CN1673721A - 一种共线时间分辨Sagnac干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种基于Sagnac环形腔的共线时间分辨干涉仪，属于超快激光探测技术领域，用于探测各种高反射率材料和透明材料的非线性光学特性，利用两个偏振分束棱镜，两个45°全反射镜可以构成基本的Sagnac环形干涉仪。在环形干涉仪中光线返回时走环路，有效的减小了由热场和声场产生的寄生噪声，另外对信号进行差分探测，提高了反射信号的信噪比。同时可以对光的偏振度和偏振方向进行调节，实现稳定的光束干涉。另外，该发明还可以将光路固定封装成仪器，避免了复杂的光路调节，只需将待测样品放在固定的位置便可进行光学特性的测量。

Description

一种共线时间分辨Sagnac干涉仪

                            技术领域

本发明涉及时间分辨超快激光探测技术领域，尤其涉及一种共线时间分辨萨格纳克(Sagnac)干涉仪，能实现对各种高反射率材料和透明材料的非线性光学特性的研究。

                            技术背景

在材料的时间分辨超快现象探测技术中，由于干涉仪技术的灵敏度和其对探测脉冲的相位和振幅变化的高分辨，各种干涉仪被广泛应用于飞秒等离子体诊断、超快光开关等领域的研究。图1是现有的光信号检测Sagnac干涉仪基本结构示意图，包括激光光源的入射端口1，分束镜2、45°全反射镜a0、a1、a2共同构成的环形器以及信号输出端口3。

光从激光光源的入射端口1输入，经分束镜2分成等比的两束，一束沿着端口22经反射镜a2、a1、a0到达端口21后从端口23输出，另一束沿着端口21经反射镜a0、a1、a2到达端口22后从端口23输出。这样就形成两束方向相反的相干光，相干后射向探测器，当整个装置转动时，两束光将形成一定的光程差，光程差或拍频的大小正比于转动角度，这种独特的结构随后被扩展成各种形式的改进型的萨格纳克干涉仪装置。这种干涉仪的缺点是只能对透明材料的特性进行研究，且对输入光强不能进行灵活调节，也不能改变输入光的偏振度和偏振方向，同时对由热场和声场产生的寄生噪声消除有限，信号的信噪比较差，降低了实验装置的实用性。

                            发明内容

本发明的目的在于提出一种共线时间分辨Sagnac干涉仪，用于检测光与物质相互作用后产生的超快信号。通过本发明的装置，能大大消除由热场和声场产生的寄生噪声，并且可以灵活地改变探测光和参考光之间的光强比例，从而满足不同的实验要求。

本发明的技术方案是这样的：一种共线时间分辨Sagnac干涉仪，包括

二分之一波片3，用于改变入射光的偏振态，并且通过转动一定的角度可以改变探测光和参考光的强度比例；

无偏振分束棱镜4，用于将光分为两束而不改变光的偏振态；

环形光路结构，包括两个偏振分束棱镜和两个45°全反射镜，以构成基本的Sagnac干涉仪；

可以随意旋转偏转角度的四分之一波片7，用于改变光的偏振方向；

二色分束镜8，用于使基频光透过，倍频光反射；

四分之一波片10，用来对光进行起偏；

偏振片11，用来对由四分之一波片10起偏后的偏振光进行检偏；

0°全反射镜，以及衰减片。

本发明的突出效果在于大大的消除了由热场和声场产生的寄生噪声，可以灵活的改变探测光和参考光之间的光强比例，从而满足不同的实验要求。另外除了可以对透明材料进行测量外，还可以用来研究高反射率材料的特性，尤其适合于研究各种纳米材料的特性，易固定封装成仪器。

                            附图说明

图1是现有的Sagnac干涉仪的基本结构示意图；

图2是根据本发明实施例1的共线时间分辨Sagnac干涉仪的光路结构图；

图3是根据本发明实施例1中四分之一波片10转动的角度ψ与干涉仪的灵敏度、干涉条纹可见度和透射光强度之间的关系曲线图，其中，图3(a)是探测光和参考光透过偏振片11后的相位差与ψ之间的关系曲线图，图3(b)是经过偏振片11后干涉条纹的可见度与ψ之间的关系曲线图，图3(c)是经过偏振片11后透射光强度与ψ之间的关系曲线图。

图4是根据本发明另实施例2的实验结果图；

图5是根据本发明另实施例3的实验结果图。

                           具体实施方式

图2是根据本发明实施例1的共线时间分辨Sagnac干涉仪的光路结构图。该干涉仪包括输入光源1，50％：50％的分束镜2，它放在探测光与泵浦光之间，45°全反射镜a0-a13、0°全反射镜a14，二分之一波片3、无偏振分束棱镜4，它将探测光分为两束光，偏振分束棱镜5和6、45°全反射镜a10和a11构成的环形光路结构D，四分之一波片7，其可以随意旋转它的偏转角度，二色分束镜8，置于探测光与倍频泵浦光交叉口，滤光片13和倍频晶体9，45°全反射镜a1、a2、a3、a4构成的泵浦光的时间延迟装置C，衰减片12、偏振片11、定位光阑b0-b6、高反射率材料14和信号输出端口14和15。

