CN2519256Y - 双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及超短激光脉冲测量技术领域。提供一种具有干涉及强度双测量功能的超短激光脉冲自相关测量仪,本实用新型的目的是通过在迈克尔逊干涉仪结构基础上,线性平移一臂或线性振动另一臂实现的。本实用新型功能齐全,测量方便,体积小巧紧凑,便于拆卸,所适用的波长范围宽,可与众多激光产品配合使用,适用于不同重复频率的激光光源。本实用新型的干涉与强度两种测量方法可相互校准,保证了测量的精确性和可靠性。
Description
本实用新型涉及激光技术领域，特别是涉及超短激光脉冲测量技术领域。
飞秒激光是近年来发展极为迅速的技术科学之一，由于其独一无二的超短时间特性，因此它不仅是人们在时间范畴取得发现的重要工具，而且有着极强的应用扩展性和学科开创性。
目前，人们借助于脉冲压缩技术在实验室所能获得的最短脉冲宽度已接近4fs(1fs＝10-15秒)，在光学波段对应着仅约两个光周期的时间宽度，这一革命性的进展除了为人们提供最尖端的技术手段外，同时也对光及物质结构的进一步认识提出了挑战，成为世纪之交最具有突破性的重要进展之一。
实际上飞秒激光研究和应用的突飞猛进主要得益于飞秒技术最主要的两个方面——即飞秒激光的产生技术和飞秒诊断技术。从某种意义上讲，飞秒诊断技术对于飞秒激光产生技术的进展具有一定的先导作用，如：目前飞秒激光的最短结果正是在最新的FROG技术对脉冲各种信息的准确诊断的基础上实现的(文献1，OptLett.，Vol.25，NO.19，2000，1478)。可以说，没有完善先进的诊断技术作基础，产生技术是难以向前迈进的。在飞秒激光产生的高次谐波研究中，尽管很多人相信存在着阿秒脉冲，但由于迄今尚未有可行并令人信服的测量方法，由此无法进行实质性的认识，从而仍徘徊在阿秒世界的大门之外。
由于飞秒激光诊断技术的重要性，早在激光问世不久，人们即开始了各种测量技术的探索研究，并提出了许多直接或间接的测量方案(文献2，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.35，NO.4，1999，501)。在传统的各种方法中，二次相关法由于简单实用及极高的测量分辨率，一直是人们用以测量超短激光脉宽的最主要手段，并先后衍生发展了共线强度相关法(文献3，Applied Optics，Vol.36，NO.12，1997，2523)、非共线强度相关法、共线干涉相关法、非共线单次测量法等各种不同的方案，基于这些原理基础，许多公司开发生产了多种不同设计的产品，成为人们进一步研究飞秒激光的重要工具。但迄今为止，这些产品基本上均只有上述方法中单一的功能，而通常这些功能往往仅适用于特定的应用对象，如强度相关法一般仅适用于脉宽大于20fs的对象，对于更窄的飞秒光脉冲，必须采用精度更高的干涉相关法才能提供令人信服的结果；干涉相关法只能测量高重复频率的振荡器、腔倒空器件等飞秒光源的输出脉冲，对于目前广泛研究的重复率10Hz的飞秒放大激光，干涉相关法就显得无能为力了，这种情况下就需用非共线强度相关测量或单次测量。虽然近年来出现的FROG(Frequency-Resolved Optical Gating)、SPIDER(Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction)等新技术由于能提供飞秒脉冲较全面的信息而成为热门的测量研究内容，但FROG仅能测量放大飞秒脉冲，SPIDER不能直接测得脉宽。故发展具有多用途、高可靠性、结构简单实用的测量方法仍具有重要的意义。
本实用新型的目的是针对现有飞秒激光相关测量仪功能单一、应用范围有限的不足，提供一种具有干涉及强度双测量功能的超短激光脉冲自相关测量仪，它不仅可以满足不同情况下的测量要求，而且能够通过比较两种方法的结果及相互校正，实现飞秒脉冲、特别是极短飞秒脉冲的精确测量。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型是在Mach-Zehnder型迈克尔逊干涉仪(见图1)结构的基础上，通过线性平移一臂或线性振动另一臂来实现。
