專利名稱：超短脈沖寬度測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型為一種集成化程度高、操作簡便、具有高性能價格比的超短脈沖寬度測試儀器，屬于光電子技術與器件領域。
背景技術：
飛秒激光技術與器件是目前激光技術及應用領域最重要和最活躍的科學研究、高技術產業領域。飛秒脈沖激光已廣泛地應用于生物學、化學、納米材料學、凝聚態物理學等科學研究領域，新型激光器件的開發和激光微加工等工業領域，以及軍事領域等。與之相應的超強激光器件、超快激光光譜學技術已經成為目前科學研究和新技術開發中不可或缺的研究工具。
飛秒激光脈沖的突出特點在于其瞬態高強度特性。我們通常所指的飛秒激光脈沖的寬度一般在200飛秒以下，即其持續時間短于200×10-15秒。如此短的光脈沖是常用的測試設備(如高頻示波器等)所無法直接響應和分辨的，因此只能借助于間接的測量方案，通常的方案是將時間的測量轉換為空間的測量。目前常用的測量方法有自相關法、頻率分辨光學開關法(FROG)、自參考光譜相位相干電場重建法(SPIDER)。FROG和SPIDER可以詳細給出脈沖的強度與相位，但是需要較為復雜的光學系統并經過繁瑣的數據處理后才能獲取相關的超短脈沖信息。但在通常情況下，我們最關心和最需要了解的是脈沖的寬度。自相關法可以以最快的速度或實時地直接給出脈沖的寬度，因此是超快激光實驗室必備的測試儀器和表征工具。基于自相關法的原理，目前國際市場上已有多種產品，但是光學設計和調節過程復雜，測試過程技術要求高、周期長，體積大是這些產品的主要弊端。由于其技術原理和器件結構復雜，目前國際市場上的自相關測試儀器價格昂貴，難以作為實驗室的日常儀器購置、使用。
實用新型內容針對現有飛秒脈沖自相關儀的上述問題，本實用新型提供了一種結構簡單、新穎，調節方便，體積小，成本低的超短脈沖寬度測試儀器，為飛秒激光脈沖提供一種簡單高效的脈寬測量裝置，具有重要的實用價值和和經濟效益。
本實用新型提供了一種超短脈沖寬度測試儀，其特征在于，依次包括 兩片對于待測激光為透明且厚度在毫米量級的相同的片狀材料FS1，FS2、凹面反射鏡CM1、非線性晶體NL、針孔光闌PA、凹面反射鏡CM2、光電探測器PD、入射光脈沖的自相關特征曲線顯示裝置OSC； 其中片狀材料FS1和FS2互相垂直并且上下固定在一個轉子上，轉子連接直流電機驅動，片狀材料FS1和FS2在直流電機的帶動下在片狀材料FS1和FS2確定的平面內旋轉； 待測激光平行于片狀材料FS1和FS2確定的平面且以片狀材料FS1和FS2的交點為對準中心入射，并通過片狀材料FS1、FS2，分成上下兩束。當片狀材料FS1和FS2在平面內周期性的旋轉時，上下兩束光由于經過FS1和FS2的光程不同，其延時也呈現周期性的變化，從而實現延時的掃描。片狀材料FS1和FS2通過的兩束光平行但高度不同，當它們入射至凹面反射鏡CM1聚焦時將在凹面反射鏡CM1的焦點交叉，在凹面反射鏡CM1的焦點放置非線性晶體NL，使得兩束光可以在非線性晶體NL中產生和頻；經由非線性晶體NL出射的激光，包含基波，各自倍頻光與和頻光； 采用針孔光闌PA將基波與各自倍頻光濾除，只透過和頻光，經另一凹面反射鏡CM2準直，入射至光電探測器PD，光電探測器PD將光信號轉化為電信號并將輸入顯示裝置OSC進行處理顯示，即獲得入射光脈沖的自相關特征曲線。
應用上述超短脈沖寬度測試儀進行測試的方法，其特征在于，包括以下步驟 1)根據入射光脈沖的自相關特征曲線確定自相關波形中半峰值處的時間間隔Δt；以及兩自相關的時間間隔T，從而得到直流電機的角速度為ω＝2π/T； 2)由Δt和角速度ω得到直流電機轉過的角度θ＝ω×Δt/2； 3)將直流電機轉過的角度θ代入以下公式，得到真正的延時Δτ；
其中 n為熔石英的折射率，c為光速，d為片狀材料FS1和FS2的厚度。
