CN205120249U - 一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪。该自相关仪包含分束板、柱透镜、平移台、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、非线性介质、凸透镜、挡光板、线阵CCD、计算机。该方案的测量过程实时、单次，可以在超短脉冲激光实验室为激光器的优化调节提供现场的反馈、以及在激光与物质相互作用的研究过程中，为激光物理实验提供现场的激光脉宽和波形方面的信息。该方法结构简单、操作方便、价格低廉，值得在各个超短脉冲激光实验室推广应用。

Description

一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪

技术领域

本实用新型具体涉及一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪。

背景技术

紫外超短脉冲激光是光与物质相互作用研究领域的有力工具，对该激光脉宽的准确测量具有重要的意义。高功率紫外超短脉冲激光的脉冲发射频率较低，要求脉冲源只发射一个脉冲就必须完成脉宽的测量。

自相关法是测量超短脉冲激光脉宽的基本方法，它的基本原理是对来自同一光源的两束光引入一定的时间延迟，然后将两束光入射到非线性介质中，由于非线性光学效应，将产生与时间延迟相关的信号光，测量信号光强度随时间延迟的变化就可以从中得到脉宽信息。

单次自相关法是通过两束光的波前以一定的夹角在非线性介质中相交的方式获得随空间位置变化的时间延迟，记录信号光强度的空间分布即可获得脉宽信息。

基于自相关原理、且能设计成单次测量的方法有双光子荧光法、互相关频率转换法、自衍射法、频率分辨光学开关法(FROG)等。在这些方法中，双光子荧光法通过测量两延迟脉冲所激发的荧光强度来获得脉宽，信号中具有较强的荧光本底，测量的灵敏度较低；互相关频率转换法通过测量两延迟脉冲在非线性晶体中产生的和频光强度来获得脉宽，它受制于非线性晶体的透过波段，比如常见的KDP、BBO等晶体的截止波长在200nm左右，限制了可测量的波长范围；自衍射法通过测量两延迟脉冲在非线性介质中干涉形成的感应光栅对自身的衍射光强度来获得脉宽，但它需要较小的光束夹角以维持较小的相位失配量，限制了单次方式可测量的时间范围；FROG法通过记录激光在时间-频率域的二维强度谱图，然后对谱图进行多次迭代运算以还原出脉冲的电场、光谱、脉宽、相位等信息，但此过程耗时较长，不能实时测量。

实用新型内容

本实用新型采用瞬态光栅衍射法设计了一种紫外单次自相关仪，旨在解决以上在测量紫外超短脉冲激光脉宽过程中所遇到的问题，即：

(1)双光子荧光法具有信号本底、灵敏度低；

(2)互相法频率转换法受制于非线性晶体的透过波段，限制了可测量的波长范围；

(3)自衍射法受相位失配的影响，限制了可测量的时间范围；

(4)FROG法需要耗时较长的迭代运算，不能实时测量等。

瞬态光栅衍射法是一种基于三阶非线性光学效应的简并四波混频过程。本实用新型提供一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪，该自相关仪包含分束板、柱透镜、平移台、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、非线性介质、凸透镜、挡光板、线阵CCD、计算机。所述分束板是指在一块平板上挖出三个相同的正方形孔，三个孔心位于一个正方形的三个顶点上，将平行入射到其上的待测激光分成横截面为正方形的三束激光；所述柱透镜将三束激光在所述非线性介质中进行线聚焦；所述平移台带有精密位移螺旋调节；所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜为方形镜；所述第一反射镜、第二反射镜安装在所述平移台上，且法线相互垂直，且与所述平移台组成一个时间延迟线，可对入射到其中的一束激光的光程进行调节，其中第二反射镜将该束激光反射到所述非线性介质中；所述第三反射镜与第一反射镜边缘紧靠、且两镜面法线相互平行；所述第四反射镜与第二反射镜边缘紧靠，且两镜面法线具有一定的夹角，所述第四反射镜将另外两束始终保持时间同步的激光入射到所述非线性介质中，三束激光的横截面在非线性介质中重合；所述非线性介质为透紫外光的熔石英薄片；所述凸透镜将非线性介质上的焦线成像在所述的线阵CCD上；所述挡光板将从非线性介质出射的所述原三束激光挡住，仅让从非线性介质中新产生的信号光通过；所述线阵CCD用来接收信号光；所述计算机配有信号光采集程序。

