本發(fā)明涉及超短脈沖激光系統(tǒng)中高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀。
背景技術：
超短脈沖激光系統(tǒng)中最終物理打靶的激光脈沖寬度是一項非常重要的技術參數(shù)，決定了激光脈沖與物質相互作用時的實時功率。脈寬寬度越短，要求測量到的激光脈沖寬度的精度更高。
超短激光脈沖寬度測量的經典辦法為自相關法，在皮秒或亞皮秒的超短脈沖寬度測量中，測量精度在50fs-100fs就足夠了，此時對于測量系統(tǒng)由于衰減等引入的材料色散以及輸入光束的發(fā)散度等對測量脈寬的影響很小，可以忽略。而對于小于50fs的激光脈沖寬度測量來說，這些因素對于測量結果的影響都非常大。假設進入飛秒激光脈沖寬度測量儀的飛秒脈沖為無啁啾的，經過透射式衰減片等色散元件后，脈沖寬度將被展寬，展寬后的脈沖寬度可以由下式計算得到：
式中tp為展寬后的脈沖寬度，t0為初始脈沖寬度，為色散元件的二階色散。
根據(jù)公式(1)，對于10fs的測量脈沖寬度來說，當采用1mm厚透射式K9玻璃衰減片時，測量到的脈沖寬度為：15.8fs；當采用2mm厚透射式K9玻璃衰減片時，測量到的脈沖寬度為：26.4fs，顯然，被測結果與實際值產生了很大偏差。
在實際的工程應用中，為了得到每發(fā)超短激光脈沖寬度數(shù)據(jù)，必須根據(jù)每發(fā)的能量大小進行恰當?shù)乃p，通常來說，為了不影響測量光路的方向，其衰減片為透射式，但是這樣會使測量結果失真。如果采用計算的辦法將飛秒激光脈沖寬度測量儀中透射式衰減片引入的色散剔除，其結果不具有唯一性，因為初始脈沖可能具有：正啁啾、負啁啾和無啁啾，即一個測量結果至少可以計算得到3個不同結果，且很難判斷哪個結果是正確的。
另外，對于超短飛秒激光脈沖寬度測量來說，即使被測脈沖的發(fā)散度極小，也會使測量結果產生較大誤差。而這些對于百飛秒激光脈沖和皮秒激光脈沖寬度測量來說，都是可以忽略的。
同時，為了測量飛秒激光脈沖寬度，測量儀器還必須具有極高的分辨率，而這些在皮秒或者百飛秒脈沖測量中也是不需要的。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀，該儀器可以實現(xiàn)超短飛秒激光系統(tǒng)中激光脈沖寬度高精度實時測量，克服了由于衰減等材料色散以及被測激光脈沖發(fā)散度對測量結果的影響。該測量儀器最小可測激光脈沖時間寬度為6fs，分辨率為1.9fs。
本發(fā)明的技術解決方案是：
一種高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀，包括盤式可變倍率反射式衰減器、第一反射鏡、五五分光鏡、由第二反射鏡和第三反射鏡組成的延遲器、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、相關晶體、成像系統(tǒng)、第八反射鏡、探測器和計算機，該計算機分別與所述的探測器和盤式可變倍率反射式衰減器相連；
沿光路依次放置所述的盤式可變倍率反射式衰減器、第一反射鏡以及五五分光鏡，該五五分光鏡將入射光分為透射光和反射光兩路，所述的透射光經過第二反射鏡和第三反射鏡組成的延遲器之后，再經過第四反射鏡之后進入相關晶體；所述的反射光依次經所述的第五反射鏡、第六反射鏡和第七反射鏡之后，射入相關晶體；經所述的相關晶體得到相關信號，該相關信號依次經成像系統(tǒng)、第八反射鏡后，成像到探測器中，最后傳輸?shù)接嬎銠C，通過計算機處理相關信號，得到被測飛秒激光脈沖的寬度。
在所述的相關晶體中入射的反射光與透射光之間存在一個非共線的夾角使反射光與透射光在相交位置處產生空間上的延遲，該空間延遲通過相關晶體后得到相關信號。
通過調節(jié)所述的延遲器的位置，使所述的透射光到達相關晶體的光程與所述的反射光到達相關晶體的光程相等。
被測對象既可以是單次飛秒激光信號，也可以是重復頻率的飛秒激光信號。
