CN216483549U - 一种自相关仪 - Google Patents

Abstract

一种自相关仪，包括激光源、光路组件、样品放置平台、非线性晶体探测组件、双光子诱导荧光探测组件、锁相放大器和计算机；所述激光源至少发出第一激光和第二激光并在所述光路组件中经过不同的光程后聚焦到放置在所述样品放置平台上的测试样品；所述非线性晶体探测组件、所述双光子诱导荧光探测组件和所述计算机分别与所述锁相放大器电连接；所述非线性晶体探测组件或所述双光子诱导荧光探测组件探测经过所述测试样品后的光信号并发送至所述锁相放大器，然后发送至所述计算机进行分析；所述计算机控制所述光路组件以改变所述第一激光或所述第二激光的光程。与现有技术相比，本实用新型的自相关仪测量的便捷性好、效率高。

Description

一种自相关仪

技术领域

本实用新型涉及激光参数测量技术领域，特别是涉及一种自相关仪。

背景技术

随着近代激光技术的发展，出现了激光脉冲极短的飞秒激光、皮秒激光。这类型的激光由于光脉冲能被压缩到很窄的范围内，能量密度极大，因而被广泛应用到苛刻的工业和医疗环境中。然而，目前电子原件响应时间最多只能达到纳秒级别，这为检测飞秒激光、皮秒激光的参数带来一定的难度。

为此，人们发明了自相关仪进行激光参数的检测。自相关仪利用光学延迟的原理，将时间测量转换为长度测量。请参阅图1，激光1经过分束镜100被分为光束2和光束3，光束2入射到棱镜4后被反射，光束3入射到棱镜5后被反射，反射后的光束2与光束3再次共束进入晶体6，然后进入探测器7并由与探测器7电连接的分析器8进行分析计算脉冲宽度等参数。测量时，调节棱镜4与棱镜5的位置可以使得光束2与光束3的光程不同，连续改变棱镜的位置可形成一系列的脉冲序列对另一脉冲序列的扫描，从而形成自相关函数波形。

然而，根据激光类型不同，其波段与功率等不同，需要使用不同的方法进行测量，而不同方法所使用的设备也不相同。因此使用现有技术中自相关仪进行测量时需要经常更换设备，便捷性较差。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的在于，提供一种能在同一设备上进行两种测量方法的自相关仪。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种自相关仪，包括激光源、光路组件、样品放置平台、非线性晶体探测组件、双光子诱导荧光探测组件、锁相放大器和计算机；所述激光源至少发出第一激光和第二激光并在所述光路组件中经过不同的光程后聚焦到放置在所述样品放置平台上的测试样品；所述非线性晶体探测组件、所述双光子诱导荧光探测组件和所述计算机分别与所述锁相放大器电连接；所述非线性晶体探测组件或所述双光子诱导荧光探测组件探测经过所述测试样品后的光信号并发送至所述锁相放大器，然后发送至所述计算机进行分析；所述计算机控制所述光路组件以改变所述第一激光或所述第二激光的光程。

与现有技术相比，本实用新型的自相关仪可根据激光的类型在同一台设备灵活选择使用二次谐波法或双光子诱导荧光法进行测量，从而提高测量的便捷性和效率。

进一步，所述光路组件包括第一光路、第二光路和第一透镜；所述第一激光和所述第二激光分别沿所述第一光路和所述第二光路入射到所述第一透镜且入射方向相互平行；所述第一激光和所述第二激光入射所述第一透镜后聚焦到所述样品放置平台上的测试样品，且所述第一激光和所述第二激光在所述第一光路和所述第二光路上的光程不相等，通过不同光程的激光聚焦激发非线性效应。

进一步，所述非线性晶体探测组件包括第一短通滤色片和第一探测器；所述第一探测器与所述锁相放大器电连接；经过所述样品放置平台上的测试样品后的光束以与入射到所述第一透镜时的第一激光光路平行的方向进入所述第一短通滤色片，所述第一探测器探测经过所述第一短通滤色片后的光信号并发送到所述锁相放大器。第一短通滤色片对光信号进行降噪后在由第一探测器进行测量，实现测量精度较高的二次谐波法测量。