图1中M1和M2为全反镜，SP为半透半反分束镜，G为补偿玻璃板，L为聚焦透镜，P为观察板。入射光被分束镜SP分成互相垂直的两束光波，它们分别被M1和M2反射后再回到分束镜。从M1返回并透过SP的光和从M2返回又被SP反射的光重合在一起射向透镜L，在透镜的焦平面上迭加，形成干涉条纹。分束镜SP是由一定厚度的玻璃板在其一面上镀以薄薄的一层膜构成，射向M2的光束向后三次通过玻璃板才到达L，而射向M1的光束反射的L前只通过玻璃板一次，当光通过玻璃板时引进较大的光程差，所以，在射向M1的光路中加上一片和SP的材料及厚度完全相同的玻璃板G，它与SP平行放置。这样，两路光都三次通过厚度完全相同的玻璃板。
本实用新型的相关干涉仪的各元件特征为：(见图2)：
01、02：45°角入射的石英宽带超薄半透半反分束镜，典型条件为口径25mm、厚度1～2mm、材料熔石英，镀有对700～900nm波段半透半反的介质膜或金属Cr膜；
03、06：直角反射角锥，由两片呈直角放置的平面镀膜反射镜组成，典型尺寸为25×5mm，其中03置于步进电机15上，06置于位移振动器16上，位移振动器典型的为喇叭或压电陶瓷(PZT)，步进电机采用细分电路，提高了测量的精度和分辨率，该电机每步的转角为0.18°，移动杆的螺纹间距为0.5mm，因此每步的位移量为0.25μm，对应着1.2fs的分辨率；
04、05：45°角入射的平面镀膜反射镜，典型尺寸为25×5mm；
07、08：平凹镀膜反射镜，典型的曲率半径为10cm、尺寸25×5mm；
09：非线性倍频晶体，典型如BBO，典型尺寸为4×4×0.02mm，29°切割；
10：光栏，典型的通光口径为2mm；
11：低通滤光片，典型的通光中心波长为400nm；
12：相关信号探测器，典型的为光电倍增管(如日本滨松公司1P-21)或光电二极管(如日本滨松公司G-1115)；
13：电脑监视器，典型的带有DS2116采集卡，可读取探测器产生的信号，测量程序用VB编写；
14：驱动电路***。
本实用新型的构造及工作过程以共线干涉为例来说明(见图2)：
首先，待测的飞秒激光脉冲以45°角入射到半透半反的石英分束镜01后，被分为强度相等而方向互相垂直的两束光(反射光及透射光)；该两束光再分别以45°角入射到直角角锥型平面反射镜03和06，其中直角反射角锥03置于步进电机15上，06置于位移振动器16上；经反射后的两束光以45°角入射到与分束镜01完全相同但镀膜面相反放置(以补偿两束光之间的光程差)的石英分束镜02上，沿与入射光垂直的方向调节位移振动器使两束光在分束镜02上完全重合于同一点，进而调节01和02使两束经两次半反半透后的光在空间处处重合成为共线光；经过分束镜02后重合的光再分别以45°角入射到平面反射镜04及05上；而后反射光以小角度入射到平凹镀膜反射镜08上进行反射聚焦；在平凹镜08的焦点上放置非线性倍频晶体09，以保证高倍频效率的获得，调节倍频晶体09的方位，实现相位匹配；使倍频后的相关信号经过另一平凹反射镜07准直，安置07以使倍频晶体09在其焦点位置；经平凹反射镜07的光通过光栏10及低通滤波片11，进入信号探测器12进行测量，光栏10、低通滤波片11分别用于截止两自倍频光及滤除余留的基频光，探测器12的放置为使其接收窗口对准倍频光信号为准；测量时，需沿入射光方向移动载有直角角锥03的步进电机15或载有直角角锥06的位移振动器16来实现两束光的相对时间延时为零(即使两个光脉冲在时间及空间上完全重合)，这可以通过在探测器中是否观察到除两束光各自的倍频光之外的第三个更亮的倍频光来证明，该第三束倍频光即为相关信号；进一步调节步进电机或位移振动器，以及08、09，优化延时及两束光在晶体09中的重合，直到该倍频光最强为止；然后由电脑监视器13接收探测器的输出信号，并接通驱动电源***14，均匀改变两束光之间的光学延时，即可在电脑监视器上观察并纪录光线随时间变化的相关曲线，驱动电源***14分别与电脑监视器13、步进电机15及位移振动器16相连。
本实用新型还可以用于非共线干涉测量，此时需沿与入射方向垂直的方向移动位移振动器16，使经过两个直角角锥的光在通过分束镜02及以后的各元件时在空间上处处分开。
本实用新型还可以在非线性倍频晶体09处，采用具有双光子效应的光电二极管(如日本滨松公司的G1115、G1116)作为探测元件，从而省略倍频晶体09、平凹镜07、光栏10、低通滤波片11及相关信号探测器12，直接将光电二极管的输出端接到电脑监视器13上。调节时间延时为零并观察到敏感的干涉条纹后，启动载有角锥06的位移振动器16，使其以10Hz左右的重复频率往复振动，则可在电脑监视器上观察并纪录到反映脉冲实际宽度的相关干涉条纹。
