CN113959568A - 一种超短激光脉冲时间强度分布的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超短激光脉冲时间强度分布的测量系统及测量方法,包括和待测量激光时序同步的一台飞秒激光器、一台精密光学延迟平台、一台电动旋转安装座、一片固定在电动旋转安装座上的半波片、一块非线性晶体、一个光电倍增管、一台示波器和一台计算机组成。整个测量系统由计算机控制,功能包括控制电动旋转安装座、精密光学延迟平台、读取示波器采集自光电倍增管的信号,最终给出超短脉冲激光的时间强度分布。所述的测量系统可以测量任意偏振包括混合偏振的激光脉冲时间强度分布,整个系统结构简单,测量过程可以自动化完成。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光测试测量技术领域,具体是一种可以对任意偏振包括混合偏振的超快激光的时间强度分布进行自动化测量的系统。
背景技术
在超快激光测试测量技术领域中,脉冲激光的时间强度分布是一个非常重要的特性。常见的时间强度分布测量方法包括光电探测器、条纹相机以及互相关测量方法。光电探测器的优点在于价格低廉、测试过程简便易行,但是对于超短激光脉冲,这种测量方法的时间分辨性能远远不够。条纹相机的测量精度远高于光电探测器,目前可以达到亚皮秒量级,缺点在于价格非常昂贵。对于超短激光脉冲,常用的一种测量方法是采用光学互相关的方法,成本较低而且在合适的测量条件下也可以获得足够的测量精度。普通的光学互相关方法只能测量线偏振的激光脉冲,对于非线偏振的激光,例如同时包含水平和垂直偏振分量的混合偏振激光就无法进行测量。
一般情况下,商用超快激光器直接输出的是线偏振、时间强度分布线型为对称的高斯或者洛伦兹分布的激光脉冲,由于分布线型已经确定,所以测量得到脉宽就可以获知其完整的时间分布情况。通常的互相关方法可以满足此类激光的测量需求。
对于非线偏振、时间分布更为复杂的激光脉冲,则需要其他方法进行测量。例如自由电子激光装置的驱动激光往往需要整形成近似平顶的时间强度分布,该分布可以采用“脉冲堆积”的方法获得。具体将脉冲激光依次通过一个厚度和晶轴方向经过特定设计的双折射晶体序列,就可以在水平和垂直偏振方向各产生一个脉冲序列,这两个脉冲序列的强度叠加之后在时间上就近似平顶分布。要精细测量类似这样一个叠加脉冲序列的时间分布情况,之前所述的技术无法采用,而本发明所述的系统可以解决此类问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种对超快激光的时间强度分布进行自动化测量的系统及测量方法。该系统可以对任意偏振包括混合偏振的激光脉冲进行测量,同时可以给出时间分布的细节信息。尤其适用于测量混合偏振和时间分布不规则的超快激光脉冲。
本发明的技术解决方案:一种超短激光脉冲时间强度分布的测量系统,其特征在于:所述的系统包括和待测量激光时序同步的一台飞秒激光器、一台精密光学延迟平台、一台电动旋转安装座、一片固定在电动旋转安装座上的半波片、一块非线性晶体、一个光电倍增管、一台示波器和一台计算机组成;其中:
和待测量激光时序同步的飞秒激光器输出的飞秒脉冲光称为参考光,参考光和待测量激光在非线性晶体中相互作用产生的和频光或者差频光称为信号光,信号光的强度与两束入射到晶体的脉冲激光的强度、两者在时间和空间上的重合情况、各自的偏振态以及晶体的非线性转化效率有关。
精密光学延迟平台用于改变参考光到非线性晶体的光程,参考光和待测量激光到达非线性晶体的时间差称为延迟时间,精密光学延迟平台的每一个位置都对应一个延迟时间,等步长选择一系列延迟时间,即对应一系列的精密光学延迟平台位置,系统工作时精密光学延迟平台受计算机的控制会按顺序依次移动到每一个位置,然后采集信号光强度,这个过程称为扫描,这一系列设定位置称为扫描位置。
电动旋转安装座用于固定半波片,它可以在计算机的控制下旋转到指定角度,从而改变半波片光轴的角度。固定在电动旋转安装座上的半波片用于旋转待测量激光的偏振态,只有非线性晶体光轴、参考光偏振态和待测量激光偏振态相位匹配的前提下才能有信号光输出,因此半波片改变待测量激光偏振态之后就可以分别测量两个偏振方向互相垂直的激光分量。
