CN107884078A - 一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪。它包括依次设置的小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜、反射镜一、反射镜二、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机；其中，小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜和反射镜一同光轴；反射镜二、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机同光轴；反射镜一与反射镜二这两块反射镜的反射镜面互成90度角；所有部件均设置在一个封装盒内，封装盒内设笼式支架，所有部件均安装在笼式支架上。本发明的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，测试速度快，测量精度高，测量结果更准确，稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种超短脉冲测量仪器，特别涉及一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪。
背景技术
超短脉冲测量方法背景：激光脉冲现阶段已经达到飞秒甚至阿秒等级。这是人类所创造的最短的事物，想要测量任何事物都需要更短的标准，因此，使用脉冲信号自测就成为了最好的办法。
目前较为先进的测量超短脉冲的方法是频率分辨光学开关方法(FROG)。FROG的基本方法是：将待测超短脉冲通过分束镜分为两束。其中一束作为探测光，另外一束则是开关光。同时在作为开关光的光束引入时间的延迟量。然后再让两束光在非线性介质中相互作用，实现频率的转换，同时因为时间上的延迟量会直接体现在最后的自相关信号的强度上。所以由此产生的信号光再经过光谱仪进行测试，得到不同时间延迟下对应的光谱和强度信号，再利用这些信息通过算法就可以获得待测脉冲的脉宽和相位等信息。
现有的光学频率分辨开关法(FROG)超短脉冲测试仪由延迟模块、倍频晶体和光谱仪组成；其中，1个分束镜、5个反射镜、1个步进电机组成时间延迟模块。其工作原理是：将待测光束打到分束镜上分成强度相同的两束光，另外一束光通过步进电机和反射镜对引入时间延迟；之后将两束光通过反射镜以特有的角度聚焦在倍频晶体中心面上产生倍频信号光；之后通过光谱仪接收倍频信号，再利用软件算法反推出待测光的实际脉宽、相位等信息。
现有的光学频率分辨开关法(FROG)超短脉冲测试仪的主要技术缺陷是：
1、设备的抗震能力差。由于搭建***时架设了很多反射镜，引入了很多的可变自由量，在使用时，由于光学步进电机移动，实验上的人为操作、震动，极容易造成光路受到外力影响而出现变动，使得测量的信号失准。
2、因为时间延迟量是通过步进电机移动引入的，所以测量待测脉冲的时间宽度时需要扫描较长的时间，对于单发脉冲或者重复频率很低的激光器，无法进行测量或者测量结果失准。
3、光谱成分的测量是通过光谱仪完成的，数据计算时间较长。
4、整体设备尺寸大，在实验或实际应用中所占空间大，可能引起不便。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种测试速度快，测量精度高，测量结果更准确，稳定性好的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，主要包括以下几个部件：柱面镜、双棱镜、标准具、倍频晶体、CCD相机；具体包括依次设置的小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜、反射镜组(包括反射镜一、反射镜二)、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机；其中，小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜和反射镜一同光轴，位于光轴一上；反射镜二、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机同光轴，位于光轴二上。
进一步地，反射镜一与反射镜二这两块反射镜的反射镜面互成90度角，光轴一与光轴二平行。
进一步地，反射镜一和反射镜二分别固定在同一块板的两端。
进一步地，所述双棱镜为菲涅尔双棱镜。
进一步地，所述倍频晶体为BBO(硼酸钡)倍频晶体；所述倍频晶体的厚度由待测脉冲的中心波长和谱宽决定。
进一步地，所述标准具为FP标准具，所述FP标准具的厚度由待测脉冲的时间宽度范围决定。
更进一步地，所述FP标准具由两块平面玻璃板组成，两板的内表面镀以高反射率的银膜或铝膜，两板的内表面即镀膜面之间为空气层；两块平面玻璃板为楔形，楔角为1'-10'。
更进一步地，所有部件均设置在一个封装盒内，封装盒采用铝合金材质，内设笼式支架，所有部件均安装在笼式支架上。所有部件在封装盒内部采用笼式的模块化安装,一体化封装，密封性好，防尘抗震，无毒环保。将CCD相机与带控制软件的计算机连接上，则可通过计算机及控制软件进行操作控制。
本发明的有益效果：