由于两臂光路分别采用了步进电机及位移振动器，所以既可以通过控制步进电机进行强度自相关测量，也可以通过位移振动器实现干涉自相关测量。两者转化仅需通过与振动方向(图中箭头方向)垂直移动位移振动器即可。
由于采用了独特的光路折叠设计，本实用新型为目前飞秒测量器件中体积较小的实用产品之一，整体尺寸仅350×250×160mm。
由于采用了半透半反的金属分割镜后，本实用新型的适用波长范围可从400nm覆盖到近红外的波段，解决了许多产品只能测量单一类型脉冲的缺点。
本实用新型功能齐全，测量方便，体积小巧紧凑，便于拆卸，所适用的波长范围宽。既可进行强度自相关测量，也可实现条纹分辨的干涉自相关测量，两者转化简易方便。两种测量方法还可相互校准，保证了测量的精确性(分辨率为1.2fs)和可靠性。可与众多激光产品配合使用。本实用新型测量范围广，不仅可用于振荡器的测量，而且也可用于放大脉冲的测量。本实用新型适用于不同重复频率的激光光源(从10Hz到100MHz以上)。
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明：
图1为迈克尔逊干涉仪示意图，
图2为本实用新型的结构示意图，
图3为本实用新型的实物照片，
图4为本实用新型飞秒放大脉冲的强度自相关曲线，
图5为本实用新型飞秒振荡器激光脉冲的干涉自相关曲线。
实施例1：非共线强度相关测量
按图2安装一个超短激光脉冲自相关测量仪。
首先调节待测超短激光脉冲的入射方向，使其以45°角入射到50％的分束镜01上(01的口径为25mm、厚度为1～2mm、材料熔石英，镀有对700～900nm波段半透半反的金属Cr膜)。从而分为强度相等方向垂直的透射光束及反射光束。该两束光分别以45°角通过直角角锥06及03的反射后，分别入射到与01完全相同、但镀膜面相反放置的50％分束镜02上，经02再次反射和透射后，成为各经同样透射和反射的一对平行光入射到镀金反射镜04和05。其中03置于步进电机上，06置于压电陶瓷上。沿入射光方向移动03或06(图2中箭头方向)，即可实现上述两束光之间的相对延时为零。使经过04、05的平行反射光以小角度入射到08上，08是曲率半径为10cm的平凹镀金反射镜，用于聚焦上述平行光束，并到达非线性倍频晶体09以产生高效率的相关倍频信号。调节凹面镜08的位置，使两束平行光在倍频晶体09内聚焦重合。调节倍频晶体09的方位，实现相位匹配。此时，除了两束光各自的倍频信号外，还将在中间位置出现另一束较强的相关倍频信号。进一步优化调节直角角锥及平凹镜，使该信号至最大值，然后使该信号通过另一与08完全相同的凹面镀金镜07(09仍在此07的焦点上)，准直反射相关倍频光至光栏10及低通滤波片11，经截至剩余的基频光及两边的自倍频光后，相关倍频信号即进入到光电倍增管12，并转化为相应的电信号输入到电脑监视器13中以被测量观察。启动驱动电源***14，均匀改变两束光之间的光学延时，即可在电脑监视器上观察并纪录到与激光实际脉冲成正比的相关曲线，标定后即可直接读出脉冲的宽度。图4为测量得到的反映放大脉冲激光脉宽的强度自相关曲线。
实施例2：共线干涉相关测量
同实施例1，将待测的超短激光脉冲经分束镜01分为强度相等方向垂直的两束光(01镀有对700～900nm波段半透半反的介质膜)，通过直角角锥03和06延时(将03置于步进电机、06置于喇叭上)入射到与01相同的分束镜02上。沿与入射光垂直的方向调节角锥06，使两束光在02上完全重合于同一点，进而调节01和02使两束经两次半反半透后的光在空间处处重合成为共线光。精密调节步进电机或喇叭的位置，使两束光的相对延时为零，此时即可在探测器的光屏上观察到敏感的干涉条纹。同实施例1，经凹面镜08聚焦到BBO倍频晶体09，并经凹面镜07准直、经光栏10及滤波片11截止基频光、经光电二极管12探测接收后，则可在电脑监视器上观察到倍频相关信号。启动压电陶瓷的驱动电源***，使压电陶瓷以10Hz左右的重复率改变位移伸长量，即可显示并纪录到反映脉冲宽度的相关干涉条纹。
实施例3：共线干涉相关测量
与实施例2基本相同，但在倍频晶体09处采用具有双光子效应的光电二极管(如日本滨松公司的G1115、G1116)作为探测元件，省略倍频晶体09、凹面镜07、光栏10、低通滤波片11及相关信号探测器12，直接将光电二极管09的输出端接到电脑监视器13上。当调节延时为零并观察到敏感的干涉条纹后，启动压电陶瓷06，使其以10Hz左右的重复频率往复振动，则可在电脑监视器上观察并纪录到反映脉冲实际宽度的相关干涉条纹。
Claims (7)