进一步，所述双光子诱导荧光探测组件包括在同一光路上依次排列的第二透镜、第二短通滤色片、第三透镜和第二探测器；所述双光子诱导荧光探测组件内的光路与激光入射到所述第一透镜时的第一激光光路不平行，使得发散的荧光转变为同一方向发射的光束，提高测量的精度，实现测量精度较高的双光子诱导荧光法测量。

进一步，所述双光子诱导荧光探测组件内的激光光路与所述第一激光入射到所述第一透镜时的光路相互垂直，此时双光子诱导荧光法的效果最佳。

进一步，所述第一光路包括移动平台；所述移动平台包括移动支架、第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜镜面相对且平行；所述第一激光以与所述第一反射镜镜面成45°夹角入射到所述第一反射镜并反射到所述第二反射镜，然后入射到所述第一透镜；所述计算机控制所述移动支架移动；所述第二反射镜随所述移动支架移动，在不改变第一激光发射方向的同时，实现第一激光光程的连续变化，从而获取连续的自相关函数波形。

进一步，所述第一光路还包括第三反射镜和第四反射镜；以与出射所述第一反射镜的激光光路平行的直线为对称轴，所述第三反射镜与所述第一反射镜对称设置且镜面相背；所述第四反射镜与所述第二反射镜对称设置且镜面相对，从所述第四反射镜出射的激光入射到所述第一透镜，使得第一激光入射移动平台前后的发射方向在同一直线上，以便于第一透镜的设置。

进一步，所述第一光路还包括与所述锁相放大器电连接的斩波器；所述斩波器位于所述第四反射镜与所述第一透镜之间以提高测量的灵敏度。

进一步，所述第二光路包括可翻转反射镜；所述第一光路还包括合束镜，沿所述第一光路，所述合束镜位于所述第一透镜前方；转动所述可翻转反射镜使得所述第二激光入射到所述合束镜，并与所述第一激光共束入射到所述第一透镜，实现共束激光的聚焦。

进一步，由所述激光源发射的第一激光和第二激光为同源或非同源激光，实现对同源或非同源激光的测量。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1为现有技术中自相关仪的原理图；

图2为本实用新型中自相关仪的结构示意图；

图3为本实用新型的一个实施例中激光源的结构示意图；

图4为本实用新型的另一个实施例中激光源的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的自相关仪可根据激光类型自由切换使用BBO晶体或双光荧光染料进行测量，实现在同一设备上实施二次谐波法或双光子诱导荧光法进行测量，以提高检测的便捷性。

具体地，请参阅图2，本实用新型的自相关仪包括激光源10、光路组件20、样品放置平台30、非线性晶体探测组件40、双光子诱导荧光探测组件50、锁相放大器60和计算机70。所述锁相放大器60分别与所述非线性晶体探测组件40、所述双光子诱导荧光探测组件50和所述计算机70电连接。所述计算机70与所述样品放置平台30电连接以控制移动。所述样品放置平台30用于放置测试样品，所述测试样品为可产生非线性效应的非线性样品。所述计算机70为现有技术中带有中央处理器、可进行计算分析以及图形输出的电子设备。所述激光源10发出两束激光并经过所述光路组件20进入放置在所述样品放置平台30上的测试样品后产生非线性效果。测试者根据激光类型选择所述非线性晶体探测组件30或所述双光子诱导荧光探测组件40进行探测并将探测到的信号输送至所述锁相放大器60，所述锁相放大器60收集并放大信号，提高信噪比后将结果输出到所述计算机70进行计算与显示图形。所述计算机70与所述光路组件20电连接并连续改变激光的光程，从使得所述计算机70输出连续的自相关函数波形。

其中，请参阅图3，在一个实施例中，所述激光源10包括第一激光发射器11和第二激光发射器12，所述第一激光发射器11和所述第二激光发射器12分别发出第一激光100和第二激光101。发射源不同的第一激光100和第二激光101分别进入所述光路组件20内，实现对非同源激光的检测。请参阅图4，在另一个实施例中，所述激光源10包括第三激光发射器13和分束镜14，所述第三激光发射器13发出的激光经过所述分束镜14后分为第一激光100和第二激光101，实现对同源激光的检测。优选地，所述激光源10发射飞秒激光。