非线性晶体用于产生信号光,当待测量激光和参考光的偏振方向与非线性晶体的光轴方向相位匹配,且非线性晶体有足够的转换效率,就可以产生能被光电倍增管探测到的信号光,在可见光波段,通常采用β-BBO晶体。
光电倍增管用于将探测到的信号光转换为电信号,并将电信号传入示波器。示波器用于显示采集到的电信号波形,并将电信号幅度传输到计算机。
计算机与精密光学延迟平台、电动旋转安装座和示波器分别建立连接,配置采集方式,进行数据采集、显示和保存。
计算机初始化之后按设定进入扫描,控制电动旋转安装座转动到第一个指定角度,继而控制精密光学延迟平台移动到第一个设定扫描位置,待测量激光和经过精密光学延迟平台的参考光在非线性晶体中相互作用产生可以被光电倍增管探测到的信号光,光电倍增管将光信号转化为电信号导入示波器,示波器将信号幅度数据送入计算机并显示延迟线位置与信号强度的数据点;控制精密光学延迟平台移动到第二个设定扫描位置再次进行同样过程,依次扫描直到最后一个位置;控制电动旋转安装座转到第二个角度位置,控制精密光学延迟平台进行同样的扫描过程;将电动旋转安装座两个角度下采集的信号叠加就可以得到待测量激光在完整时间强度分布;保存数据到指定位置,整个测量过程结束。
计算机加以配置的采集方式包括:设定电动旋转安装座的两个角度位置,精密光学延迟平台每次扫描经过的初始位置、终点位置以及步长,采集到的数据保存位置。
参考光和待测量激光入射到晶体时,可以采用非共线方式,如果两束光的波长存在明显差异,也可以采用共线的方式,两束光采用双色镜合并到一起,经过晶体之后可以采用三棱镜分光的方式将信号光单独导入到光电倍增管,按照波长对材料的透过率情况,三棱镜的材质可以采用氟化钙或者紫外熔融石英等。
用以采集信号光的光电倍增管在信号光强度允许条件下可以替换为其他类型的光探测器,例如基于光电二极管的偏压探测器。从光电倍增管或其他光电探测器读取电信号的示波器可以替换为其他模数转换设备,例如数据采集卡。
本发明与现有技术相比的优点在于:结构简单,需要进行时间分布精细测量的激光系统往往已经包含有振荡器,可以用作本发明所描述的飞秒激光器,将其输出光分出一部分即可;可以对任意偏振包括混合偏振的激光进行测量;可以给出时间分布的细节情况,而不是仅提供脉宽等大致的参数,特别适用于时间分布不规则的激光脉冲;整个测量过程自动化完成,提升工作效率。
附图说明
图1为本发明的组成结构图;
图2为本发明的整体流程图;
图3为本发明整体流程中的硬件连接示意图;
图4为本发明整体流程中的采集方式配置示意图;
图5为本发明整体流程中的数据采集流程图;
图6为本发明数据采集流程中的位置扫描流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示,本发明包括和待测量激光时序同步的一台飞秒激光器1、一台精密光学延迟平台2、一台电动旋转安装座3、一片固定在电动旋转安装座上的半波片4、一块非线性晶体5、一个光电倍增管6、一台示波器7、计算机8和反射镜组9组成;其中:
和待测量激光时序同步的飞秒激光器1输出的飞秒脉冲光称为参考光,参考光和待测量激光经反射镜组9引导按给定的光路传播,在非线性晶体5中重合,相互作用产生的和频或者差频光称为信号光,信号光的强度与两束入射到晶体5的脉冲激光的能量、两束光在时间和空间上的重合情况以及各自的偏振态有关。
根据激光波长和所选择的非线性晶体5种类,激光入射角度、晶体5角度需要满足相位匹配或者准相位匹配条件。
如果满足相位匹配或准相位匹配条件,在小信号近似的情况下,信号光的光强与入射到晶体5的两束光的光强以及晶体厚度成正比:
Is∝IrImL
上式中,Is是所产生的信号光强度,Ir和Im分别是参考光和待测量激光在时间和空间重合区域的光强,L是晶体5厚度。从上式可知,在一定范围内,入射光的能量越高,所产生的信号光能量也越强。在实际实施过程中,参考光的能量往往相对有限,产生的信号光能量也较弱,这是采用灵敏度高的光电倍增管6的原因,如果参考光的能量比较强,则可以采用其他灵敏度较低的光电探测器。
