CN208672154U - 共线自相关超短光脉冲测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于：入射系统包括飞秒脉冲激光器；迈克尔逊干涉系统包括第一光阑、分束镜、固定臂反射镜、移动臂反射镜，超短光脉冲经过第一光阑入射至分束镜，分束分别传播至固定臂反射镜与移动臂反射镜并反射后，合束为出射双脉冲光；自相关系统包括非线性晶体、二向色镜，出射双脉冲光入射至非线性晶体，通过二向色镜将原始基频双脉冲光场与二次谐波光场分离；检测系统包括光电二极管探测器与CMOS图像探测芯片；数据采集系统采集原始基频双脉冲光场的二维电场共线自相关数据与二次谐波光场的强度数据信息。本实用新型简便高效的实现了对超短飞秒光脉冲的全面性分析与表征。
Description
技术领域
本实用新型涉及超短脉冲光的表征领域，更具体地，涉及一种共线自相关超短光脉冲测量装置。
背景技术
迈克尔逊干涉仪利用简单的分束镜，通过分振幅的方法以产生双光束，并分析双光束之间的干涉特性，从而实现对精密结构或是微小位移的测量。近两年引力波探测方面的研究热点也是基于迈克尔逊干涉仪的测量原理。同时，随着超短脉冲激光技术的发展，飞秒激光的应用对脉冲光时域、频域以及光斑波前等方面特性的表征需求愈加重视。由于超短飞秒光脉冲本身时间宽度小至飞秒量级，任何光电探测器以及示波器都已经无法再对飞秒脉冲光进行直接的探测表征，利用脉冲本身特性进行采样，通过测量脉冲光的自相关函数的方式，来获知脉冲光的相关信息。超短光脉冲自相关的测量基于迈克尔逊干涉原理，有共线以及非共线的探测方式，共线自相关探测存在背景噪声，但是共线自相关测量方式可以兼容电场自相关的测量。并且飞秒脉冲光斑波前的形变情况影响到脉冲光的共线自相关测量结果。因此，有必要提供一种共线自相关超短光脉冲测量装置。
公开于本实用新型背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
本实用新型提出了一种共线自相关超短光脉冲测量装置，具有优越的简易性，以及对入射光脉冲表征的全面性，可实现对入射超短飞秒脉冲光的时域、频域以及光斑波前信息的分析。
为了实现上述目的，根据本实用新型提供一种共线自相关超短光脉冲测量装置，包括入射系统、迈克尔逊干涉系统、自相关系统、检测系统、数据采集系统，其中：所述入射系统包括飞秒脉冲激光器，用于发射超短光脉冲；所述迈克尔逊干涉系统包括第一光阑、分束镜、固定臂反射镜、移动臂反射镜，所述超短光脉冲经过所述第一光阑，入射至所述分束镜，通过所述分束镜将所述超短光脉冲分束分别传播至所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜，分别经所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从所述分束镜射出；所述自相关系统包括非线性晶体、二向色镜，所述出射双脉冲光入射至所述非线性晶体，产生二次谐波光场，并通过所述二向色镜将原始基频双脉冲光场与所述二次谐波光场分离；所述检测系统包括光电二极管探测器与CMOS图像探测芯片，所述CMOS图像探测芯片检测所述原始基频双脉冲光场的二维电场共线自相关数据，所述光电二极管探测器检测所述二次谐波光场的强度数据；数据采集系统采集所述原始基频双脉冲光场的数据与所述二次谐波光场的数据信息。
优选地，所述入射系统还包括反射镜，用于调节所述超短光脉冲的角度。
优选地，通过所述分束镜将所述超短光脉冲分束分别传播至所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜，分别经所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从所述分束镜射出包括：通过所述分束镜将所述超短光脉冲分为第一脉冲光束与第二脉冲光束，所述第一脉冲光束传播至所述固定臂反射镜，所述第二脉冲光束传播至所述移动臂反射镜，所述第一脉冲光束与所述第二脉冲光束分别经所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从所述分束镜射出。
优选地，所述分束镜为5:5分束镜。
优选地，所述迈克尔逊干涉系统还包括第二光阑，设置于所述分束镜与所述固定臂反射镜之间，用于调节所述第一脉冲光束的光斑大小。
优选地，所述迈克尔逊干涉系统还包括位移平台，连接于所述移动臂反射镜，用于调节所述第一脉冲光束与所述第二脉冲光束的时间延迟。