所述光路组件20包括第一光路21、第二光路22和第一透镜23，所述激光源10发出的同源或非同源的第一激光100和第二激光101分别进入所述第一光路21和所述第二光路22后，以平行的光路入射到所述第一透镜23并聚焦到所述样品放置平台30上的测试样品。

所述第一光路21包括移动平台211和斩波器212。所述移动平台211包括移动支架2111、第一反射镜2112和第二反射镜2113。所述第一反射镜2112和所述第二反射镜2113镜面相对且平行设置，所述第一激光100以与所述第一反射镜2112镜面成45°夹角入射并反射到所述第二反射镜2113。所述第二反射镜2113反射后的所述第一激光100光路保持与入射所述第一反射镜2112前的光路平行，使得所述第一激光100的光程发生变化而方向不发生变化。以产生倍频光位置为零点、与出射所述第一反射镜2112光路平行的直线为Z轴，所述移动支架2111设有可带动其移动的电机(图未示)，所述第二反射镜2113放置在所述移动支架2111上，所述电机与所述计算机70电连接并在其控制下带动所述第二反射镜2113在+Z或-Z方向上移动，使得所述第一反射镜2112远离或靠近所述第二反射镜2113，从而实现所述第一激光100的光程连续变化，以获得连续的自相关函数波形。进一步，所述移动平台211还包括第三反射镜2114和第四反射镜2115。以与出射所述第一反射镜2112光路平行的直线为对称轴，所述第三反射镜2114与所述第一反射镜2112对称设置且镜面相背，所述第四反射镜2115与所述第二反射镜2113对称设置且镜面相对，所述第二反射镜2113和所述第四反射镜2115设置在所述移动支架2111上并随之移动，实现入射所述第一反射镜2112前的第一激光100光路与出射所述第四反射镜2115的第一激光100光路在同一直线上。所述斩波器212与所述锁相放大器60电连接。从所述第二反射镜2113或所述第四反射镜2115出射的激光100进入所述斩波器212后入射到所述第一透镜23。通过所述斩波器212可将光信号中较强的荧光本底消除，从而提高测量的灵敏度。

所述第二光路22包括由多个反射镜组成的反射镜组221，通过多个反射镜相互反射使得所述第二激光101以与所述第一激光100平行的光路且非共束进入所述第一透镜23，然后聚焦到所述样品放置平台30上的测试样品。在本实施例中，所述反射镜组221的反射镜数量为4个且相互配合反射光线。在另一个实施例中，所述第二光路22还包括可翻转反射镜222，所述第一光路21还包括合束镜213，所述合束镜213为透镜且位于所述斩波器212与所述第一透镜23之间。转动所述可翻转反射镜222使得所述第二激光101进入所述合束镜213并与所述第一激光100光路重合，所述第二激光101与所述第一激光100共束后再进入所述第一透镜23。

所述非线性晶体探测组件40包括第一短通滤色片41和第一探测器42。当所述样品放置平台30上的测试样品为二倍频晶体BBO晶体时，所述第一激光100与所述第二激光101以平行的方向入射到所述第一透镜23后被折射并聚焦到所述测试样品，然后沿与入射到所述第一透镜23时的光路平行的方向进入所述第一短通滤色片41。所述第一短通滤色片41进行过滤以提高自相关信号的信噪比和测量精度。所述第一探测器42与所述锁相放大器60电连接并探测经过所述第一短通滤色片41后的光信号以传输到所述锁相放大器60。所述锁相放大器60收集并放大信号，提高信噪比，并将信号发送至所述计算机70。所述计算机70计算并显示所述自相关函数的波形。

所述双光子诱导荧光探测组件50包括在同一光路上依次排列的第二透镜51、第二短通滤色片52、第三透镜52和第二探测器53。当所述样品放置平台30上的测试样品为双光子荧光染料时，所述第一激光100与所述第二激光101聚焦在所述测试样品后产生360°散射的荧光，为消除基频光的干扰，根据所述双光子诱导荧光探测组件50的光路可捕获其中一个方向的光信号进行检测。因而将所述双光子诱导荧光探测组件50的光路设置为与入射所述第一透镜23时所述第一激光100的光路不平行。优选地，所述双光子诱导荧光探测组件50的光路与入射所述第一透镜23时所述第一激光100的光路相互垂直以提高检测精度。当所述样品放置平台30上的测试样品为双光子荧光染料时，捕获其中一个方向的光信号进行检测，并且通过所述第二透镜51将光线调整为平行光束后进入所述第二短通滤色片52可提高检测的精度。所述第三透镜52对通过所述第二短通滤色片52降噪后的光束进一步聚焦以提高所述第二探测器53的检测精度。所述第二探测器53与所述锁相放大器60电连接以进行分析计算。所述锁相放大器60根据接收到的光信号生成自相关函数的波形。所述计算机70显示所述自相关函数的波形。调整所述第二透镜51和所述第三透镜52之间的距离可测量不同波长和功率的超短脉冲。