與傳統自相關儀相比，本實用新型的主要特點有 1、不需要復雜的調節過程，光路總長度可縮至15cm以下，易于操作，系統的抗干擾能力強，信號對比度高，可靠性好； 2、自動實現對激光脈沖延遲的掃描，極大簡化并縮短了測量的時間； 3、光學和機械元器件少，結構緊湊，體積小，便于攜帶和移動； 同時，大大降低了光學損耗，提高了系統效率和靈敏度； 4、成本低廉，適合作為超快光學實驗室的常規測試儀器。
本實用新型主要性能指標 測量波段測試光譜范圍可以覆蓋從450nm至3μm波段的飛秒激光脈沖； 測量脈沖寬度20fs至500fs； 測試結果示波器顯示強度自相關曲線，時間軸標定后獲得脈沖寬度。
圖1為本實用新型中測試儀的結構原理圖； 圖2為激光束入射到由熔石英薄片時被分束的原理圖； 圖3a為實驗測得的強度自相關曲線； 圖3b為多個周期的測量結果，其中每個尖峰代表一次自相關過程； 圖4為經過時間軸標定的強度自相關曲線，從中可以確定脈沖的半高寬為232fs。
具體實施方式
以下為本實用新型的一個具體實施方式
，測試儀結構如圖1所示。但是本實用新型不局限于以下實施例，只要是本領域人員在本實用新型的原理內進行的變化應屬于本實用新型的保護范圍。
其光學系統的核心部分包括 1、兩片熔石英薄片(FS1，FS2)厚度1mm，長20mm，寬8mm； 2、兩個鍍有金屬膜的凹面反射鏡(CM1，CM2)曲率半徑均為75mm，口徑12.7mm； 3、一塊BBO非線性晶體(NL)厚度2mm，通光口徑5×5mm2； 4、一個針孔光闌(PA)直徑0.5mm； 5、一個硅光電二極管(PD)； 6、直流驅動電機轉速3000轉/分鐘。
其中FS1和FS2互相垂直并且上下固定在一個轉子上，通過直流電機驅動，通過FS1和FS2的旋轉實現經過FS1和FS2的兩束光之間的延時掃描。
測試儀的工作原理 待測激光以片狀材料FS1和FS2的交點為中心入射并通過FS1、FS2，分成上下兩束，其空間結構如圖2所示。激光束與片狀材料FS1和FS2的夾角不同，則經歷的延時不同。兩熔石英薄片在直流電機的帶動下高速旋轉，從而實現兩束光脈沖間時間延遲的連續掃描。由于熔石英薄片通過的兩束光平行但高度不同，當它們入射至凹面反射鏡CM1聚焦時將在凹面鏡的焦點交叉，此時在凹面反射鏡CM1的焦點放置非線性晶體NL，使得兩束光可以在BBO中產生和頻。經由BBO出射的激光，包含基波，各自倍頻光與和頻光，但它們的出射角度不同，和頻光在中間，基頻光與各自倍頻光分列上下兩側。其中和頻光記錄了兩束光的相關信息。采用針孔PA將基波與各自倍頻光濾除，只透過和頻光，經另一凹面反射鏡CM2準直，入射至光電探測器(例如光電二極管或光電倍增管等)PD。光電探測器將光信號轉化為電信號并輸入示波器進行處理顯示，即獲得入射光脈沖的自相關特征曲線。
1、測試對象連續光泵浦鈦寶石鎖模激光振蕩器輸出光脈沖； 2、測試結果從示波器上直接讀取的強度自相關曲線如圖4所示； 3、標定后的強度自相關曲線時間軸標定后的強度自相關曲線如圖5所示； 4、脈沖寬度測量結果根據強度自相關與脈沖寬度的物理關系，確定半高寬處的脈沖寬度 自相關曲線的時間軸標定 根據本實用新型中測試儀的基本原理，在轉子轉動過程中，由于兩束光通過熔石英薄片的經歷的延時不同，造成其延時Δτ發生周期性的變化，Δτ的具體數值決定于入射光與薄片的夾角。根據幾何的推導可得經過兩個薄片兩束光的光程P1，P2分別為 其中
其中 為轉子相對于O點的轉角。O點位置對應于時入射光沿兩熔石英薄片的角平分線方向入射(如圖2所示)；α，β分別為兩束光在兩個薄片內的折射角；n為熔石英的折射率。由光程可以得到兩束光的延時為
當 趨近于 時，延時Δτ可以簡化為
∵θ＝ωt[2] 其中ω為電機旋轉的角速度， 可得
由[3]可見，Δτ為隨時間周期變化的量，從而實現兩束光延時的周期變化。進一步可知，Δτ的變化率與薄片的厚度d，電機的角速度ω有關。