优选地，所述位移平台为微米级位移平台。
优选地，所述自相关系统还包括第一凸透镜，设置于所述分束镜与所述非线性晶体之间，用于聚焦所述出射双脉冲光。
优选地，所述自相关系统还包括第二凸透镜，设置于所述二向色镜与所述CMOS图像探测芯片之间，用于聚焦所述原始基频双脉冲光场至所述CMOS图像探测芯片。
优选地，所述自相关系统还包括第三凸透镜，设置于所述二向色镜与所述光电二极管探测器之间，用于聚焦所述二次谐波光场至所述光电二极管探测器。
通过上述技术方案，基于迈克尔逊干涉仪的基本原理，同时采用共线强度自相关以及共线二维电场自相关的探测手段，具有优越的简易性，以及对入射光脉冲表征的全面性，可实现对入射超短飞秒脉冲光的时域、频域以及光斑波前信息的分析。
本实用新型的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本实用新型的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本实用新型的一个实施例的共线自相关超短光脉冲测量装置的示意图。
附图标记说明：
1、第一光阑；2、分束镜；3、第二光阑；4、固定臂反射镜；5、移动臂反射镜；6、位移平台；7、第一凸透镜；8、非线性晶体；9、二向色镜；10、第三凸透镜；11、光电二极管探测器；12、第二凸透镜；13、CMOS图像探测芯片；14、数据采集系统；15、飞秒脉冲激光器；16、反射镜。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本实用新型。虽然附图中显示了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本实用新型提供一种共线自相关超短光脉冲测量装置，包括入射系统、迈克尔逊干涉系统、自相关系统、检测系统、数据采集系统，其中：入射系统包括飞秒脉冲激光器，用于发射超短光脉冲；迈克尔逊干涉系统包括第一光阑、分束镜、固定臂反射镜、移动臂反射镜，超短光脉冲经过第一光阑，入射至分束镜，通过分束镜将超短光脉冲分束分别传播至固定臂反射镜与移动臂反射镜，分别经固定臂反射镜与移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从分束镜射出；自相关系统包括非线性晶体、二向色镜，出射双脉冲光入射至非线性晶体，产生二次谐波光场，并通过二向色镜将原始基频双脉冲光场与二次谐波光场分离；检测系统包括光电二极管探测器与CMOS图像探测芯片，CMOS图像探测芯片检测原始基频双脉冲光场的二维电场共线自相关数据，光电二极管探测器检测二次谐波光场的强度数据；数据采集系统采集原始基频双脉冲光场的数据与二次谐波光场的数据信息。
在一个示例中，入射系统还包括反射镜，用于调节超短光脉冲的角度。
在一个示例中，通过分束镜将超短光脉冲分束分别传播至固定臂反射镜与移动臂反射镜，分别经固定臂反射镜与移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从分束镜射出包括：通过分束镜将超短光脉冲分为第一脉冲光束与第二脉冲光束，第一脉冲光束传播至固定臂反射镜，第二脉冲光束传播至移动臂反射镜，第一脉冲光束与第二脉冲光束分别经固定臂反射镜与移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从分束镜射出。
在一个示例中，分束镜为5:5分束镜。
在一个示例中，迈克尔逊干涉系统还包括第二光阑，设置于分束镜与固定臂反射镜之间，用于调节第一脉冲光束的光斑大小。
在一个示例中，迈克尔逊干涉系统还包括位移平台，连接于移动臂反射镜，用于调节第一脉冲光束与第二脉冲光束的时间延迟。
在一个示例中，位移平台为微米级位移平台，精度为1微米，可实现精度为6.7飞秒的时间延迟，基本能满足飞秒脉冲激光的测量需求，位移平台的最大行程为25mm，可得飞秒脉冲光时域宽度的最大表征范围约为166.7ps。
在一个示例中，自相关系统还包括第一凸透镜，设置于分束镜与非线性晶体之间，用于聚焦出射双脉冲光。
在一个示例中，自相关系统还包括第二凸透镜，设置于二向色镜与CMOS图像探测芯片之间，用于聚焦原始基频双脉冲光场至CMOS图像探测芯片。
在一个示例中，自相关系统还包括第三凸透镜，设置于二向色镜与光电二极管探测器之间，用于聚焦二次谐波光场至光电二极管探测器。
图1示出了根据本实用新型的一个实施例的共线自相关超短光脉冲测量装置的示意图。