从所述第二反射镜反射的第一束激光与从所述第四反射镜反射的、且与第一束激光等高平行的第二束激光以一定的夹角在所述非线性介质中相交，且光束的焦线重合，沿着焦线的不同位置，两束激光波前上的脉冲具有不同的时间延迟，当它们的脉冲时间和光束横截面在非线性介质上都重叠时，两束激光相互干涉，形成光强周期性分布的干涉条纹，由于三阶非线性效应，介质的折射率的大小与光强成正比，于是形成了折射率周期性分布的瞬态光栅，该光栅只有激光脉冲到达非线性介质的瞬间存在，并对从第四反射镜反射的第三束激光进行衍射，采集衍射光强度的空间分布，即单次自相关曲线。

获得单次自相关曲线之后，需要对CCD像素进行标定，采用的标定方法是平移所述第一反射镜、第二反射镜、平移台组成的时间延迟线，则自相关曲线将在线阵CCD上同步整体平移，记录时间延迟线与自相关曲线峰值像素之间的对应关系，即可获得线阵CCD每像素代表的时间延迟，从而可从自相关曲线获得脉冲宽度。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的主要功能是对紫外超短脉冲激光进行脉宽测量和波形分析，它具有以下特点：首先，可对单次发射的脉冲进行测量；其次，可分辨波形结构复杂的脉冲；第三，可对脉冲进行实时测量。

本实用新型的设计方案解决了上述其他测量方法中遇到的问题：

(1)该方案采用的是三阶非线性过程，获得的自相关曲线是非对称性的，没有固有的本底，信噪比较高，克服了双光子荧光法的局限；

(2)该方案基于简并四波混频过程，衍射光的波长与三束入射光的波长一致，适用波段可扩展到非线性晶体的截止波长，克服了互相关频率转换法的局限；

(3)该方案中的衍射光与三束入射光的光束中心组成一个正方形，衍射光与三束入射光在非线性介质中达到自动相位匹配，克服了自衍射法的局限；

(4)该方案直接采用线阵CCD获得衍射光随空间的分布，不需要迭代运算的过程，因而可以对脉宽进行实时测量。

该方案在操作上简单易行，这体现在由所述第一反射镜、第二反射镜、平移台组成的时间延迟线，实现了如下三个功能：一是在安装仪器的过程中，调节该时间延迟线，使信号光较容易出现；二是通过平移台自带的精密空间位移螺旋即可对线阵CCD的像素-时间关系进行标定；三是当仪器失调、信号消失时，可以通过调节该时间延迟线使信号重现。

该方案在材料的使用上节省了成本，主要体现在：首先，该方案没有使用双光子荧光法中昂贵的真空系统；其次，该方案没有使用互相关频率转换法中昂贵的非线性晶体，而是使用廉价的熔石英薄片；再次，该方案没有使用FROG法中昂贵的成像光谱仪，而是使用廉价的线阵CCD采集信号。

该方案的应用范围体现在：可以在超短脉冲激光实验室为激光器的优化调节提供现场的反馈、以及在激光与物质相互作用的研究过程中，为激光物理实验提供现场的激光脉宽和波形方面的信息。

总之，该方案结构简单、操作方便、价格低廉，且测量过程实时、单次、精确度高，值得在各个超短脉冲激光实验室推广应用。

附图说明

图1是本实用新型瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪的测量装置俯视图；

图2为分束板和挡光板顺着激光传播方向观察的形状示意图；

图3为非线性介质4中瞬态光栅衍射的立体图；

图4为KrF准分子激光器的输出脉冲单次自相关曲线图；

图5为双脉冲的单次自相关曲线图；

图6脉宽压缩实验中的脉宽实时测量图，其中(a)为脉冲压缩前；(b)为脉宽压缩后。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

参阅图1、图2、图3，本实用新型的光学元件包括分束板1、柱透镜2、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、平移台3、非线性介质4、凸透镜5、挡光板6、线阵CCD7和计算机8，各光学元件的具体尺寸和它们之间的位置关系如下：

待测激光k0为直径大于50mm的平行光。分束板1是在一块平板上凿出三个正方形小孔k1'、k2'、k3'，正方形小孔的尺寸为10mm×10mm，孔心间距为15mm，孔心位于虚线所示的大正方形的三个顶点上。分束板1将待测激光k0分为三束横截面为10mm×10mm、光束中心间距为15mm的平行光k1、k2、k3。柱透镜2的截面尺寸为50mm×50mm、中心厚度为4mm、焦距为400mm、材料为熔石英、镀200-400nm的紫外增透膜。柱透镜2对三束光k1、k2、k3进行线聚焦，焦线平行于纸面，且位于非线性介质4上。第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4的反射镜尺寸为40mm×25mm、厚度为2mm、镀200-400nm紫外加强铝膜。M1、M2放置在平移台3上，且法线相互垂直，M1和M3边缘靠近且距离稍大于2mm，其法线互相平行，M2和M4边缘靠近且距离稍大于2mm，其法线夹角为5°。光束k1以平行于平移台平移的方向以45°入射角入射到第一反射镜M1上，其反射光再以45°入射角入射到第二反射镜M2上，其反射光平行于平移台平移方向；光束k2、k3保持时间同步，并以45°入射角同时入射到第三反射镜M3上，其反射光平行于光束k1，并入射到第四反射镜M4上；调节第四反射镜M4，使从第四反射镜M4出射的光束k2和从第二反射镜M2出射的光束k1以10的夹角在非线性介质4上相交重合。