1.一种双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：由以下各元件组成：(01)、(02)为45°角入射的石英宽带超薄半透半反分束镜，镀有对700～900nm波段半透半反的介质膜或金属膜；(03)、(06)为直角反射角锥，由两片呈直角放置的平面镀膜反射镜组成；(04)、(05)为45°角入射的平面镀膜反射镜；(07)、(08)为平凹镀膜反射镜；(09)为非线性倍频晶体；(10)为光栏；(11)为低通滤光片；(12)为相关信号探测器；(13)为电脑监视器；(14)为驱动电路***；步进电机(15)；位移振动器(16)；
其构造及安装过程如下；
(1)待测飞秒激光脉冲以45°角入射到分束镜(01)后，被分为强度相等而方向互相垂直的反射光及透射光；
(2)该两束光再分别以45°角入射到直角角锥型平面反射镜(03)和(06)，其中角锥(03)置于步进电机(15)上，角锥(06)置于位移振动器(16)上；
(3)经角锥反射后的两束光分别以45°角入射到与分束镜(01)完全相同但镀膜面相反放置的分束镜(02)上；
(4)沿与入射光垂直的方向调节位移振动器(16)使两束光在分束镜(02)上完全重合于同一点，进而调节(01)和(02)使两束经两次半反半透后的光在空间处处重合；
(5)经过分束镜(02)后重合的光再分别以45°角入射到平面反射镜(04)及(05)上；
(6)然后，反射光以小角度入射到平凹镀膜反射镜(08)上；
(7)在平凹镜(08)的焦点上放置非线性倍频晶体(09)，并调节倍频晶体(09)的方位实现相位匹配；
(8)倍频后的相关信号经过另一平凹反射镜(07)，同样，安置(07)以使倍频晶体(09)在其焦点位置；
(9)通过反射镜(07)的光再穿过光栏(10)及低通滤波片(11)，而进入信号探测器(12)，探测器(12)的放置以使其接收窗口对准倍频光信号为准；
(10)测量时，沿入射光方向移动载有直角角锥(03)的步进电机(15)或载有直角角锥(06)的位移振动器(16)来实现两束光的相对时间延时为零，这可以通过在探测器中是否观察到除两束光各自的倍频光之外的第三个更亮的倍频光来证明，该第三束倍频光即为相关信号；
(11)进一步调节步进电机(15)或位移振动器(16)，以及(08)、(09)，优化延时及两束光在晶体(09)中的重合，直到该倍频光最强为止；
(12)然后由电脑监视器(13)接收探测器的输出信号，并接通驱动电源***(14)，均匀改变两束光之间的光学延时，即可在电脑监视器上观察并纪录光线随时间变化的相关曲线，其中驱动电源***(14)分别与电脑监视器(13)、步进电机(15)及位移振动器(16)相连。
2.按权利要求1所述的双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：所述的分束镜(01)、(02)的厚度为1～2mm、材料熔石英，镀有对700～900nm波段半透半反的Cr膜。
3.按权利要求1所述的双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：所述的位移振动器为喇叭或压电陶瓷(PZT)。
4.按权利要求1所述的双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：所述的非线性倍频晶体(09)为BBO，尺寸为4×4×0.02mm，29°切割。
5.按权利要求1所述的双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：所述的相关信号探测器(12)为光电倍增管或光电二极管。
6.按权利要求1所述的双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：还可以改变安装过程(4)为：沿与入射方向垂直的方向调节位移振动器(16)，使经过两个直角角锥的光在通过分束镜02及以后的各元件时在空间上处处分开。
7.按权利要求1所述的双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪，其特征在于：还可以在非线性倍频晶体(09)处，以光电二极管替换非线性倍频晶体，同时省略平凹镜(07)、光栏(10)、低通滤波片(11)及相关信号探测器(12)，直接将光电二极管的输出端接到电脑监视器(13)上。
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