具体地，共线自相关超短光脉冲测量装置包括入射系统、迈克尔逊干涉系统、自相关系统、检测系统、数据采集系统14，其中：
入射系统包括飞秒脉冲激光器15与反射镜16，用于发射超短光脉冲并调节超短光脉冲的角度，其中，超短光脉冲为水平线偏振光。
迈克尔逊干涉系统包括第一光阑1、分束镜2、固定臂反射镜4、移动臂反射镜5，其中，分束镜2为5:5分束镜。超短光脉冲经过第一光阑1，入射至分束镜2，通过分束镜2将超短光脉冲分为第一脉冲光束与第二脉冲光束，第一脉冲光束反射至固定臂反射镜4，通过设置于分束镜2与固定臂反射镜4之间的第二光阑3调节第一脉冲光束的光斑大小，以区别于第二脉冲光束的光斑大小；第二脉冲光束透射至移动臂反射镜5，移动臂反射镜5安装在精度为1微米级的位移平台6上，位移平台6的移动方向平行于第二脉冲光束的传播方向，通过调整位移平台6的移动距离，可实现对第一脉冲光束与第二脉冲光束的时间延迟的调节，即将空间距离的变化转换成了时间延迟量；第一脉冲光束与第二脉冲光束分别经固定臂反射镜4与移动臂反射镜5的反射后，合束为出射双脉冲光从分束镜2射出，合束后的第一脉冲光束与第二脉冲光束之间存在一个随位移平台6变化的时间延迟τ，出射双脉冲光的原始基频双脉冲光场为：
其中，Eout(t)为出射双脉冲光的原始基频双脉冲光场，t为时间，ω0为脉冲光振荡频率(基频)，a(t)为脉冲光场的振幅包络函数，系数为考虑5：5分束镜的反射和透射所引起的电场振幅变化。
自相关系统包括非线性晶体8、二向色镜9，其中，非线性晶体8为偏硼酸钡，出射双脉冲光中存在时间延迟变化的两脉冲光，经所述凸透镜聚焦至非线性晶体8，产生的二次谐波光场与原始基频双脉冲光场的平方成正比，即为公式(2)：
其中，ESHG(t)为二次谐波光场。除了产生的二次谐波光场之外，还有入射到非线性晶体8上但未完全转换为二次谐波光场的原始基频双脉冲光场，通过二向色镜9将原始基频双脉冲光场与二次谐波光场分离，二向色镜9以430nm波长为限，反射小于此值的光场，即图1中从二向色镜9反射的虚线，透射大于此值的光场，即图1中从二向色镜9透射的实线，透过非线性晶体8的原始基频双脉冲光场的波长均为飞秒激光脉冲的初始波长800nm；经非线性晶体8转换为二次谐波光场的频率为基频光的二倍频，波长即为400nm；自相关系统还包括第一凸透镜7、第二凸透镜12、第三凸透镜10，分别设置于分束镜2与非线性晶体8之间、二向色镜9与CMOS图像探测芯片13之间、二向色镜9与光电二极管探测器11之间、用于聚焦光线。
检测系统包括光电二极管探测器11与CMOS图像探测芯片13，二次谐波光场经二向色镜9反射后直接聚焦在光电二极管探测器11，以通过强度自相关测量得到脉冲宽度信息；选取合适的CMOS图像探测芯片，探测芯片大小1/3英寸，像素尺寸3.6μm×3.6μm，有效像素1280×1024，信噪比54.5dB，通过调节第二凸透镜的位置，实现对两脉冲光的二维电场自相关随两脉冲光之间时间延迟的测量，原始基频双脉冲光场则直接透过二向色镜9，然后聚焦在CMOS图像探测芯片13的表面，从二维电场自相关测量中获知脉冲光斑波前倾斜以及功率谱的信息。数据采集系统14采集原始基频双脉冲光场的二维电场共线自相关数据随出射双脉冲光之间的时间延迟变化，并且同时采集二次谐波光场的强度数据随出射双脉冲光之间的时间延迟变化。
通过上述技术方案，共线自相关超短光脉冲测量装置包括入射系统、迈克尔逊干涉系统、自相关系统、检测系统、数据采集系统，具有优越的简易性，以及对入射光脉冲表征的全面性，可实现对入射超短飞秒脉冲光的时域、频域以及光斑波前信息的分析。
本领域技术人员应理解，上面对本实用新型的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本实用新型的实施方式的有益效果，并不意在将本实用新型的实施方式限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本实用新型的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。
Claims (10)
1.一种共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，包括入射系统、迈克尔逊干涉系统、自相关系统、检测系统、数据采集系统，其中：
所述入射系统包括飞秒脉冲激光器、第一光阑，用于发射超短光脉冲并控制所述超短光脉冲的光斑大小；