本发明的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，使用柱面镜+双棱镜+反射镜组(两个反射镜)+标准具代替原有的延迟模块(1个分束镜、5个反射镜、1个步进电机)进行分光和时间延迟，即：使用柱面镜+双棱镜代替原有的分束镜进行分光，使用双棱镜+反射镜+标准具代替原有的步进电机+反射镜实现引入开关光时间延迟，并且，使用标准具进行待测脉冲的时间延迟量拉伸，使待测脉冲的可测时间范围大幅度延长；使用特殊定制的可分光的倍频晶体+CCD相机代替原有的倍频晶体+光谱仪进行分光和实时测量；并且，将上述所有部件集成为一个整体，采用一体化封装；从而彻底解决了原测试仪抗干扰能力差、无法进行单发或低重频脉冲测量以及计算速率慢等缺陷，提高了设备的效率，增加了单发测量的功能。同时，一体化的封装形式使用使设备更加小巧。
本发明的主要技术特点如下：
1、使用菲涅尔双棱镜和柱面镜来实现待测光束的共线性分光，避免了因为延迟光路过多的光学元件引入的自由量，提高了稳定性，同时使设备结构更加紧凑。
2、使用特制的倍频晶体和CCD相机来完成光谱成分的分光和探测，大幅度提高了设备的测试速度，实现了单发及低重频模式的测量功能。
3、使用FP标准具进行待测脉冲的时间延迟量拉伸(即扩大时间延迟量)，使开关光时间延迟的幅度增加，由此可使待测脉冲的可测时间范围大幅度延长。同时FP标准具的色散作用，也可以改进设备的分光能力，提高光谱的分辨精度即设备的频谱测量能力。以往的超短脉冲测试仪由于开关光的时间延迟幅度小，脉冲频率(即待测光的实际脉宽、相位等信息)无法通过仪器实测出来，只能通过光谱仪接收倍频信号，再利用软件算法反推出待测光的实际脉宽、相位等信息，这样通过算法算出来的结果并不一定准确。而本发明通过FP标准具进行待测脉冲的时间延迟量拉伸后，则可以通过仪器实测出来，这样就提高了仪器的测量精度，使测量结果更加准确。
4、封装盒内部采用笼式的模块化安装,安装后可保证很好的密封性能，具有防尘，防潮，抗震的特点。
附图说明
图1是本发明一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪的结构示意图；
图2是不同波长光与从BBO晶体出射角度关系图；
图3是BBO晶体上空间位置和时间延迟的关系图；
图4是不同波长光与从FP标准具出射角度的关系图。
图中：1、小孔光阑 2、可调节衰减片 3、柱面镜 4、双棱镜 5、反射镜一 6、反射镜二 7、标准具 8、倍频晶体 9、光学狭缝装置 10、滤光片 11、CCD相机 12、入射光
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，它包括以下几个主要部件：柱面镜、双棱镜、标准具、倍频晶体、CCD相机；具体包括依次设置的小孔光阑1、可调节衰减片2、柱面镜3、双棱镜4、反射镜组(包括反射镜一5、反射镜二6)、标准具7、倍频晶体8、光学狭缝装置9、滤光片10、CCD相机11；其中，小孔光阑1、可调节衰减片2、柱面镜3、双棱镜4和反射镜一5同光轴，位于光轴一上；反射镜二6、标准具7、倍频晶体8、光学狭缝装置9、滤光片10和CCD相机11同光轴，位于光轴二上；反射镜一和反射镜二分别固定在同一块板的两端，且两块反射镜的反射镜面互成90度角，光轴一与光轴二平行。
所述倍频晶体为可旋转角度的BBO(硼酸钡)倍频晶体；BBO倍频晶体的厚度由待测脉冲的中心波长和谱宽决定。
BBO倍频晶体起到光谱分光的作用，同时，BBO倍频晶体产生二次谐波(SHG)信号的机理(非线性相位匹配)会使信号光记录待测光的相位信息。
BBO晶体起到的作用和分光关系如下：
当脉冲经过BBO倍频晶体时，由于不同波长的相位匹配角不同，不同波长的光在竖直方向上是以不同的角度出射的，所以，晶体在竖直方向上起到了分光的作用。
下面推导的是经过BBO倍频晶体后，不同波长光与从BBO晶体出射角度的关系：
BBO倍频晶体为负单轴晶体，o光折射率大于e光折射率，
晶体的相位匹配角与入射光折射率的关系为：
其中，基频光与倍频光(二次谐波)的o光和e光的折射率如下：
将折射率公式带入后，可得：
上式就是经过BBO倍频晶体后，不同波长光与从BBO晶体出射角度的关系，上式证明了BBO倍频晶体可以起到光谱仪作用。图2是以中心波长为800nm的待测光为例，不同光的波长(nm)与从BBO晶体出射角度(度)的关系图，从图2中可看出，对于BBO晶体，出射角度随着波长的增加而逐渐减小。
所述双棱镜为分光菲涅尔(Fresnel)双棱镜。菲涅尔双棱镜的功能如下：
1、分光作用：将入射光分为探测光(信号光)和开关光(参考光)两束共线光束；
2、起到引入开关光时间延迟的作用：通过群色散引入时间延迟量，使探测光和开关光先后打到BBO倍频晶体上。
时间延迟量关系如下：
其中α为棱镜劈角的一半，ug为群速度
同时波长与折射率的关系由棱镜材料决定，以K9玻璃为例：
带入可得
通过上述关系式计算，则待测光为800nm时，BBO晶体表面上的位置与时间延迟的差量关系如图3所示。
所述标准具是FP标准具。FP标准具是一种高分辨干涉分光仪器。FP标准具是由两块平面玻璃板组成，两板的内表面镀以高反射率的银膜或铝膜，两板的内表面即镀膜面之间为空气层；当两板的内表面严格平行时，由于光在这两个镀膜面之间空气层的反复反射，形成了多光束的等倾干涉圆环。为避免没有镀膜表面发射光的干扰，两块平面玻璃板常做成楔形，楔角约1'-10'。
FP标准具的厚度由待测脉冲的时间宽度范围决定。FP标准具具有引入开关光时间延迟的作用，并且，通过FP标准具可进行待测脉冲的时间延迟量拉伸，使待测脉冲的可测时间范围大幅度延长；同时FP标准具的色散作用，也可以改进设备的分光能力，提高光谱的分辨精度即设备的频谱测量能力。
FP标准具的工作原理如下：
1、分光功能
FP标准具具有分光功能，其中不同波长的光经过FP标准具后，最终的发散角度是不同的，且有对应关系的，其对应关系如下：
其中Δλ为波长差，θin为入射角度，θλ为出射角度。