分束镜2有一个入射端口20，两个出射端口21和22；无偏振分束棱镜4有四个端口：入射端口40、双向端口41、出射端口42、返回出射端口43和44共用一个端口；偏振分束棱镜5有三个端口：双向端口50、51、52；偏振分束棱镜6也有三个端口：双向端口60、61、62和63共用一个端口；四分之一波片7有一个入射端口70和出射端口71；二色分束镜有三个端口：双向端口80、81、82，可以对两束不同波长的光进行反射和透射；滤光片13有两个双向端口130、131；倍频晶体9的两个双向端口90和91，可以对一定波长的光进行倍频。延时装置C在电机来回移动的过程中，光线的传播路径不变。四分之一波片10的两个端口为：入射端口100、102共用一个端口、出射端口101、103共用一个端口，它的入射端口100、102与无偏振分束棱镜4的出射端口44、43相连。偏振片11有两个端口：入射端口110、112与四分之一波片的出射端口101、103的出射端口对应。衰减片12有两个双向端口120、121，它放置在0°全反射镜a14和无偏振分束棱镜4之间。

该干涉仪是这样进行工作的：

激光光源1从50％：50％分束镜2的入射端口20入射，一束反射光从端口22输出作为泵浦光，另一束透射光从端口21出射作为探测光，探测光经45°全反射镜a13和a12反射进入二分之一波片3的入射端口30，从出射端口31输出，这里我们把二分之一波片3转动一定的角度就可以改变探测光的偏振态，表现为光强的明暗变化，经调制后的光通过无偏振分束镜4分为两束光，一束反射光从端口42出射经衰减片12由0°全反射镜反射后从出射端口43输出，另一束从端口41出射，经双向端口50进入偏振分束棱镜5、45°全反射镜a11和a10、偏振分束棱镜6组成的环形光路D：

1.入射光路径：光经偏振分束棱镜5分为两束偏振光：水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光从双向端口51输出，由双向端口60进入偏振分束棱镜6，然后从双向端口61输出，垂直偏振光从双向端口52输出经45°全反射镜a11和a10反射，从双向端口63进入偏振分束棱镜6，最后从双向端口61输出，在这里与水平偏振光重合，最后经高反射率材料14反射回来从双向端口61进入环形光路D；

2.反射光路径：由高反射率材料反射回来的光两次经过四分之一波片7，这样四分之一波片7就相当于一个二分之一波片，把四分之一波片转动一定的角度，反射回来的光在偏振分束棱镜6的双向端口61处与入射时光的偏振方向相反，这样在双向端口61处原来入射的水平偏振光变为垂直偏振光，入射的垂直偏振光变为水平偏振光，于是入射时从双向端口52出射经45°全反射镜a11和a10由双向端口63入射，再由双向端口63出射的垂直偏振光，反射回来时转变为由双向端口63入射经双向端口60出射，进入双向端口51由双向端口50出射的水平偏振光；入射时由双向端口50入射经双向端口51出射，进入双向端口60由双向端口61出射的水平偏振光，反射回来时转变为由双向端口61入射经双向端口62出射、45°全反射镜a10和a11反射进入双向端口53，由双向端口50出射的垂直偏振光。所以在环形光路D中两束光的光程差为零，不需要对其光程差进行补偿。

图2中，经环形光路D反射回来从双向端口50出射的两束重合光，由双向端口41进入无偏振分束棱镜4，然后从出射端口44输出，在这里和从0°全反射镜反射回来由端口43出射的光分别进入四分之一波片的入射端口100和102，经四分之一波片10起偏，从端口101、103输出对应于偏振片11的入射端口110和112，偏振片11对由四分之一波片10起偏的光进行检偏，使从端口111和113(这里，端口111和端口113实际上是同一个端口，只是为了方便表示两束不同性质的光的输出而标注)输出的两束重合光和由0°全反射镜反射回来由端口113出射的参考光偏振方向一致，转动四分之一波片10的角度，在其出射端口可以看到两束重合光的明暗变化，说明两束重合的相干光产生了干涉。

