CN104483027A - 一种自动测量激光脉宽自相关仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动测量激光脉宽自相关仪，包括光阑、分束镜、反射镜、倍频晶体、线阵CCD和处理器，待测激光脉冲通过光阑得到标准脉冲，再由分束镜分为两束相同脉冲；两束脉冲分别经过两组反射镜反射到倍频晶体进行自相干，通过线阵CCD检测自相干脉冲并将检测到的强度数据传给处理器，通过处理器计算得到激光脉冲宽度。本发明直接从线阵CCD输出信号中读取强度和延时数据，进而计算得到激光脉冲宽度，提高了测量精度，操作简单，装置结构简单紧凑。

Description

一种自动测量激光脉宽自相关仪及测量方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术领域，具体涉及一种自动测量激光脉宽自相关仪及测量方法。

背景技术

在过去几十年时间里，超短激光脉冲的产生与应用得到巨大的发展。在物理学、生物学和化学领域中，利用飞秒短激光脉冲观测各种动力学过程以及超快速现象，已经成为一种崭新而有效的研究手段，相应的，超短脉冲特性的测量也显得特别重要。目前经常采用自相关法，自相关仪结构紧凑、调节简单，具有较高的分辨率和灵敏度，是超短脉冲宽度测量普遍采用的仪器。

自相关仪的测量原理是让两个相同脉冲产生时间差，使得这两个脉冲在倍频晶体中相互作用产生倍频，再采用线阵CCD采集信号，并将采集到的信号传送给示波器，通过示波器读取相关参数进而计算得到脉冲宽度。采用示波器读取数据必然就存在误差问题，为了提高精度，计算多次均值，但是其没有从根本上消除示波器所带来的测量误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明的目的在于提供一种可自动测量的激光脉宽自相关仪装置及测量方法，其取消了示波器，直接读取强度数组数据，根据得到的最小脉宽格值，选取最合适的自相干点，进而计算得到脉冲宽度，避免了示波器带来的测量误差，提高了精度。

一种自动测量激光脉宽自相关仪，包括：光阑、分束镜、第一、二、三、四、五、六反射镜，倍频晶体9、线阵CCD、处理器、精密移动平台；

光阑，用于将待测激光脉冲调整为标准脉冲；分束镜，置于光阑前方，用于将标准脉冲分为两束相同脉冲；第一、二反射镜形成直角反射镜，用于将入射其表面的第一束脉冲原方向返回到第三反射镜；第三反射镜，用于将入射的第一束脉冲反射至第六反射镜；第四反射镜，用于将第二束脉冲反射至第五反射镜；第五反射镜，用于将入射的第二束脉冲反射至第六射镜；第六反射镜，用于将入射的两束反射镜反射至倍频晶体；倍频晶体，用于使得两束相同脉冲产生倍频；线阵CCD，用于采集倍频晶体输出的脉冲信号强度；精密移动平台，用于放置第一、二反射镜，通过位置移动调整到第一个自相干点和第二个自相干点；处理器，用于依据线阵CCD采集的脉冲信号强度计算脉冲宽度。

进一步地，所述处理器，其包括波形半宽度格值确定模块、自相干点解析模块和脉冲宽度解析模块，波形半宽度格值确定模块用于从脉冲信号强度中解析出波峰所在像元数值和波峰强度值，计算1/2波峰强度值所在两像元位置之差的绝对值即为波形半宽度格值，通过不断移动精密移动平台调整第一、二反射镜位置，直到确定某一区间，该区间对应的波形半宽度格值最小记为X，区间的两个端值分别作为第一自相干点和第二自相干点；自相干点解析模块用于在第一、第二自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a1，a2，记录对应的精密移动平台位置s1，s2；脉冲宽度解析模块，用于计算激光脉宽W＝|2*(s2-s1)*3333/(a2-a1)|*X*β，β为待测激光脉冲波形系数。

一种基于所述的激光脉宽自相关仪的脉宽测量方法，具体为：

通过不断移动精密移动平台调整第一、二反射镜位置，直到确定某一区间，该区间对应的波形半宽度格值最小记为X；所述波形半宽度格值的计算方式为：处理器从线阵CCD采集到的脉冲信号强度中解析出波峰所在像元数值和波峰强度值，计算1/2波峰强度值所在两像元位置之差的绝对值即为波形半宽度格值；

将区间的两个端值分别作为第一自相干点和第二自相干点；

调整精密移动平台位置至第一个自相干点，处理器从在第一个自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a1，并记录精密移动平台位置s1；

调整精密移动平台位置至第二个自相干点，处理器从在第二个自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a2，并记录精密移动平台位置s2；

计算激光脉宽W＝|2*(s2-s1)*3333/(a2-a1)|*X*β，β为待测激光脉冲波形系数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明直接从线阵CCD输出信号中读取强度和延时数据，并选取了最佳自相干点，计算得到激光脉冲宽度，其避免了使用示波器带来的误差，提高了测量精度，操作简单，装置结构简单并紧凑。

附图说明

图1是本发明自相关仪结构图；

图2是本发明测试到的选取第一点位置波形图；

图3是本发明测试到的选取第二点位置波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

光阑1、分束镜2、反射镜3-8、倍频晶体9、线阵CCD10和处理器11，首先待测激光脉冲通过光阑得到标准脉冲，再由分束镜分为两束相同脉冲。两束脉冲分别经过反射镜3、4、5、8和反射镜6、7、8两条光路反射到BBO倍频晶体上，后在BBO晶体的垂直轴线后通过线阵CCD检测自相干脉冲，再将检测到的强度数据传给处理器，通过处理器计算得到激光脉冲宽度。

