專利名稱：超短脈沖精確實時測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超短激光脈沖，特別是一種超短脈沖精確實時測量裝置，它是一種采用厚非線性晶體的單發頻率分辨光學開關法的超短脈沖測量裝置。
背景技術：
隨著超短激光脈沖技術的飛速發展，經放大后飛秒脈沖的峰值功率已達太瓦(1012瓦)以上。飛秒激光脈沖的超短和超強特性使得其在物理學，化學，生物學，醫學，以及工業領域有廣泛的應用，是研究超快現象及各種非線性現象的有力工具。
飛秒激光技術的發展，不僅取決于激光技術本身的積累性發展，同時還得益于測量裝置的改進和新方法的問世。飛秒脈沖的精確、可靠而又簡單的測量方法對產生更短持續時間的激光脈沖有巨大的指導作用。同時，飛秒激光脈沖作用下各種餡子昂的研究是通過飛秒脈沖測量技術實現的，精確測量飛秒脈沖的時域、頻域以及傳輸等特性可以獲得飛秒動態系統響應的物理本質。
飛秒激光的脈沖寬度在10-15秒量級，超過了電學方法測量的響應時間范圍，所以一般采用間接測量方法，通過兩束光脈沖的干涉測出干涉光二次諧波的光強分布，并由二次諧波的光強分布計算出被測飛秒脈沖激光的脈沖寬度。飛秒激光脈沖測量方法有很多種，其中頻率分辨光學開關法(frequency-resolvedoptical gating，以下簡稱為FROG方法)[參見在先技術1“Frequency-Resolvedoptical GatingThe Measurement of Ultrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002Kluwer Academic Publishers]和光譜位相相干直接重構法(spectral phaseinterferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)[參見在先技術2“Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashortoptical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23 Issue 10 1998]是目前采用較多的兩種方法。
圖1是現有頻率分辨光學開關法的測量裝置，該裝置采用半透半反的分束器。頻率分辨光學開關法測量裝置基本結構是將飛秒脈沖透過半透半反的分束鏡分為兩束，其中一束作為探測光，另一束作為開關光，并將作為開關的光束通過調節微動臺引入一個時間延遲τ，然后再讓兩束光通過透鏡聚焦非線性介質產生頻率轉換，在通過光闌獲得二次諧波強度相對于時間和頻率的二維圖譜(稱為FROG Trace)，對圖譜利用脈沖迭代算法[參見在先技術1]就可以得到飛秒脈沖的振幅和位相。頻率分辨光學開關法要保證兩個脈沖具有一個延遲序列，因此不可進行實時測量，同時由圖1可以看出反射鏡很多，增加了光路調節難度，由于要求兩束光關于晶體對稱，因而不能判斷出入射脈沖啁啾的正負。由于相位匹配帶寬要求采用非常薄的二次諧波晶體，加工比較復雜，同時影響了測量信號的強度和精度。因而普通的FROG方法不僅操作復雜，且價格比較昂貴。
發明內容
本實用新型的目的就是要彌補上述現有的FROG方法的不足，提供一種超短脈沖實時測量裝置，該裝置應具有消除飛秒脈沖展寬，實時測量、結構緊湊、光路調節方便、測量精度高和成本低的優點。
本實用新型的技術解決方案如下一種超短脈沖實時測量裝置，是一種超短脈沖頻率分辨光學開關測量裝置，其構成包括分束器、微動臺、擴束裝置、大角度菲涅爾雙棱鏡、厚非線性晶體、圓柱透鏡、光闌和CCD探測器，其位置關系是當一待測超短脈沖光入射到所述的分束鏡上，該分束鏡將超短脈沖光束分為夾角為90°的兩束光，一束經第二反射鏡反射到擴束裝置，另一束經所述的微動臺上的第三反射鏡反射到擴束裝置，該兩束光經擴束裝置擴束后轉換為一平行光束入射到所述的大角度菲涅爾雙棱鏡上，該大角度菲涅爾雙棱鏡將所述的平行光束再分成兩交叉光束，該兩交叉光束在所述的非線性晶體的中心位置聚合，通過第一光闌、圓柱透鏡和第二光闌，在所述的CCD探測器上成像，然后送到計算機。
所述的超短激光脈沖為鈦寶石振蕩器輸出的展寬脈沖。
所述的微動臺由計算機控制一步進電機驅動沿該微動臺的第三反射鏡的法線方向運動。
所述的大角度菲涅爾雙棱鏡的夾角大于160°。
所述的擴束裝置由一平凹透鏡和雙凸透鏡構成。
所述的厚非線性晶體為偏硼酸鋇晶體。
所述的待測超短脈沖光是通過第一反射鏡引導至所述的分束鏡的。
所述的微動臺可以調整大角度菲涅爾雙棱鏡產生的延遲范圍，實現正負啁啾測量和展寬測量范圍的作用；主要延遲是通過擴束裝置使脈沖擴束，經大角度菲涅爾雙棱鏡分成有大夾角的兩束光交叉重合于晶體，在縱軸和橫軸位置上形成的。光束經大角度菲涅爾雙棱鏡分為兩束會聚于厚非線性晶體，通過光闌由CCD探測器成像。
工作過程如下當一束待測的超短脈沖激光入射到分束鏡上，該分束鏡將光束分為夾角為90°的兩束光，一束經反射鏡入射到擴束鏡上，另一束經放在微動臺上的反射鏡反射到擴束裝置上，當需要測量啁啾的正負和擴展測量范圍時刻，調整微動臺實現聚焦點的變化和延遲范圍的展寬，兩束光經擴束裝置擴束后通過透鏡轉換為平行光入射到大角度菲涅爾雙棱鏡上，該大角度菲涅爾雙棱鏡將光束再分成兩束，兩束在非線性晶體的中心位置聚合，通過光闌獲得二次諧波光譜信息，由圓柱透鏡成像再CCD探測器上，再送計算機處理。
本實用新型超短脈沖實時測量裝置，即超短脈沖頻率分辨光學開關測量裝置的工作原理說明如下通常為了得到充分的相位匹配要求最小群速度失諧(GVM)最小(假設入射光交迭于整個二次諧波晶體)，須滿足GVM*L＜＜τp(1)GVM≡1/Vg(λ0/2)-1/Vg(λ0)(Vg(λ)是在波長λ時的群速度，λ0是基本波長)L是非線性晶體長度，τp脈沖寬度。
而對于本裝置，采用二次諧波頻率分辨光學開關法，為了解決頻譜相位匹配帶寬必須滿足GVM*L＞＞τp(2)上式可以保證基波和二次諧波在離開晶體前停止交迭，起到頻率濾波的作用。同時晶體也不能太厚，否則群速度散射(GVD)引起脈沖在時間展開扭曲GVD*＜＜τc(3)其中GVD≡1/Vg(λ0-δλ/2)-1/Vg(λ0+δλ/2)，δλ脈沖帶寬，τc脈沖相干時間。考慮通常情況下GVD＜GVM，結合上面可以得到
GVD(τp/τc)＜＜τp/L＜＜GVM(4)當GVM和GVD同時滿足下式時，晶體長度L同時滿足這些條件GVM/GVD＞＞TBP(5)由此可以根據被測脈沖選擇合適的晶體厚度。當激光脈沖通過菲涅爾雙棱鏡12分為對稱的兩束光以大角度同時入射到非線性晶體中時，設兩束光在非線性晶體中夾角為φ′，得到延遲τ與坐標x(x為晶體垂直方向)關系為τ(x)＝2(x/c)sin(φ′/2)≈xφ′/c(6)其中d為光束直徑，φ′為小角度。兩束光的時間強度分布分別為I1(t)和I2(t)，則在晶體中心坐標Z0處，瞬時二次諧波的信號強度正比于I1(t-τ)I2(t+τ)。由于探測器對二次諧波的響應是一個對時間的積分過程，所以探測器所接收到的光信號S(x)為S(x)∝∫-∞+∞I1(t-τ)I2(t+τ)dt∝G2(2τ)---(7)]]>因此，通過記錄二次諧波信號的空間分布，就能得到入射的激光脈沖的二階強度相關曲線，通過對相關曲線的計算可實現對脈沖寬度的測量。
當確定了入射光束寬度和菲涅爾雙棱鏡的角度時兩光束延遲τ就確定了，為了提高精度便可調節微動臺10實現延遲拓展。同時光譜儀原理就是分光計，一般通過校準鏡、光柵和聚焦使脈沖不同波長的部分對應交叉在相機的各點，反映出來就是像素信息，單脈沖就可以表征完整地光譜信息。隨著非線性晶體厚度13增加，由于不同波長的相位匹配會產生出射角度的不同，可以將不同波長脈沖區分開，也就起到了光譜儀的作用。
本實用新型的技術效果如下1、本方法的核心是采用厚非線性晶體，可以實現單次脈沖的測量，很容易實現二次諧波的產生。由于采用厚晶體代替了薄晶體和光譜儀，可降低入射脈沖強度的要求，具有測量精度高、成本低的優點。
2、同時在延遲裝置采用菲涅爾雙棱鏡，很容易實現脈沖的等光程，不需多次調節微動臺可以實時測量，具有結構緊湊，光路調節方便的優點。
圖1是現有的頻率分辨光學開關法的測量裝置結構示意圖。
圖2是本實用新型超短脈沖實時測量裝置實施例的俯視結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
先請參閱圖2，圖2是本實用新型超短脈沖實時測量裝置實施例的俯視結構示意圖。由圖可見，本實用新型超短脈沖實時測量裝置的構成包括分束器1、微動臺10、擴束裝置11、大角度菲涅爾雙棱鏡12、厚非線性晶體13、圓柱透鏡(14)、光闌8和CCD探測器15，其位置關系是當一待測超短脈沖光入射到所述的分束鏡1上，該分束鏡1將超短脈沖光束分為夾角為90°的兩束光，一束經第二反射鏡52反射到擴束裝置11，另一束經所述的微動臺10上的第三反射鏡53反射到擴束裝置11，該兩束光經擴束裝置11擴束后轉換為一平行光束入射到所述的大角度菲涅爾雙棱鏡12上，該大角度菲涅爾雙棱鏡12將所述的平行光束再分成兩交叉光束，該兩交叉光束在所述的非線性晶體13的中心位置聚合，通過第一光闌81、成像透鏡14和第二光闌82，在所述的CCD探測器15上成像，然后送到計算機16。
所述的超短激光脈沖為鈦寶石振蕩器輸出的展寬脈沖。
所述的微動臺10由計算機16控制一步進電機驅動沿該微動臺10的第三反射鏡53的法線方向運動。所述的微動臺10可以調整大角度菲涅爾雙棱鏡12產生的延遲范圍，主要延遲是通過擴束裝置11使脈沖擴束，經菲涅爾雙棱鏡12分成有大夾角的兩束光交叉重合于晶體13，在縱軸和橫軸位置分布上形成的延遲。
所述的大角度菲涅爾雙棱鏡12的夾角等于168°。
所述的擴束裝置11由一平凹透鏡和雙凸透鏡6構成，其擴束倍數為6。
所述的厚非線性晶體13為偏硼酸鋇晶體，所述的厚非線性晶體為5mmBBO(偏硼酸鋇β-BaB2O4，簡稱BBO)晶體。