激光光源经分束镜2反射由端口22输出的另外一束光作为泵浦光，它的作用是激发样品中的电子，使其产生能级跃迁，从而使样品表现出宏观上的光信号，并由探测光对信号进行探测。泵浦光由45°全反射镜a0反射后进入延时装置C，移动延时装置可以改变泵浦光到达高反射率材料14的时间，泵浦光经过延时装置后进入倍频晶体9的双向端口91，从双向端口90输出，这时出射的光是原来基频光的倍频光，波长是原来基频光的一半，但倍频晶体不可能将所有的入射光都倍频，其中有一部分是原来的基频光，从双向端口90出射的光进入滤光片13的双向端口131后，由双向端口130出射的光全部为倍频光，出射的倍频光经45°全反射镜a7和a8反射后，由双向端口82入射由二色分束镜反射后进入待测的高反射率材料14，其中二色分束镜8的作用是使基频光透过，倍频光反射。当光通过无偏振分束棱镜4后，光电场的琼斯矢量表示为( )，其中r是光由偏振分束镜5产生的水平偏振光(参考光)经高反射率材料反射后产尘的材料复合振幅反射系数，r′＝r′(τ)是由偏振分束镜5产生的垂直偏振光(探测光)经高反射率材料反射后产生的材料系数，τ是泵浦光与探测光之间的延迟时间。在正常情况下通过调节二分之一波片3，可以得到E₁＝E₂。如果四分之一波片10的光轴与入射光的夹角为ψ，则对应于透过偏振片11的光电场的琼斯矢量为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\ψ}}=\frac{(x+y)}{2}\left\{\right[{{\sin }^2}_{\mathrm{\ψ}+}{i\cos }^2\mathrm{\ψ}+(1-i)\\ \×\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\ψ}]E_{2}r-[{\cos }^2\mathrm{\ψ}+{i\sin }^2\mathrm{\ψ}+(1-i)\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\ψ}\left]E_1{r}^{\′}\right\}\end{array}$

从E_ψ或|E_ψ|²中得到干涉仪可以表示为夹角ψ的函数，它们的相互关系见图3。对于r＝rexp(iθ)和E₁＝E₂，θ为可变相位，图3(a)表示经过偏振片11后参考光和探测光之间的相位差，图3(b)表示条纹可见度，图3(c)表示θ＝0时透射光的强度，当ψ＝0°、90°、180°、270°时干涉仪的灵敏度、条纹可见度和光信号强度同时达到最大，由此当ψ的角度减半时可以用来判断干涉仪的光路是否已经准直。

图4是根据本发明实施例2的实验结果图。本实施例的光路图同图2基本相似，不同之处仅是在45°全反射镜a13的前面加入一个衰减片，减小探测光的强度，使泵浦光与探测光的光强比例增加，实验结果如图4所示，图4(a)表示泵浦光与探测光的时间延迟逐渐增大时的实验结果，图4(b)表示泵浦光与探测光的时间延迟逐渐减小时的实验结果。通过比较这两种实验结果可知，不论泵浦光和探测光哪个先到达样品，信号不变只是延迟时间反过来了，这是正常的，这说明了装置的稳定性。

图5是根据本发明实施例3的实验结果图，本实施例的光路图同实施例2基本相似，不同之处仅是在实施例2的光路的前面再增加一个衰减片，使泵浦光与探测光强度的比例进一步增大，得到的实验结果如图6所示，从中看到在探测光的强度进一步减弱时，探测到的信号的信噪比进一步增大。当然，不能将探测光的强度无限的减小，必须保证它的强度使样品产生信号。

以上虽然结合实施例描述了本发明，很明显对于本领域的技术人员根据前面所描述的内容作出多种替代、修改、和变化是显而易见的，因此，所有这样的替代、修改和变化都应该落入本发明的权利要求的精神和范围之中。

Claims (6)

1.一种共线时间分辨Sagnac干涉仪，其特征在于，包括

二分之一波片3，用于改变入射光的偏振态，并且通过转动一定的角度可以改变探测光和参考光的强度比例；

无偏振分束棱镜4，用于将光分为两束而不改变光的偏振态；

环形光路结构，包括两个偏振分束棱镜和两个45°全反射镜，以构成基本的Sagnac干涉仪；

可以随意旋转偏转角度的四分之一波片7，用于改变光的偏振方向；

二色分束镜8，用于使基频光透过，倍频光反射；

四分之一波片10，用来对光进行起偏；

偏振片11，用来对由四分之一波片10起偏后的偏振光进行检偏；

0°全反射镜，以及衰减片。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，其进一步特征在于，入射光经过所述二分之一波片3之后，光的偏振态发生了改变，调节所述二分之一波片的角度可以控制所述环形光路中水平偏振光与垂直偏振光的强度比例。

3.根据权利要求1所述干涉仪，其进一步特征在于，环形光路中的偏振分束棱镜可以将光分为两束：水平偏振光和垂直偏振光。

4.根据权利要求1所述的干涉仪，其进一步特征在于，环形光路的形成依靠旋转所述四分之一波片7一定的角度实现。

5.根据权利要求1所述干涉仪，其进一步特征在于，入射光由所述二分之一波片3的输出端口到达无偏振分束棱镜4的输入端口时除分为两束光41和42外，还可以将由高反射率材料14反射回来从端口41进入无偏振分束棱镜4的两束相干光从端口44反射出来。

6.根据权利要求1所述的干涉仪，其进一步特征在于，经无偏振分束棱镜4的输出端口44输出的探测光和参考光必须通过四分之一波片10的起偏和偏振片11的检偏才可以使两束相干光产生干涉。

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