所述迈克尔逊干涉系统包括分束镜、固定臂反射镜、移动臂反射镜，所述超短光脉冲入射至所述分束镜，通过所述分束镜将所述超短光脉冲分束分别传播至所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜，分别经所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从所述分束镜射出；
所述自相关系统包括非线性晶体、二向色镜，所述出射双脉冲光入射至所述非线性晶体，产生二次谐波光场，并通过所述二向色镜将原始基频双脉冲光场与所述二次谐波光场分离；
所述检测系统包括光电二极管探测器与CMOS图像探测芯片，所述CMOS图像探测芯片检测所述原始基频双脉冲光场的二维电场共线自相关数据，所述光电二极管探测器检测所述二次谐波光场的强度数据；
数据采集系统采集所述原始基频双脉冲光场与所述二次谐波光场的数据信息。
2.根据权利要求1所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述入射系统还包括反射镜，用于调节所述超短光脉冲的角度。
3.根据权利要求1所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，通过所述分束镜将所述超短光脉冲分束分别传播至所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜，分别经所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从所述分束镜射出包括：
通过所述分束镜将所述超短光脉冲分为第一脉冲光束与第二脉冲光束，所述第一脉冲光束传播至所述固定臂反射镜，所述第二脉冲光束传播至所述移动臂反射镜，所述第一脉冲光束与所述第二脉冲光束分别经所述固定臂反射镜与所述移动臂反射镜的反射后，合束为出射双脉冲光从所述分束镜射出。
4.根据权利要求3所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述分束镜为5:5分束镜。
5.根据权利要求3所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉系统还包括第二光阑，设置于所述分束镜与所述固定臂反射镜之间，用于调节所述第一脉冲光束的光斑大小。
6.根据权利要求3所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉系统还包括位移平台，连接于所述移动臂反射镜，用于调节所述第一脉冲光束与所述第二脉冲光束的时间延迟。
7.根据权利要求6所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述位移平台为微米级位移平台。
8.根据权利要求1所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述自相关系统还包括第一凸透镜，设置于所述分束镜与所述非线性晶体之间，用于聚焦所述出射双脉冲光。
9.根据权利要求1所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述自相关系统还包括第二凸透镜，设置于所述二向色镜与所述CMOS图像探测芯片之间，用于聚焦所述原始基频双脉冲光场至所述CMOS图像探测芯片。
10.根据权利要求1所述的共线自相关超短光脉冲测量装置，其特征在于，所述自相关系统还包括第三凸透镜，设置于所述二向色镜与所述光电二极管探测器之间，用于聚焦所述二次谐波光场至所述光电二极管探测器。
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|---|---|---|---|---|
| CN111189550A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 华南理工大学 | 一种超短脉冲激光测量仪和测量方法 |
| CN111854986A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-10-30 | 华南理工大学 | 一种基于少层二维材料的可宽谱段工作的共线型超短脉冲测量装置和测量方法 |
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