考慮鈦寶石(Ti:Sapphire)振蕩器輸出展寬、放大、壓縮后得到的脈沖超短脈沖中心波長1053nm時域寬度820飛秒的情況。被測超短脈沖通過分束器1分為兩束，通過控制微動臺10改變光程使兩束光同時入射非線性晶體中心位置，可以通過CCD探測器15實時觀測調節效果；兩束光會聚后經擴束鏡11擴束，經透鏡轉換為平行光束，經菲涅爾雙棱鏡12分為兩束會聚于非線性晶體13，由光闌8得到二次諧波信號，經CCD傳入計算機進行計算。根據菲涅爾雙棱鏡夾角要大于160°選擇菲涅爾雙棱鏡夾角為168°，選擇晶體厚度為5mm，對于中心波長1053nm時域寬度820飛秒情況為100fs/cm＜＜820fs/0.5cm＝1640fs/cm＜＜2000fs/cm，滿足公式(4)，產生的諧波效率最大。BBO晶體(偏硼酸鋇β-BaB2O4，簡稱BBO)具有很高的二次諧波裝換效率，可以測量較弱的飛秒脈沖光，因此晶體7采用BBO作為頻率裝換晶體。通過CCD探測探測器15測量和頻光圖譜，與原有頻率分辨光學開光法得到的圖譜比較可以發現測量結果非常接近，說明該方法精確可行。
本實用新型采用厚非線性晶體實現了超短脈沖光測量，從而消除了傳統的晶體厚度對入射強度要求和二次諧波產生效率的影響，同時厚非線性晶體代替光譜儀，使結構簡單易于操作，而且由于采用菲涅爾雙棱鏡不需要多次調節延遲直接實現了連續延遲變化的要求，可以實現實時測量和單脈沖測量，因此具有結構簡單易調節、成本低的優點。
權利要求1.一種超短脈沖實時測量裝置，特征在于其構成包括分束器(1)、微動臺(10)、擴束裝置(11)、大角度菲涅爾雙棱鏡(12)、厚非線性晶體(13)、圓柱透鏡(14)、光闌(8)和CCD(15)，其位置關系是當一待測超短脈沖光入射到所述的分束鏡(1)上，該分束鏡(1)將超短脈沖光束分為夾角為90°的兩束光，一束經第二反射鏡(52)反射到擴束裝置(11)，另一束經所述的微動臺(10)上的第三反射鏡(53)反射到擴束裝置(11)，該兩束光經擴束裝置(11)擴束后轉換為一平行光束入射到所述的大角度菲涅爾雙棱鏡(12)上，該大角度菲涅爾雙棱鏡(12)將所述的平行光束再分成兩交叉光束，該兩交叉光束在所述的非線性晶體(13)的中心位置聚合，通過第一光闌(81)、成像透鏡(14)和第二光闌(82)，在所述的CCD探測器(15)上成像，然后送到計算機(16)。
2.根據權利要求1所述的超短脈沖實時測量裝置，其特征在于所述的超短激光脈沖為鈦寶石振蕩器輸出的展寬脈沖。
3.根據權利要求1所述的超短脈沖實時測量裝置，其特征在于所述的微動臺(10)由計算機(16)控制一步進電機驅動沿該微動臺(10)的第三反射鏡(53)的法線方向運動。
4.根據權利要求1所述的超短脈沖實時測量裝置，其特征在于所述的大角度菲涅爾雙棱鏡(12)的夾角大于160°。
5.根據權利要求1所述的超短脈沖實時測量裝置，其特征在于所述的擴束望遠鏡(11)由一平凹透鏡和雙凸透鏡構成。
6.根據權利要求1所述的超短脈沖實時測量裝置，其特征在于所述的厚非線性晶體(13)為偏硼酸鋇晶體。
7.根據權利要求1至6任一項所述的超短脈沖實時測量裝置，其特征在于所述的待測超短脈沖光是通過第一反射鏡(51)引導至所述的分束鏡(1)的。
專利摘要一種超短脈沖實時測量裝置，是一種超短脈沖頻率分辨光學開關測量裝置，由分束器、微動臺、擴束裝置、大角度菲涅爾雙棱鏡、厚非線性晶體、圓柱透鏡、光闌和CCD探測器和計算機構成，本實用新型具有消除飛秒脈沖展寬，實時測量、結構緊湊、光路調節方便、測量精度高和成本低的優點。
文檔編號G01J11/00GK2921800SQ200620042600
公開日2007年7月11日 申請日期2006年6月9日 優先權日2006年6月9日
發明者劉林, 謝興龍, 賈雪梅 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所