横向倍频信号进行记录。
图2为本实施例中通过信号采集模块中CCD记录的横向倍频信号,横向倍频信号清晰。
图3为本实施例中横向倍频信息经过信号处理后得到的空间波形曲线,半高宽为21.5μm。换算得脉冲的脉宽为168fs,考虑到其他光学器件和微晶玻璃的色散及所用探测器的分辨率误差为±20fs。说明本发明可以高效高精度地探测超短脉冲信号。
实施例2
本实施例采用的试验脉冲为980nm,脉宽为160fs±20fs的双曲正割型的椭圆偏振的脉冲。采用的倍频介质为含有Ba2TiSi2O8晶相的透明微晶玻璃。
如图1所示,脉冲通过分束模块时,调整分束模块中的半波片,使脉冲分为强度相同,偏振方向垂直的两束脉冲。经过光束转向模块中四面对称放置的反射镜,并调整模块中的两面半波片使偏振方向调整至一致,传播方向相向共线。两束脉冲同时入射到一块含Ba2TiSi2O8晶相的透明微晶玻璃中,微调微晶玻璃的位置使横向倍频信号最为显著。并用CCD相机对产生的横向倍频信号进行记录。
图4为本实施例中通过信号采集模块中CCD记录的横向倍频信号。横向倍频信号清晰。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于,包括分束模块、光束转向模块、信号产生模块和信号收集与处理模块;分束模块将脉冲分为强度相同传播方向成夹角的两束脉冲,所述光束转向模块包括第一面反射镜(1)、第二面反射镜(2)、第三面反射镜(3)、第四面反射镜(4)、第一面半波片(5)和第二面半波片(6),且第一面反射镜(1)和第二面反射镜(2)以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称放置,第三面反射镜(3)和第四面反射镜(4)以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称放置,第一面反射镜(1)和第二面反射镜(2)的中心连线与第三面反射镜(3)和第四面反射镜(4)的中心连线平行设置,使得分束后的两束脉冲分别经过反射镜后所走的光程差相等,传播方向共线且相反,第一面半波片(5)和第二面半波片(6)以分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线为对称轴对称设置,且第一面半波片(5)和第二面半波片(6)均位于第三面反射镜(3)和第四面反射镜(4)之间;所述信号产生模块为具有倍频效应的透明微晶玻璃(7),且位于分束后两束脉冲传播方向的夹角的角平分线上;信号收集与处理模块收集微晶玻璃(7)产生的横向倍频信号。
2.根据权利要求1所述的以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于:所述分束模块包括分束元件(8)和第三面半波片(9),第三面半波片(9)位于分束元件(8)前。
3.根据权利要求1所述的以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于:所述信号收集与处理模块为照相机(10)或光谱仪。
4.根据权利要求1所述的以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于:所述透明微晶玻璃(7)所含的晶体为具有高二阶非线性系数的晶体中一种或两种以上的组合体。
5.根据权利要求4所述的所述的以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于,所述具有高二阶非线性系数的晶体为: LiNbO3、LiTaO3、NaNbO3、NaTaO3、KNbO3、KTaO3、β-BaB2O4、KTiOPO4、KH2PO4、Ba2TiSi2O8、Sr2TiSi2O8、Ba2TiGe2O8或SrxBa(1-x)Nb2O6,其中x=0.25-0.75。
6.根据权利要求1所述的所述的以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器,其特征在于,所述透明微晶玻璃(7)固定于三维调整架上。
7.根据权利要求1所述的所述的以微晶玻璃为倍频介质的基于横向倍频的超短脉冲探测器探测器,其特征在于,所述超短脉冲探测器适用于80fs-5ps的脉冲的探测。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191011 |
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