进一步，所述计算机70内装有LABVIEW测试软件，LABVIEW测试软件可控制扫描的单步步长，扫描次数等，实时绘制散点图，直观地得到I(强度)-t(时间)的关系图像，并导出保存，并且所述计算机70能控制所述位移平台211的精确移动。

基于上述的结构，以下具体说明其测试过程。

二次谐波法测量参数：

在本实施例中，所述第一激光100与所述第二激光101为非同源且非共束进入所述透镜23。

步骤S10：在所述样品平台30设置二倍频晶体BBO晶体。

步骤S20：所述第一激光发射器11和所述第二激光发射器12分别发出所述第一激光100和所述第二激光101。

步骤S30：所述第一激光100沿光路依次经过所述移动平台211、所述斩波器212后入射到所述透镜23；所述第二激光101沿光路依次经过所述反射镜组221，以与所述第一激光100光路平行的方向入射到所述第一透镜23。

步骤S40：所述第一激光100与所述第二激光101聚焦通过所述BBO晶体并产生非线性效应光束。

步骤S50：所述第一短通滤色片41接收所述非线性效应光束，所述第一探测器42接收光信号。

步骤S60：所述第一探测器42发送信号至所述锁相放大器60后，所述计算机70进行计算。

步骤S70：沿Z轴方向调整所述位移平台211位置，并重复步骤S10至S60，直到获得自相关函数波形以计算出该激光的参数。

BBO晶体是能够准确测得激光脉宽的非线性晶体，由BBO晶体测得的激光脉宽为标准脉宽。总光程相等的参考光与待测光在BBO晶体聚焦，在焦点处产生倍频光，而倍频光只有在两束光时间空间上完全重合才能取得最大值。由此可以看出，在测量过程中随着位移平台的移动就会获取不同的强度，从而绘制成波形图，并在波形图的基础上换算得出脉宽。此外，还可以采用三硼酸锂晶体、磷酸钛氧钾晶体、偏磷酸钡晶体和三硼酸铋作为测试样品。

双光子诱导荧光法测量参数：

在本实施例中，所述第一激光100与所述第二激光101为同源且共束进入所述第一透镜23。

步骤S10：在所述样品平台30设置双光子荧光染料。

步骤S20：所述第三激光发射器13发射激光并通过所述分束镜14分束为所述第一激光100和所述第二激光101。

步骤S30：所述第一激光100沿光路依次经过所述移动平台211、所述斩波器212后入射所述第一透镜23；所述第二激光101沿光路依次经过所述反射镜组221、所述可翻转反射镜222和所述合束镜213后，与所述第一激光100合束并入射到所述第一透镜23。

步骤S40：所述第一激光100与所述第二激光101聚焦通过所述双光子荧光染料并产生非线性效应光束。

步骤S50：特定方向的非线性效应光束进入所述第二透镜5、所述第二短通滤色片52和所述第三透镜52，所述第二探测器53接收光信号。

步骤S60：所述第二探测器53发送信号至所述锁相放大器60后，所述计算机70进行计算并显示图形。

步骤S70：沿Z轴方向调整所述位移平台211位置，并重复步骤S10至S60，直到获得自相关函数波形以计算出该激光的参数。

由于双光子荧光染料的双光子吸收截面大，不需要很强的光脉冲功率就能探测到其双光子荧光，从而解决二倍频晶体不适合低功率测量和相位匹配调节的问题，并有效增加低功率脉冲的波长测量范围。而且荧光信号作用于所述测试样品所得信号将在两个脉冲之间的时间重叠消失而衰减为零。