因為示波器所顯示的自相關波形的時間并非兩束光真正的延時Δτ(如圖4a所示)，所以有必要對示波器的時間刻度進行標定，以得到對應于真正延時Δτ的自相關波形，從而進一步得到脈沖寬度。自相關儀的標定是這樣進行的①確定自相關波形中半峰值處的時間間隔Δt；②根據自相關波形的重復頻率來確定直流電機的角速度ω，如圖4b所示。例如圖中兩自相關的時間間隔為T＝47.6ms，則電機的角速度為ω＝2π/T＝132rad/s；③根據公式[2]，由Δt和角速度得到電機轉過的角度θ＝ω×Δt/2，④將θ代入公式[1]，得到真正的延時Δτ。
實際上，對于飛秒脈沖來說，由于在Δt時間內電機轉過的角度甚小(對我們的實例來說θ＝1.36°，因此可以看成示波器上的時間刻度和實際延時成正比(如公式[3]所示)，這樣只要把示波器的時間除以一個標定因子就可以得到延時。這個標定因子和n，d，ω有關。由于理論的計算往往有誤差，故在相關儀出廠之前，可以通過一個已知的脈寬將標定因子確定，此后就可以測量各種飛秒激光脈沖的脈寬了。
另外，強度自相關波形的半高全寬并非真正的脈沖寬度，需要除以一個因子，對于高斯脈沖，脈沖寬度為標定后強度自相關波形的半高全寬(FWHM)除以1.414；而對于雙曲正割脈沖，脈沖寬度為標定后強度自相關波形的半高全寬(FWHM)除以1.543. 本實用新型克服關鍵性技術難點，研制一種新型的超短脈沖寬度測試儀器。其巧妙的光學原理和設計思路，極其簡易的光學和電子學系統，在有效保證飛秒激光脈沖寬度測量的穩定性和可靠性的前提下，大大簡化了繁瑣的系統設計和光路調節，同時具有體積小、重量輕的顯著特點。這就大大降低了儀器成本。其價格僅為同等性能指標的商品化儀器的20％。
權利要求1.一種超短脈沖寬度測試儀，其特征在于，依次包括
兩片對于待測激光為透明且厚度在毫米量級的相同的片狀材料(FS1)，(FS2)、凹面反射鏡(CM1)、非線性晶體(NL)、針孔光闌(PA)、凹面反射鏡(CM2)、光電探測器(PD)、入射光脈沖的自相關特征曲線顯示裝置(OSC)；
其中片狀材料(FS1)和(FS2)互相垂直并且上下固定在一個轉子上，轉子連接直流電機驅動，片狀材料(FS1)和(FS2)在直流電機的帶動下在片狀材料(FS1)和(FS2)確定的平面內旋轉；
待測激光平行于片狀材料(FS1)和(FS2)確定的平面且以片狀材料(FS1)和(FS2)的交點為對準中心入射，并通過片狀材料(FS1)和(FS2)，分成上下兩束；當片狀材料(FS1)和(FS2)在平面內周期性的旋轉時，上下兩束光由于經過(FS1)和(FS2)的光程不同，其延時也呈現周期性的變化，從而實現延時的掃描；
片狀材料(FS1)和(FS2)通過的兩束光平行但高度不同，當它們入射至凹面反射鏡(CM1)聚焦時將在凹面反射鏡(CM1)的焦點交叉，在凹面反射鏡(CM1)的焦點放置非線性晶體(NL)，使得兩束光在非線性晶體(NL)中產生和頻；經由非線性晶體(NL)出射的激光，包含基波，各自倍頻光與和頻光；采用針孔光闌(PA)將基波與各自倍頻光濾除，只透過和頻光，經另一凹面反射鏡(CM2)準直，入射至光電探測器(PD)，光電探測器(PD)將光信號轉化為電信號并將電信號輸入顯示裝置(OSC)進行處理顯示，獲得入射光脈沖的自相關特征曲線。
專利摘要超短脈沖寬度測試儀屬于光電子領域。目前產品光學設計和調節過程復雜，體積大且價格昂貴，本實用新型依次包括兩片對于待測激光為透明且厚度在毫米量級的相同的片狀材料(FS1)，(FS2)、凹面反射鏡(CM1)、非線性晶體(NL)、針孔光闌(PA)、凹面反射鏡(CM2)、光電探測器(PD)、入射光脈沖的自相關特征曲線顯示裝置(OSC)；待測激光通過片狀材料的兩束光平行但高度不同，入射至凹面反射鏡(CM1)聚焦，在焦點放置非線性晶體產生和頻光；針孔光闌只透過和頻光，經另一凹面反射鏡(CM2)準直，入射至光電探測器將光信號轉化為電信號并輸入顯示裝置(OSC)得入射光脈沖的自相關特征曲線。本實用新型集成化程度高、操作簡便、具高性能價格比。
文檔編號G01J11/00GK201173826SQ20082007887
公開日2008年12月31日 申請日期2008年2月1日 優先權日2008年2月1日
發明者張新平, 田金榮, 鵬 張, 宋晏蓉, 麗 王 申請人:北京工業大學