在上述的自动测量激光脉宽自相关仪装置，所述装置的光束均在同一平面上，且所述装置均固定于同一面包板上。

在本发明所述的自动测量激光脉宽的自相关仪装置，反射镜3、4固定于同一精密移动平台上，可横向移动。通过精密移动平台调整到第一个自相干点和第二个自相干点。

在上述的自动测量激光脉宽的自相关仪装置，BBO倍频晶体9固定在旋转位移平台上，使两束激光可以以完全汇聚到晶体上，同时在倍频晶体后添加滤波片，得到所需倍频光。

线阵CCD检测自相关强度参数后传给所述的处理器，其工作过程为：

1)通过不断移动精密移动平台调整第一、二反射镜(3、4)位置，直到确定某一区间，该区间对应的波形半宽度格值最小记为X；所述波形半宽度格值的计算方式为：处理器从线阵CCD采集到的脉冲信号强度中解析出波峰所在像元数值和波峰强度值，计算1/2波峰强度值所在两像元位置之差的绝对值即为波形半宽度格值；

2)将区间的两个端值分别作为第一自相干点和第二自相干点；

3)选定第一个自相干点，处理器从在第一个自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a1，记录此时移动位移平台示数s1，单位：mm；

3)调节通过反射镜3、4、5、8光路光程，使两条光路产生时间延迟至第二个自相干点，处理器从在第二个自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a2，并记录精密移动平台位置s2；单位：mm；

4)根据输入数据自动计算出所测激光脉宽W＝|2*(s2-s1)*3333/(a2-a1)|*X*β，单位：飞秒。

以下举一个具体实例：

测量一束近红外高斯飞秒激光脉冲，所使用线阵CCD芯片型号为东芝TCD1304AP，像素大小为8μm×200μm。所使用芯片为FTD2XX，采用Labview编写并发布为可安装程序。则可以确定此时波形系数为β＝0.707，半宽度格值为X＝24。图2给出了选定第一点的波形图，可读得此时激光波峰所在像元为a1＝2407，输入此时的位移平台示数s1＝2.650。调节移动位移平台，使两束光路产生光路延迟，图3给出了选定第二点。读得此时激光波峰像元为a2＝2192，此时位移平台示数为s2＝2.743。

根据脉宽计算公式W＝|2*(s2-s1)*3333/(a2-a1)|*X*β，则得到所测激光脉宽为48.9fs。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自动测量激光脉宽自相关仪，其特征在于，包括：光阑(1)、分束镜(2)、第一、二、三、四、五、六反射镜(3、4、5、6、7、8)，倍频晶体(9)、线阵CCD(10)、处理器(11)、精密移动平台；

光阑(1)，用于将待测激光脉冲调整为标准脉冲；分束镜(2)，置于光阑(1)前方，用于将标准脉冲分为两束相同脉冲；第一、二反射镜(3、4)形成直角反射镜，用于将入射其表面的第一束脉冲原方向返回到第三反射镜(5)；第三反射镜(5)，用于将入射的第一束脉冲反射至第六反射镜(8)；第四反射镜(6)，用于将第二束脉冲反射至第五反射镜(7)；第五反射镜(7)，用于将入射的第二束脉冲反射至第六射镜(8)；第六反射镜(8)，用于将入射的两束反射镜反射至倍频晶体(9)；倍频晶体(9)，用于使得两束相同脉冲产生倍频；线阵CCD(10)，用于采集倍频晶体(9)输出的脉冲信号强度；精密移动平台，用于放置第一、二反射镜(3、4)，通过位置移动调整到第一个自相干点和第二个自相干点；处理器(11)，用于依据线阵CCD(10)采集的脉冲信号强度计算脉冲宽度。

2.根据权利要求1所述的自动测量激光脉宽自相关仪，其特征在于，所述处理器(11)，其包括波形半宽度格值确定模块、自相干点解析模块和脉冲宽度解析模块，波形半宽度格值确定模块用于从脉冲信号强度中解析出波峰所在像元数值和波峰强度值，计算1/2波峰强度值所在两像元位置之差的绝对值即为波形半宽度格值，通过不断移动精密移动平台调整第一、二反射镜(3、4)位置，直到确定某一区间，该区间对应的波形半宽度格值最小记为X，区间的两个端值分别作为第一自相干点和第二自相干点；自相干点解析模块用于在第一、第二自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a1，a2，记录对应的精密移动平台位置s1，s2；脉冲宽度解析模块，用于计算激光脉宽W＝|2*(s2-s1)*3333/(a2-a1)|*X*β，β为待测激光脉冲波形系数。

3.一种基于权利要求1所述的激光脉宽自相关仪的脉宽测量方法，其特征在于，具体为：

通过不断移动精密移动平台调整第一、二反射镜(3、4)位置，直到确定某一区间，该区间对应的波形半宽度格值最小记为X；所述波形半宽度格值的计算方式为：处理器从线阵CCD采集到的脉冲信号强度中解析出波峰所在像元数值和波峰强度值，计算1/2波峰强度值所在两像元位置之差的绝对值即为波形半宽度格值；

将区间的两个端值分别作为第一自相干点和第二自相干点；

调整精密移动平台位置至第一个自相干点，处理器从在第一个自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a1，并记录精密移动平台位置s1；

调整精密移动平台位置至第二个自相干点，处理器从在第二个自相干点得到的脉冲信号强度中解析波峰所在像元数值a2，并记录精密移动平台位置s2；

计算激光脉宽W＝|2*(s2-s1)*3333/(a2-a1)|*X*β，β为待测激光脉冲波形系数。