相比于现有技术，本实用新型的自相关仪能够通过灵活调整样品，适应不同波长和功率的超短脉冲的测量，同一设备实现两种测量方法，当发现一种检测方式不能很好地得到测量结果时，更换测试样品即可使用另一种测量方法，无需重复调整设备，提高测量的便捷性效率，在同一设备上自由选择组合对同源或非同源、共束或非共束的激光测量。此外信噪比高、信号稳定、能自动计算与分析，从而提高测量的精度。而且通过接受双光子染料产生的荧光信号强度的变化获得自相关波形而不是双光子探测器通过总光子计数率的变化获得自相关波形，解决了双光子探测器灵敏度较低、响应波长特定、价格昂贵等问题。使用于双光子荧光染料作为时也可根据需求测量包括溶液、固体、薄膜等材料，测量范围广。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种自相关仪，其特征在于：包括激光源、光路组件、样品放置平台、非线性晶体探测组件、双光子诱导荧光探测组件、锁相放大器和计算机；所述激光源至少发出第一激光和第二激光并在所述光路组件中经过不同的光程后聚焦到放置在所述样品放置平台上的测试样品；所述非线性晶体探测组件、所述双光子诱导荧光探测组件和所述计算机分别与所述锁相放大器电连接；所述非线性晶体探测组件或所述双光子诱导荧光探测组件探测经过所述测试样品后的光信号并发送至所述锁相放大器，然后发送至所述计算机进行分析；所述计算机控制所述光路组件以改变所述第一激光或所述第二激光的光程。

2.根据权利要求1所述的自相关仪，其特征在于：所述光路组件包括第一光路、第二光路和第一透镜；所述第一激光和所述第二激光分别沿所述第一光路和所述第二光路入射到所述第一透镜且入射方向相互平行；所述第一激光和所述第二激光入射所述第一透镜后聚焦到所述样品放置平台上的测试样品，且所述第一激光和所述第二激光在所述第一光路和所述第二光路上的光程不相等。

3.根据权利要求2所述的自相关仪，其特征在于：所述非线性晶体探测组件包括第一短通滤色片和第一探测器；所述第一探测器与所述锁相放大器电连接；经过所述样品放置平台上的测试样品后的光束以与入射到所述第一透镜时的第一激光光路平行的方向进入所述第一短通滤色片，所述第一探测器探测经过所述第一短通滤色片后的光信号并发送到所述锁相放大器。

4.根据权利要求2所述的自相关仪，其特征在于：所述双光子诱导荧光探测组件包括在同一光路上依次排列的第二透镜、第二短通滤色片、第三透镜和第二探测器；所述双光子诱导荧光探测组件内的光路与激光入射到所述第一透镜时的第一激光光路不平行。

5.根据权利要求4所述的自相关仪，其特征在于：所述双光子诱导荧光探测组件内的激光光路与所述第一激光入射到所述第一透镜时的光路相互垂直。

6.根据权利要求2到5中任一项所述的自相关仪，其特征在于：所述第一光路包括移动平台；所述移动平台包括移动支架、第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜镜面相对且平行；所述第一激光以与所述第一反射镜镜面成45°夹角入射到所述第一反射镜并反射到所述第二反射镜，然后入射到所述第一透镜；所述计算机控制所述移动支架移动；所述第二反射镜随所述移动支架移动。

7.根据权利要求6所述的自相关仪，其特征在于：所述第一光路还包括第三反射镜和第四反射镜；以与出射所述第一反射镜的激光光路平行的直线为对称轴，所述第三反射镜与所述第一反射镜对称设置且镜面相背；所述第四反射镜与所述第二反射镜对称设置且镜面相对，从所述第四反射镜出射的激光入射到所述第一透镜。

8.根据权利要求7所述的自相关仪，其特征在于：所述第一光路还包括与所述锁相放大器电连接的斩波器；所述斩波器位于所述第四反射镜与所述第一透镜之间。

9.根据权利要求2所述的自相关仪，其特征在于：所述第二光路包括可翻转反射镜；所述第一光路还包括合束镜，沿所述第一光路，所述合束镜位于所述第一透镜前方；转动所述可翻转反射镜使得所述第二激光入射到所述合束镜，并与所述第一激光共束入射到所述第一透镜。

10.根据权利要求2所述的自相关仪，其特征在于：由所述激光源发射的第一激光和第二激光为同源或非同源激光。

Images