另一方面,因为相位匹配的要求,不同波长的激光在晶体5中的相速度相同,但是群速度往往不同,在待测量激光、参考光和信号光在晶体中的传播群速度不同的条件下,会出现群速失配的情况,这会影响到测量精度,为了尽可能减小这种影响,必须对晶体5厚度做一定限制,晶体5厚度的上限可以采用如下判据:
上式中,τr是参考光的脉冲宽度,vr和vm分别是参考光和待测量激光在非线性晶体5中的群速度。
精密光学延迟平台2用于改变参考光到非线性晶体5的光程,参考光和待测量激光到达非线性晶体5的时间差称为延迟时间,精密光学延迟平台2的每一个位置都对应一个延迟时间,等步长选择一系列延迟时间,即对应一系列的精密光学延迟平台2位置;系统工作时精密光学延迟平台2受计算机8的控制会按顺序依次移动到每一个设定位置,然后采集信号光强度,这个过程称为位置扫描,这一系列设定位置称为扫描位置。
电动旋转安装座3用于固定半波片4,它可以在计算机8的控制下旋转到指定角度,从而改变半波片4光轴的角度。
固定在电动旋转安装座3上的半波片4用于旋转待测量激光的偏振态,只有非线性晶体5光轴、参考光偏振和待测激光偏振相位匹配的前提下才能有信号光输出,因此半波片4改变待测量激光偏振之后就可以分别测量垂直和水平两个偏振方向的分量。
非线性晶体5用于产生信号光,当待测量激光和参考光的偏振方向与非线性晶体5的光轴方向相位匹配,且非线性晶体5有足够的的效率,就可以产生能被光电倍增管6探测到的信号光,在可见光波段,通常采用β-BBO晶体。
光电倍增管6用于将探测到的信号光转换为电信号,并将电信号传入示波器7。示波器7用于读取和显示采集到的电信号波形,并将电信号幅度传输到计算机8。
如图2所示,计算机8初始化系统之后首先与硬件建立连接,继而配置采集方式,然后进行信号采集、处理、显示和保存。
如图3所示,和计算机建立连接的硬件包括精密光学延迟平台2、电动旋转安装座3、示波器7。
如图4所示,配置采集方式包括:电动旋转安装座3的两个角度位置α和β、精密光学延迟平台2每次位置扫描经过的扫描位置、数据保存位置;
如图5所示,计算机3默认采用双偏振模式的采集方式,首先控制电动旋转安装座3转动到第一个选定角度位置α,继而控制精密光学延迟平台2进行进行位置扫描。扫描结束之后,控制电动旋转安装座3到第二个角度位置β,α和β的夹角必须是45°,控制精密光学延迟平台2进行同样的位置扫描过程;将电动旋转安装座3在两个角度下采集的信号叠加就可以得到待测量激光脉冲能量在时间上的分布。最后保存数据到指定位置,整个测量过程结束。对于线偏振的待测量激光,也可以不采用双偏振模式,而是按照待测量激光的偏振态设定半波片角度γ,只进行一遍位置扫描即可获得完整的时间强度分布。
如图6所示,在电动旋转安装座3的某一个角度下,位置扫描的过程是:精密光学延迟平台2首先移动到初始位置L0,待测量激光和经过精密光学延迟平台2的参考光在非线性晶体5中相互作用产生可以被光电倍增管6探测到的信号光,光电倍增管6将光信号转化为电信号导入示波器7,示波器7将信号幅度数据送入计算机8并显示精密光学延迟平台2的位置与信号强度的数据点。精密光学延迟平台位置依次增加步长Ls的整数倍,每次增加都判断新位置Li=L0+Ls×i(i是整数)是否超过终止位置Le,如果未超过,那么电动延迟平台2移动到Li,计算机8读取并显示数据,如果已超过Le,那么位置扫描结束。
飞秒激光器1输出的参考光和待测量激光的脉宽相对比例会影响时间分布测量精度,参考光的脉宽相对于待测量激光的脉宽越短,测量精度越高,参考光的脉冲宽度通常应小于待测量激光宽度的五分之一。偏振片4角度是否准确对于测量精度非常重要,所以电动旋转安装座3需要闭环控制。
计算机8数据显示内容包括以精密光学延迟平台2坐标为横轴、以信号光强度为纵轴的数据点连成的曲线,并在采集过程中实时刷新,采集完成后显示电动旋转安装座3在两个设定角度下采集的两条曲线以及两条曲线的叠加结果。数据保存时,测量数据保存所选文件夹下;同时保存在同一文件夹下的还有实验条件,包括采集参数以及其他可以手动输入的参数。
实施例2