所述的盤式可變倍率反射式衰減器由一個電動衰減盤和4片不同衰減倍率的反射式衰減片組成，衰減片的反射衰減倍率可以分別為：0.1％，1％，10％，90％等等任意衰減值；通過計算機可以控制衰減器中衰減盤的轉動，從而實現(xiàn)對被測脈沖進行靈活衰減，同時不改變進入高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀的光路方向，且不引入材料色散；
所述的相關晶體為非線性晶體，包括BBO、LBO、KDP、YCOB。
本發(fā)明的技術效果是：
1)采用盤式可變倍率反射式衰減器對被測信號進行靈活衰減，同時不改變進入高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀的光路方向，且不引入材料色散，保證測量結果的準確性；
2)采用成像系統(tǒng)將相關信號準確的成像在探測器中，消除了由于被測光束發(fā)散度對測量結果的影響，非常方便地滿足了高功率飛秒激光系統(tǒng)中對飛秒激光脈沖寬度精確測量的需求。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例1的結構簡圖。
圖中：1-盤式可變倍率反射式衰減器；2-第一反射鏡；3-五五分光鏡；4-第二反射鏡；5-第三反射鏡；6-延遲器；7-第四反射鏡；8-第五反射鏡；9-第六反射鏡；10-第七反射鏡；11-相關晶體；12-成像系統(tǒng)；13-第八反射鏡；14-探測器；15-計算機。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
當被測激光脈沖為飛秒量級(6fs-0.5ps)的超短飛秒激光脈沖時，請參閱圖1，圖1為本發(fā)明實施例的結構簡圖，用于實現(xiàn)6fs-0.5ps之間飛秒激光脈沖寬度的精確測量和分析需求。被測脈沖首先通過盤式可變倍率反射式衰減器1將被測脈沖進行恰當?shù)乃p，由于該衰減器為反射式衰減，所以不會引入材料色散。經過衰減后被測脈沖進入高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀內部，然后經由第一反射鏡2以及五五分光鏡3，該五五分光鏡3將入射光一分為二，一路透射光經過第二反射鏡4和第三反射鏡5組成的延遲器6之后，再經過第四反射鏡7之后進入相關晶體11；另一路反射光經過第五反射鏡8、第六反射鏡9、第七反射鏡10之后同樣進入相關晶體11。經過相關晶體后得到相關信號，該相關信號經過成像系統(tǒng)12成像到探測器14上，且被探測器14接收，然后傳輸?shù)接嬎銠C15進行分析處理，得到被測脈沖的寬度。
反射光與透射光之間存在一個非共線的夾角從而使反射光與透射光在相交位置處產生空間上的延遲，即在相關晶體11上產生空間上的延遲，該空間延遲通過相關晶體11后，得到相關信號。
假設探測器14采用CCD，該CCD每個像素的大小為d，光速為c，與被測脈沖線形的相關系數(shù)為k(例如當被測脈沖為雙曲正割是，k＝1.53)，成像系統(tǒng)12采用1：1成像，則該探測器的時間分辨率為：
特別地，當被測脈沖的線型為雙曲正割，即k＝1.532,光電探測器(CCD)上的像素單元尺寸為8.3um/pixel，分辨率為582×852時，帶入公式(2)可以得到此時的分辨率為：1.9fs/pixel，進一步計算可以得到，該探測器能測量的飛秒激光脈沖寬度范圍為：6fs-1.6ps。
通過以上的計算可以看出，該飛秒激光脈沖測量儀可以具有極高的分辨率(1.9fs/pixel)；
所述的高分辨率飛秒激光脈沖寬度測量儀由于采用盤式可變倍率反射式衰減器，既可以對被測脈沖進行靈活的衰減，保證測量儀器安全，又不會引入材料色散，保證測量的準確性；
所述的成像系統(tǒng)將相關信號準確的成像在探測器中，消除了由于被測光束發(fā)散度對測量結果的影響，非常方便地滿足了高功率飛秒激光系統(tǒng)中對飛秒激光脈沖寬度精確測量的需求。