该结构实现了以下三个主要功能，一是安装仪器的过程中，调节该时间延迟线，使信号光较容易出现；二是通过平移台的精密空间位移螺旋可对线阵CCD的像素-时间关系进行标定；三是当仪器失调、信号消失时，可以通过调节该时间延迟线使信号重现。

非线性介质4的厚度为1.0mm、材料为熔石英。调节平移台3，使得光束k1和光束k2、k3的脉冲时间在非线性介质4内部重叠，其中光束k1和光束k2形成折射率瞬态光栅G，对光束k3进行衍射，形成衍射光束ks。从非线性介质4出射的四束光k1、k2、k3和ks的光束截面中心形成一个正方形。

该结构能够实现在所述非线性介质中各光束之间达到自动相位匹配，使衍射的信号光强度达到最大。

凸透镜5的焦距为200mm、直径为50mm、镀200-400nm紫外增透膜、材料为熔石英，它将非线性介质4上的焦线成像在线阵CCD7上，线放大率为3，线阵CCD7的长度方向与焦线平行。

该结构使得在线阵CCD上采集、并在计算机程序上显示的曲线就是自相关曲线，且实时显示，不需要数值迭代还原运算的过程，使脉宽的实时测量得以实现。

挡光板6将从非线性介质4出射的光束k1、k2、k3挡住，仅让衍射光束ks通过。线阵CCD7的像素单元8μm×8μm，像素数3694，信噪比500:1。计算机8装配有线阵CCD的信号采集程序。

利用以上所述结构研制的实用新型瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪的主要参数如下：

1)适用波长248-400nm；

2)CCD每像素代表3.7fs；

3)量程为5.2ps；

4)系统标准误差小于2.0％。

作为本实用新型的具体实施例，首先将该仪器应用到KrF准分子激光器的脉宽测量上，测量过程仅使单次脉冲进入紫外单次自相关仪，采集到的单次自相关曲线如图4所示，波长248nm，脉宽为500fs，说明该仪器具备测量单次脉冲的功能；然后将该仪器应用到波长为372nm的双脉冲的测量上，采集到的双脉冲单次自相关曲线如图5所示，主峰与次峰相距417fs，且两次峰的脉宽和波形结构并不相同，说明该仪器具备分辨复杂脉冲内部结构的功能；再次将该仪器应用到脉宽压缩实验中，如图6所示，波长为400nm。其中图6(a)为压缩前的自相关曲线，脉宽156fs，图6(b)为压缩后的自相关曲线，脉宽为55fs，在脉宽压缩的过程中，自相关曲线的宽度随着脉宽压缩器件的调节而实时发生改变，说明该仪器具备对脉冲进行实时脉宽测量的功能。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪，其特征在于：

该自相关仪包含分束板、柱透镜、平移台、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、非线性介质、凸透镜、挡光板、线阵CCD、计算机；

所述分束板是在一块平板上挖出三个相同的正方形孔，三个孔心位于一个正方形的三个顶点上，将平行入射到其上的待测激光分成横截面为正方形的三束激光；所述柱透镜将三束激光在所述非线性介质中进行线聚焦；所述第一反射镜、第二反射镜安装在所述平移台上，且法线相互垂直，且与所述平移台组成一个时间延迟线，可对入射到其中的一束激光的光程进行调节，其中第二反射镜将该束激光反射到所述非线性介质中；所述第三反射镜与第一反射镜边缘紧靠、且两镜面法线相互平行；所述第四反射镜与第二反射镜边缘紧靠，且两镜面法线具有一定的夹角，所述第四反射镜将另外两束始终保持时间同步的激光入射到所述非线性介质中，三束激光的横截面在非线性介质中重合；所述凸透镜将非线性介质上的焦线成像在所述的线阵CCD上；所述挡光板位于凸透镜和线阵CCD之间，将从非线性介质出射的所述原三束激光挡住，仅让从非线性介质中新产生的信号光通过；所述线阵CCD后面连接所述计算机。

2.如权利要求1所述的瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪，其特征在于：

所述平移台带有精密位移螺旋调节。

3.如权利要求1或2所述的瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪，其特征在于：

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜为方形镜。

4.如权利要求1或2所述的瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪，其特征在于：

所述非线性介质为透紫外光的熔石英薄片。