测量经过“脉冲堆积”之后产生的近似平顶分布的脉冲激光。用以进行堆积的脉冲往往可以用钛宝石啁啾脉冲放大器产生的红外光进一步倍频或者三倍频获得,而钛宝石啁啾脉冲放大器本身就包含有一台飞秒振荡器,其输出的激光和放大器输出的激光同步,脉宽往往在50fs左右,完全满足系统对参考光的要求。因此可以将振荡器输出光分出一部分作为参考光,采用本发明所提出的方法对堆积后的脉冲时间强度分布进行精细测量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种超短激光脉冲时间强度分布的测量系统,其特征在于:该测量系统包括和待测量激光时序同步的一台飞秒激光器(1)、一台精密光学延迟平台(2)、一台电动旋转安装座(3)、固定在电动旋转安装座(3)上的半波片(4)、一块非线性晶体(5)、一个光探测器(6)、一台模数转换设备(7)和一台计算机(8);其中:
系统工作时,所述精密光学延迟平台(2)受计算机(8)的控制会按顺序依次移动采集信号光强度;所述电动旋转安装座(3)用于固定半波片(4),在计算机(8)的控制下旋转到指定角度,改变半波片(4)光轴的角度;
所述光探测器(6)用于将探测到的信号光转换为电信号,并将电信号传入模数转换设备(7);模数转换设备(7)用于显示采集到的电信号波形,并将电信号幅度传输到计算机(8);
所述计算机(8)与精密光学延迟平台(2)、电动旋转安装座(3)和模数转换设备(7)分别建立连接,配置采集方式,进行数据采集、显示和保存。
2.根据权利要求1所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量系统,其特征在于,所述非线性晶体在可见光波段,采用β-BBO晶体。
3.根据权利要求1所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量系统,其特征在于,所述配置采集方式具体为:设定电动旋转安装座(3)的两个角度位置,精密光学延迟平台(2)每次扫描经过的初始位置、终点位置以及步长,采集到的数据保存位置。
4.根据权利要求1所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量系统,其特征在于,所述光探测器(6)为光电倍增管或基于光电二极管的偏压探测器。
5.根据权利要求1所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量系统,其特征在于,所述模数转换设备(7)为示波器或数据采集卡。
7.一种用权利要求1-6任一所述超短激光脉冲时间强度分布的测量系统的测量方法,其特征在于:该方法采用双偏振模式的采集方式,计算机初始化之后按设定进入扫描,控制电动旋转安装座(3)转动到第一个指定角度α,继而控制精密光学延迟平台(2)移动到第一个设定扫描位置,待测量激光和经过精密光学延迟平台(2)的参考光射到非线性晶体(5)产生信号光;控制精密光学延迟平台(2)移动到第二个扫描位置再次进行同样过程,依次扫描直到最后一个位置;控制电动旋转安装座(3)转到第二个角度位置β,控制精密光学延迟平台进行同样的扫描过程;将电动旋转安装座(3)两个角度下采集的信号叠加得到待测量激光脉冲能量的完整时间强度分布;保存数据到指定位置,整个测量过程结束。
8.根据权利要求7所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量方法,其特征在于,所述α和β的夹角为45°。
9.根据权利要求7所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量方法,其特征在于,所述参考光和待测量激光入射到晶体时采用非共线方式或共线方式。
10.根据权利要求7所述的超短激光脉冲时间强度分布的测量方法,其特征在于,所述参考光和待测量激光采用双色镜合并到一起,经过晶体(5)采用三棱镜分光的方式将信号光单独导入到光电倍增管,所述三棱镜的材质采用氟化钙或紫外熔融石英。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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