超短脈沖寬度測量裝置及其測量方法
【專利摘要】一種超短脈沖寬度測量裝置及其測量方法，該裝置包括CCD探測器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第一分束片、第二分束片、聚焦透鏡和步進平臺，本發明可對任意方向的入射的超短脈沖的寬度實時測量，具有光路調節簡化、適用的光譜范圍寬的特點。
【專利說明】
超短脈沖寬度測量裝置及其測量方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光脈沖寬度測量，特別是一種超短脈沖寬度的測量裝置及其測量方 法。
【背景技術】
[0002] 由于超短脈沖極高的光強和極短的脈寬，因此被廣泛的用于研究各種超快現象及 強場下的物理行為，如快點火激光核聚變、分子弛豫和超快動力學等。而超短脈沖技術的進 步與脈寬測量技術的發展是分不開的，因此研究測量的超短激光脈沖新技術，了解脈沖寬 度、相位及形狀信息，是超快技術研究中十分重要的內容。目前測量激光脈沖的普遍方法是 自相關法、光學頻率光柵開關法(FROG)和自參考光譜位相相干電場重建法（SPIDER)。總體 思路為:首先把入射光分為兩束，讓其中一束光通過一個延遲線，然后再把這兩束光合并， 并借助倍頻晶體發生相互作用，得到強度或者光譜信息，然后用不同的方法得到入射光的 信息。但是兩束光的相互作用是利用非線性晶體來實現的，這一過程較為復雜，不易操作。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對上述現有技術中的不足，提供一種超短脈沖寬度測量裝置， 該裝置利用光的干涉效應來實現的超短脈沖寬度測量的方便化測量。可對任意方向的入射 的超短脈沖的寬度實時測量，具有光路調節簡化、適用的光譜范圍寬的特點。
[0004] 本發明的技術方案如下：
[0005] -種超短脈沖寬度測量裝置，包括CCD探測器，其特征在于:還包括第一平面反射 鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射 鏡、第一分束片、第二分束片、聚焦透鏡和步進平臺，所述的第三平面反射鏡、第四平面反射 鏡置于所述的步進平臺上，沿待測超短脈沖方向依次是所述的第一平面反射鏡、第二平面 反射鏡和第一分束片，該第一分束片將所述的待測超短脈沖光分為第一光束和第二光束： 第一束光經所述的第三平面反射鏡、第四平面反射鏡后經所述的第二分束片、聚焦透鏡進 入CCD探測器，第二束光經所述的第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第二分束片、聚焦透鏡 進入CCD探測器，所述的第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射 鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第一分束片和第二分束片與光路成45°，所述的步進 平臺由高精度步進電機帶動，移動方向平行于第一光束的方向，所述的CCD探測器的CCD探 測面位置所述的聚焦透鏡的焦面。
[0006] 利用上述超短脈沖寬度測量裝置測量超短脈沖寬度的方法，該方法包括下列步 驟：
[0007] 1)調節所述的第一平面反射鏡和第二平面反射鏡，使待測的超短脈沖光從第二平 面反射鏡沿水平方向出射，將所述的步進平臺的移動方向與第一光束方向平行，調節所述 的聚焦透鏡與第一光束和第二光束重合后的光束垂直，將所述的CCD探測器置于聚焦透鏡 的焦面處；
[0008] 2)開啟所述的步進平臺，所述的步進平臺每動一步所述的CCD探測器就進行一次 測量，最后在所述的CCD的顯示屏上得到干涉強度關于光程差的曲線；
[0009] 3)首先將干涉強度關于光程差的曲線換算成干涉強度關于延時的曲線Ι(τ)，然后 再將曲線Ι(τ)的波形斜率變化點作為Ι(τ)包絡的數據點，采用拉格朗日插值法對這些數據 點進行擬合，可得到1(1)包絡，計算得到Ι(Τ)包絡的寬度后，根據公式 {TFWHu)m={TFumi)iletea〇r* Vl + C7 /2求出輸入的超短脈沖的脈寬（TFWHM) in，其中C為已知啁嗽 參量。