图4是以中心波长为1550nm的输入光为例，入射到标准具的入射角度为1.26度时，不同光的波长(nm)与从FP标准具出射角度(度)的关系图，从图4中可看出，对于FP标准具，出射角度随着波长的增加而逐渐增大。
2、时间延迟功能
FP标准具具有时间延迟功能，总的时间延迟量为：
其中，d为标准具中心垫片材料的厚度，n为标准具中心垫片材料的群折射率，c＝2.99792458，Finesse为精细度，Finesse＝自由光谱范围FSR/入射光半宽度FWHM，
其中，θi为入射角度，θλ为出射角度，C＝2.99792458，t为透射系数。
所述CCD相机为uEye CCD camera。所述CCD相机技术指标如下：驱动方式为12-24V电压，亦支持以太网供电；FPGA的LUT操作；数字输入/数字输出；10/12位颜色深度；CMOS传感器；Global快门方式；分辨率及帧率由待测脉冲具体参数决定。
上述所有部件均设置在一个封装盒内，封装盒采用铝合金材质，内设笼式支架，所有部件均安装在笼式支架上，即：小孔光阑1、可调节衰减片2、柱面镜3、双棱镜4和反射镜一5安装在笼式支架的上面一排(位于上面的一条光轴线上)；反射镜二6、标准具7、倍频晶体8、光学狭缝装置9、滤光片10和CCD相机11安装在笼式支架的下面一排(位于下面的一条光轴线上)。封装盒内部采用笼式的模块化安装,安装后可保证很好的密封性能，具有防尘，防潮，抗震的特点。
将CCD相机与带控制软件的计算机连接上，则可通过计算机及控制软件进行操作控制。
上述频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪的工作原理如下：
一束待测的超短脉冲激光即入射光12，通过小孔光阑1、可调节衰减片2入射到柱面镜3上；再通过柱面镜3聚焦到双棱镜4上；再通过双棱镜4分光后分为探测光(信号光)和延迟的开关光两束光，先后打到反射镜一5上；两束光先后再通过反射镜一5转向90度，反射到反射镜二6上；两束光先后再通过反射镜二6反射到标准具7上；两束光先后通过标准具7，开关光通过标准具7进行时间延迟量拉伸和初步分光后，打到倍频晶体8上；两束光先后再通过倍频晶体8，同时厚晶体自身会实现光谱分光，并使信号光记录待测光的相位信息；之后再通过光学狭缝装置9、滤光片10打到CCD相机11上；同时，通过计算机及控制软件进行操作控制。
Claims (10)
1.一种集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，它包括依次设置的小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜、反射镜一、反射镜二、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机；其中，小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜和反射镜一同光轴，位于光轴一上；反射镜二、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机同光轴，位于光轴二上。
2.如权利要求1所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，反射镜一与反射镜二这两块反射镜的反射镜面互成90度角，光轴一与光轴二平行。
3.如权利要求1或2所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，反射镜一和反射镜二分别固定在同一块板的两端。
4.如权利要求1或2所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，所述双棱镜为菲涅尔双棱镜。
5.如权利要求1或2所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，所述倍频晶体为BBO硼酸钡倍频晶体；所述倍频晶体的厚度由待测脉冲的中心波长和谱宽决定。
6.如权利要求1或2所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，所述标准具为FP标准具，所述FP标准具的厚度由待测脉冲的时间宽度范围决定。
7.如权利要求6所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，所述FP标准具由两块平面玻璃板组成，两板的内表面镀以高反射率的银膜或铝膜，两板的内表面即镀膜面之间为空气层；两块平面玻璃板为楔形，楔角为1'-10'。
8.如权利要求1或2所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，所有部件均设置在一个封装盒内，封装盒内设笼式支架，所有部件均安装在笼式支架上。
9.如权利要求8所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，小孔光阑、可调节衰减片、柱面镜、双棱镜和反射镜一安装在笼式支架的上面一排；反射镜二、标准具、倍频晶体、光学狭缝装置、滤光片和CCD相机安装在笼式支架的下面一排。
10.如权利要求8所述的集成化的频率分辨光学开关法超短脉冲测试仪，其特征在于，封装盒采用铝合金材质。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180406 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |