CN105953930B - 皮秒级窄脉宽测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种皮秒级窄脉宽测试装置，包括第一分光耦合器、第二分光耦合器、第三分光耦合器、第一光学调节台、第二光学调节台、第一光纤放大器、第二光纤放大器、合束装置、第一测量装置、第二测量装置和第三测量装置。第一分光耦合器连接第一光学调节台和第二光学调节台，第一光学调节台、第一光纤放大器和第二分光耦合器依次连接，第二分光耦合器连接第一测量装置和合束装置。第二光学调节台、第二光纤放大器和第三分光耦合器依次连接，第三分光耦合器连接第二测量装置和合束装置，合束装置连接第三测量装置。利用受激拉曼散射原理来测量皮秒级脉冲，结构直观、操作简单且成本低，降低了皮秒级窄脉宽的测试成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种皮秒级窄脉宽测试装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，皮秒激光技术取得了令人瞩目的进展，使其成为工业微细加工的可靠工具。皮秒脉冲宽度相当短，与电光弛豫时间相当，并且皮秒脉冲往往具有很高的峰值功率，使它在加工时能够利用高峰值将材料表面击成离子态来完成加工且对加工点周围的热效应很小，这种特性即是所谓的“冷加工”和微加工，是纳秒级的激光器所无法实现的。皮秒激光器适应于几乎所有材料的微尺寸加工，包括金属、半导体、宝石、陶瓷、聚合物等等。
由于皮秒激光器在材料加工上的广泛应用，开发和使用皮秒激光器的机构越来越多，对皮秒级窄脉宽的测试需求也越来越大。传统的皮秒级别窄脉宽的测试装置一般需要使用自相关仪或者高速响应的光电探测器加高速示波器，这两种测试方法对设备要求都很高，自相关仪需要几十万元，高速示波器需要上百万元的高购买价格，大大增加了测试成本。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可降低测试成本的皮秒级窄脉宽测试装置。
一种皮秒级窄脉宽测试装置，包括第一分光耦合器、第二分光耦合器、第三分光耦合器、第一光学调节台、第二光学调节台、第一光纤放大器、第二光纤放大器、合束装置、第一测量装置、第二测量装置和第三测量装置，所述第一分光耦合器连接所述第一光学调节台和所述第二光学调节台；所述第一光学调节台、第一光纤放大器和所述第二分光耦合器依次连接，所述第二分光耦合器连接所述第一测量装置和所述合束装置；所述第二光学调节台、所述第二光纤放大器和所述第三分光耦合器依次连接，所述第三分光耦合器连接所述第二测量装置和所述合束装置；所述合束装置连接所述第三测量装置；
所述第一分光耦合器接收待测皮秒光，将所述待测皮秒光分为两路光束后分别输送至所述第一光学调节台和所述第二光学调节台，所述第一光学调节台将接收的光束经所述第一光纤放大器传输至所述第二分光耦合器，所述第二光学调节台将接收的光束经所述第二光纤放大器传输至所述第三分光耦合器；所述第二分光耦合器将接收的光束分为两路后分别传输至所述第一测量装置和所述合束装置，所述第三分光耦合器将接收的光束分为两路后分别传输至所述第二测量装置和所述合束装置；所述合束装置将接收的两路光束传输至所述第三测量装置；
所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器分别用于将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点；所述第一测量装置和所述第二测量装置分别用于检测对应光束的受激拉曼散射光；
所述第一光学调节台和所述第二光学调节台用于在所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点之后，调节传输的光束之间的路程差；所述第三测量装置用于在所述第一光学调节台和所述第二光学调节台调节传输的光束之间的路程差时，检测接入的两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻，得到脉宽测试结果并显示。
上述皮秒级窄脉宽测试装置，第一光纤放大器和第二光纤放大器分别将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点，第一测量装置和第二测量装置分别检测对应光束的受激拉曼散射光。第一光学调节台和第二光学调节台在第一光纤放大器和第二光纤放大器将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点之后，调节传输的光束之间的路程差。第三测量装置检测接入的两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻，得到脉宽测试结果并显示。利用受激拉曼散射原理来测量皮秒级脉冲，结构直观、操作简单且成本低，降低了皮秒级窄脉宽的测试成本。
附图说明
图1为一实施例中皮秒级窄脉宽测试装置的原理图；
图2为一实施例中皮秒级窄脉宽测试的原理示意图；
图3为一实施例中第一光纤放大器的结构图。
具体实施方式
一种皮秒级窄脉宽测试装置，如图1所示，包括第一分光耦合器102、第二分光耦合器104、第三分光耦合器106、第一光学调节台108、第二光学调节台110、第一光纤放大器112、第二光纤放大器114、合束装置116、第一测量装置118、第二测量装置120和第三测量装置122。第一分光耦合器102连接第一光学调节台108和第二光学调节台110，第一分光耦合器102还可连接待测皮秒光源300，接收待测皮秒光源300输出的待测皮秒光。第一光学调节台108、第一光纤放大器112和第二分光耦合器104依次连接，第二分光耦合器104连接第一测量装置118和合束装置116。第二光学调节台110、第二光纤放大器114和第三分光耦合器106依次连接，第三分光耦合器106连接第二测量装置120和合束装置116，合束装置116连接第三测量装置122。具体地，第一分光耦合器102、第二分光耦合器104、第三分光耦合器106、第一光学调节台108、第二光学调节台110、第一光纤放大器112、第二光纤放大器114、合束装置116、第一测量装置118、第二测量装置120和第三测量装置122之间均可通过光纤连接。
第一分光耦合器102接收待测皮秒光，将待测皮秒光分为两路光束后分别输送至第一光学调节台108和第二光学调节台110，第一光学调节台108将接收的光束经第一光纤放大器112传输至第二分光耦合器104，第二光学调节台110将接收的光束经第二光纤放大器114传输至第三分光耦合器106。第二分光耦合器104将接收的光束分为两路后分别传输至第一测量装置118和合束装置116，第三分光耦合器106将接收的光束分为两路后分别传输至第二测量装置120和合束装置116。合束装置116将接收的两路光束传输至第三测量装置122。
第一光纤放大器112和第二光纤放大器114分别用于将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点。第一测量装置118和第二测量装置120分别用于检测对应光束的受激拉曼散射光。
第一光学调节台108和第二光学调节台110用于在第一光纤放大器112和第二光纤放大器114将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点之后，调节传输的光束之间的路程差。第三测量装置122用于在第一光学调节台108和第二光学调节台110调节传输的光束之间的路程差时，检测接入的两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻，得到脉宽测试结果并显示。
第一光学调节台108、第一光纤放大器112和第二分光耦合器104组成第一支路，第二光学调节台110、第二光纤放大器114和第三分光耦合器106组成第二支路。第一分光耦合器102将待测皮秒光分为两路光束，分别经过第一支路和第二支路传输后再次被分为两路输出。第一分光耦合器102、第二分光耦合器104和第三分光耦合器106都用作进行分光处理，将光束分为两路后输出，具体的分光比并不唯一。本实施例中，第一分光耦合器102的分光比为50％，将待测皮秒光分为两路相等的光束后输出，以便后续测试观察，提高了测试便利性。第二分光耦合器104和第三分光耦合器106的分光比为1:999，分别将光束的千分之一部分发送至对应的第一测量装置118和第二测量装置120。具体地，第二分光耦合器104对接收的光束进行分光处理，将光束的1/1000部分发送至第一测量装置118用作进行测试，将光束的999/1000部分接入合束装置116。第三分光耦合器106对接收的光束进行分光处理，将光束的1/1000部分发送至第二测量装置120用作进行测试，将光束的999/1000部分接入合束装置116。第二分光耦合器104和第三分光耦合器106提取光束的千分之一部分输出以供进行测试，便于进行测试观察。
通过调节第一光纤放大器112和第二光纤放大器114，使对应光束放大到产生受激拉曼散射的临界点。受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，有很强的受激特性，受激拉曼散射存在阈值，当光路峰值功率较小，处于这个阈值之下时，发生的只是普通的散射，功率很小，而一旦峰值功率提高至达到阈值，散射光就表现出明显的激光特性，具有很好的单色性、相干性和方向性，同时散射光功率将呈指数的急剧增加。第一光纤放大器112和第二光纤放大器114结构及规格可一致也可不一致，本实施例中，第一光纤放大器112和第二光纤放大器114结构及规格一致，避免因放大器规格不一致而影响测试，提高测试准确性。此外，由于待测皮秒光源300、第一光纤放大器112和第二光纤放大器114的参数一致，第一分光耦合器102分光得到的两路光束的参数一致，使得两路放大后的光束的参数也是一致的，确保后续的测试准确可靠。
在第一光纤放大器112和第二光纤放大器114对对应光束放大时，通过第一测量装置118和第二测量装置120检测放大光的受激拉曼散射光。具体地，逐步增大第一光纤放大器112和第二光纤放大器114的功率以提高放大倍率，当放大光峰值功率处于受激拉曼散射阈值之下时，第一测量装置118和第二测量装置120基本探测不到散射光，但放大光峰值功率达到受激拉曼散射阈值时，散射光量急剧增加变得明显可测，此时再将第一光纤放大器112和第二光纤放大器114的功率调小至观察不到散射光，这时放大光达到了受激拉曼散射的临界点。
完成放大光调节后将两束放大光合束，并进行脉宽测试。通过第一光学调节台108和第二光学调节台110改变两束光之间的路程差，第一光学调节台108和第二光学调节台110的调节精度可根据实际情况选择，本实施例中调节精度均为1mm，按光束3*10^8m/s计算，测试的脉冲宽度精度为3.3ps，可以精确的完成皮秒级的脉宽测试，确保测试准确性。
皮秒级窄脉宽测试原理如图2所示，将两束放大光分别称作光束1和光束2，使光束1的光程保持不变，调节光束2对应的光学调节台，使其与光束1在时间上的相对位置按图2中箭头所示方向变化。因为两束光均处于发生受激拉曼散射的临界点，使得在合束后两束光波峰开始叠加的时刻(T1)峰值功率足够高，开始探测到受激拉曼散射光，此后一段范围内(T1-T2)散射光一直存在，直至T2两束光波峰错开，受激拉曼光消失，测得T1-T2的范围即可得到待测光的脉冲宽度。
第一测量装置118、第二测量装置120和第三测量装置122均用作检测受激拉曼散射光，第三测量装置122具体检测两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻，得到脉宽测试结果并显示。本实施例中第一测量装置118、第二测量装置120和第三测量装置122均为光谱仪，操作简便且测试可靠性高。可以理解，在其他实施例中，第一测量装置118、第二测量装置120和第三测量装置122也可用带通滤波器加功率计来代替。
第三测量装置122显示脉宽测试结果的方式并不唯一，具体可以是直接将两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻作为脉宽测试结果进行显示，测试人员根据起始时刻和结束时刻即可计算得到待测皮秒光的脉宽；也可以是计算起始时刻和结束时刻的差值作为脉宽测试结果显示，测试人员可直接查看待测皮秒光的脉宽。
上述皮秒级窄脉宽测试装置，第一光纤放大器112和第二光纤放大器114分别将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点，第一测量装置118和第二测量装置120分别检测对应光束的受激拉曼散射光。第一光学调节台108和第二光学调节台110在第一光纤放大器112和第二光纤放大器114将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点之后，调节传输的光束之间的路程差，第三测量装置122检测接入的两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻，得到脉宽测试结果并显示。利用受激拉曼散射原理来测量皮秒级脉冲，结构直观、操作简单且成本低，降低了皮秒级窄脉宽的测试成本。
上述皮秒级窄脉宽测试装置，与传统的基于自相关仪及高速示波器的测试方法相比，将几十万或者百万以上的测试成本降低到了2万元以下。同时，由于使用的装置在结构上较为简明，大大降低了皮秒级窄脉宽测试的门槛。
在其中一个实施例中，第一光学调节台108包括第一调节座架和设置于第一调节座架的第一输出头、第一准直透镜、第一耦合透镜和第一输入头，第一输出头连接第一分光耦合器102，第一输入头连接第一光纤放大器112，第一调节座架用于调节第一输出头和第一输入头之间的距离。光束从第一输出头经过第一准直透镜、第一耦合透镜再从第一输入头重新进入光纤，通过第一调节座架调节第一输出头与第一输入头之间的距离以改变光束的路程。可以理解，第一光学调节台108的具体结构并不唯一，只需满足可调节光束的路程即可。
在其中一个实施例中，第二光学调节台110包括第二调节座架和设置于第二调节座架的第二输出头、第二准直透镜、第二耦合透镜和第二输入头，第二输出头连接第一分光耦合器102，第二输入头连接第二光纤放大器114，第二调节座架用于调节第二输出头和第二输入头之间的距离。第二光学调节台110的具体结果和工作原理与第一光学调节台108类似，在此不再赘述。
在其中一个实施例中，如图3所示，第一光纤放大器112包括第一有源光纤240、第一合束器260和第一激光器280，第一有源光纤240连接第一光学调节台108和第一合束器260，第一合束器260连接第一激光器280和第二分光耦合器104。第一有源光纤240用于对第一光学调节台108输出的光束进行放大，第一合束器260将放大后的光束输送至第二分光耦合器104。
通过第一有源光纤240对光进行传输和放大处理，技术简单且易于实现。第一激光器280用于对第一有源光纤240进行供能，第一激光器280具体可为半导体激光器。第一激光器280的数量可以是一个也可以是多个，本实施例中第一激光器280的数量为两个，提高对第一有源光纤240的供能稳定性。以第一有源光纤240作为增益介质，第一合束器260耦合第一激光器280的输出光作为泵浦源，通过控制第一激光器280的输出光大小，来调节第一光纤放大器112的放大倍率。可以理解，第一光纤放大器112的具体结构并不唯一，只需满足可对光束进行放大即可。
进一步地，第一光纤放大器112还可包括第一模式匹配器220，第一有源光纤240通过第一模式匹配器220连接第一光学调节台108。第一模式匹配器220用于不同芯径光纤的耦合对接过渡，便于光束传输。
在其中一个实施例中，第二光纤放大器114包括第二有源光纤、第二合束器和第二激光器，第二有源光纤连接第二光学调节台110和第二合束器，第二合束器连接第二激光器和第三分光耦合器106。进一步地，第二光纤放大器114还包括第二模式匹配器，第二有源光纤通过第二模式匹配器连接第二光学调节台110。第二光纤放大器114的具体结构和工作原理与第一光纤放大器112类似，在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种皮秒级窄脉宽测试装置，其特征在于，包括第一分光耦合器、第二分光耦合器、第三分光耦合器、第一光学调节台、第二光学调节台、第一光纤放大器、第二光纤放大器、合束装置、第一测量装置、第二测量装置和第三测量装置，所述第一分光耦合器连接所述第一光学调节台和所述第二光学调节台；所述第一光学调节台、所述第一光纤放大器和所述第二分光耦合器依次连接，所述第二分光耦合器连接所述第一测量装置和所述合束装置；所述第二光学调节台、所述第二光纤放大器和所述第三分光耦合器依次连接，所述第三分光耦合器连接所述第二测量装置和所述合束装置；所述合束装置连接所述第三测量装置；
所述第一分光耦合器接收待测皮秒光，将所述待测皮秒光分为两路光束后分别输送至所述第一光学调节台和所述第二光学调节台，所述第一光学调节台将接收的光束经所述第一光纤放大器传输至所述第二分光耦合器，所述第二光学调节台将接收的光束经所述第二光纤放大器传输至所述第三分光耦合器；所述第二分光耦合器将接收的光束分为两路后分别传输至所述第一测量装置和所述合束装置，所述第三分光耦合器将接收的光束分为两路后分别传输至所述第二测量装置和所述合束装置；所述合束装置将接收的两路光束传输至所述第三测量装置；
所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器分别用于将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点；所述第一测量装置和所述第二测量装置分别用于检测对应光束的受激拉曼散射光；
所述第一光学调节台和所述第二光学调节台用于在所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器将传输的光束放大至产生受激拉曼散射的临界点之后，调节传输的光束之间的路程差；所述第三测量装置用于在所述第一光学调节台和所述第二光学调节台调节传输的光束之间的路程差时，检测接入的两路光束叠加产生受激拉曼散射光的起始时刻和结束时刻，得到脉宽测试结果并显示。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学调节台包括第一调节座架和设置于所述第一调节座架的第一输出头、第一准直透镜、第一耦合透镜和第一输入头，所述第一输出头连接所述第一分光耦合器，所述第一输入头连接所述第一光纤放大器，所述第一调节座架用于调节所述第一输出头和所述第一输入头之间的距离。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学调节台包括第二调节座架和设置于所述第二调节座架的第二输出头、第二准直透镜、第二耦合透镜和第二输入头，所述第二输出头连接所述第一分光耦合器，所述第二输入头连接所述第二光纤放大器，所述第二调节座架用于调节所述第二输出头和所述第二输入头之间的距离。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学调节台和所述第二光学调节台的调节精度为1mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光纤放大器包括第一有源光纤、第一合束器和第一激光器，所述第一有源光纤连接所述第一光学调节台和所述第一合束器，所述第一合束器连接所述第一激光器和所述第二分光耦合器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一光纤放大器还包括第一模式匹配器，所述第一有源光纤通过所述第一模式匹配器连接所述第一光学调节台。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光纤放大器包括第二有源光纤、第二合束器和第二激光器，所述第二有源光纤连接所述第二光学调节台和所述第二合束器，所述第二合束器连接所述第二激光器和所述第三分光耦合器。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二光纤放大器还包括第二模式匹配器，所述第二有源光纤通过所述第二模式匹配器连接所述第二光学调节台。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一分光耦合器的分光比为50%；所述第二分光耦合器和所述第三分光耦合器的分光比为1:999，分别将光束的千分之一部分发送至对应的所述第一测量装置和所述第二测量装置。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一测量装置、所述第二测量装置和所述第三测量装置均为光谱仪。
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