[0010]本發明具有以下有益效果：
[0011] 本發明沒有使用非線性晶體，利用的是光的干涉效應測量超短脈沖寬度，本發明 可實時測量，具有適用的光譜范圍寬的特點；
[0012] 本發明在CCD探測器之前加了一個聚焦透鏡，使得兩束光在平行但不重合的情況 下也能發生干涉進行測量，光路調節進一步簡化；
[0013]通過第一平面反射鏡和第二平面反射鏡的調節，可對任意方向的入射的超短脈沖 進行測量。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明超短脈沖寬度測量裝置的光路結構示意圖
【具體實施方式】
[0015] 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制發明的保護范 圍。
[0016] 先請參閱圖1，圖1是本發明超短脈沖寬度測量裝置的光路結構示意圖，由圖可見， 本發明超短脈沖寬度測量裝置包括CCD探測器10,還包括第一平面反射鏡1、第二平面反射 鏡2、第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6、第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、第一分束 片3、第二分束片4、聚焦透鏡9和步進平臺11，所述的第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6置 于所述的步進平臺11上，沿待測超短脈沖方向依次是所述的第一平面反射鏡1、第二平面反 射鏡2和第一分束片3,該第一分束片3將所述的待測超短脈沖光分為第一光束和第二光束： 第一束光經所述的第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6后經所述的第二分束片4、聚焦透鏡 9進入(XD探測器10,第二束光經所述的第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、第二分束片4、 聚焦透鏡9進入CCD探測器10,所述的第一平面反射鏡1、第二平面反射鏡2、第三平面反射鏡 5、第四平面反射鏡6、第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、第一分束片3和第二分束片4與 光路成45°，所述的步進平臺11由高精度步進電機帶動，移動方向平行于第一光束的方向， 所述的CCD探測器10的CCD探測面位置所述的聚焦透鏡9的焦面。
[0017] 所述的超短脈沖寬度測量裝置測量超短脈沖寬度的方法，該方法包括下列步驟：
[0018] 1)調節所述的第一平面反射鏡1和第二平面反射鏡2,使待測的超短脈沖光從第二 平面反射鏡2沿水平方向出射，將所述的步進平臺11的移動方向與第一光束方向平行，調節 所述的聚焦透鏡9與第一光束和第二光束重合后的光束垂直，將所述的CCD探測器10置于聚 焦透鏡9的焦面處；
[0019] 2)開啟所述的步進平臺11，所述的步進平臺11每動一步所述的CCD探測器10就進 行一次測量，最后在所述的CCD的顯示屏上得到干涉強度關于光程差的曲線；
[0020] 3)首先將干涉強度關于光程差的曲線換算成干涉強度關于延時的曲線Ι(τ)，然后 再將曲線Ι(τ)的波形斜率變化點作為Ι(τ)包絡的數據點，采用拉格朗日插值法對這些數據 點進行擬合，可得到1(1)包絡，計算得到Ι(Τ)包絡的寬度后，根據公式 {TFWHM)in={TFWHM)delector · A + /2求出輸入的超短脈沖的脈寬(TFWHM) in，其中C為已知啁嗽 參量。
[0021 ]圖1中第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6、第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、 第一分束片3和第二分束片4構成一種邁克爾遜干涉儀，本發明測量所涉及的物理過程實質 可以看作:待測的啁嗽高斯光脈沖經過一個邁克爾遜干涉儀分為相等的僅有一個延遲的兩 束光的干涉過程。本發明的工作原理如下：
[0022]首先假設進入測量系統的是有初始啁嗽的高斯光脈沖：
(1)
[0024]其中，C是啁嗽參量，to是脈沖的半寬度(峰值強度的Ι/e)，ω〇為角頻率。邁克爾遜 干涉儀使得兩個脈沖產生一個時延τ，此時干涉光脈沖瞬時強度可以表示為：
[0026] (XD探測器10接收到的強度正比于Itotal(t)在時間上的積分：
(3)
[0028]由上式可知Ι(τ)的包絡的半高全寬為：
(*)
[0030] 控制高精度步進電機11來該變兩個脈沖之間的延遲，讓其中一個脈沖對另一個脈 沖進行掃描，在掃描中得到Κ τ)曲線。
[0031] 在計算I (τ)曲線的包絡過程中，把I (τ)曲線的波形斜率變化點作為I (τ)包絡的數 據點，其中斜率由正變負的點是Ι(τ)的上包絡，斜率由負變正的點是Ι(τ)的下包絡。采用拉 格朗日插值法對這些數據點進行擬合，得到Ι(τ)的包絡。計算得到Ι(τ)包絡的寬度 (TFWHM ) detect。!·后，根據公式(4 )反推出輸入的超短脈沖的脈寬(Tf? ) in。
[0032] 這里是以高斯脈沖為例進行理論推導的，在實際過程中，所得到的Ι(τ)包絡的寬 度與具體的脈沖波形有關。
[0033] 實驗表明，本發明可對任意方向的入射的超短脈沖的寬度實時測量，具有光路調 節簡化、適用的光譜范圍寬的特點。
【主權項】
1. 一種超短脈沖寬度測量裝置，包括CCD探測器（10)，其特征在于:還包括第一平面反 射鏡（1 )、第二平面反射鏡(2 )、第三平面反射鏡(5 )、第四平面反射鏡(6 )、第五平面反射鏡 (7)、第六平面反射鏡(8)、第一分束片（3)、第二分束片(4)、聚焦透鏡(9)和步進平臺（11)， 所述的第三平面反射鏡(5)、第四平面反射鏡(6)置于所述的步進平臺（11)上，沿待測超短 脈沖方向依次是所述的第一平面反射鏡（1)、第二平面反射鏡(2)和第一分束片(3)，該第一 分束片（3)將所述的待測超短脈沖光分為第一光束和第二光束:第一束光經所述的第三平 面反射鏡(5)、第四平面反射鏡(6)后經所述的第二分束片(4)、聚焦透鏡(9)進入CCD探測器 (10)，第二束光經所述的第五平面反射鏡(7)、第六平面反射鏡(8)、第二分束片(4)、聚焦透 鏡(9)進入CCD探測器(10)，所述的第一平面反射鏡（1)、第二平面反射鏡(2)、第三平面反射 鏡(5)、第四平面反射鏡(6)、第五平面反射鏡(7)、第六平面反射鏡(8)、第一分束片(3)和第 二分束片(4)與光路成45°，所述的步進平臺（11)由高精度步進電機帶動，移動方向平行于 第一光束的方向，所述的CCD探測器(10)的CCD探測面位置所述的聚焦透鏡(9)的焦面。2. 利用權利要求1所述的超短脈沖寬度測量裝置測量超短脈沖寬度的方法，其特征在 于該方法包括下列步驟： 1) 調節所述的第一平面反射鏡（1)和第二平面反射鏡(2)，使待測的超短脈沖光從第二 平面反射鏡(2)沿水平方向出射，將所述的步進平臺（11)的移動方向與第一光束方向平行， 調節所述的聚焦透鏡(9)與第一光束和第二光束重合后的光束垂直，將所述的CCD探測器 (10)置于聚焦透鏡(9)的焦面處； 2) 開啟所述的步進平臺（11)，所述的步進平臺（11)每動一步所述的CCD探測器（10)就 進行一次測量，最后在所述的CCD的顯示屏上得到干涉強度關于光程差的曲線； 3) 首先將干涉強度關于光程差的曲線換算成干涉強度關于延時的曲線Ι(τ)，然后再將 曲線Ι(τ)的波形斜率變化點作為Ι(τ)包絡的數據點，采用拉格朗日插值法對這些數據點進 行擬合，可得到Ι(τ)包絡，計算得到〖（。包絡的寬度^^^彡^^^^后^艮據公式農出輸入的超短脈沖的脈寬(TFWHM) in，其中C為已知啁嗽 參量。
【文檔編號】G01J11/00GK106017698SQ201610318478
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】徐光 , 陳翔宇, 李大為
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所