超短脉冲自相关测量装置和测量方法制造方法及图纸

一种超短脉冲自相关测量装置和测量方法，该装置包括第一准直透镜、二分之一波片、偏振分光棱镜、第一反射镜、可控延时反射镜、斩光器、第二反射镜、第二准直透镜、碳纳米管饱和吸收体薄膜、光电倍增管、锁相放大器和计算机。本发明专利技术通过简单的结构，就可以实现对低功率、低能量的超短脉冲宽度的测量。

【技术实现步骤摘要】
超短脉冲自相关测量装置和测量方法
本专利技术涉及脉冲宽度测量，特别是一种超短脉冲自相关测量装置和测量方法。
技术介绍
近些年来，由于超短脉冲在光通信、微波光子学、光学成像、光纤传感等方面的广泛应用，脉冲宽度作为超短脉冲的一个重要参数，吸引了大批学者对脉冲宽度测量方法进行研究。而如何通过简单的结构对低功率超短脉冲的脉冲宽度实现高误差精度测量成为人们关注的焦点。目前实现脉冲宽度的测量方法主要有4种：方法1，是利用迈克尔逊干涉结构，通过利用非线性倍频晶体，产生脉冲信号的倍频光，并用光电倍增管对产生的倍频光进行探测。通过控制干涉结构两臂的脉冲相对延时，得到相应的脉冲形状图并推算得到脉冲的实际宽度。这种方法需要昂贵的非线性倍频晶体和复杂的调节方法以满足必须的相位匹配，同时晶体对于温湿度、待测脉冲波长和偏振态的敏感性影响了测量的精度。方法2，是将方法1中的非线性倍频晶体和光电倍增管替换为具有双光子吸收效应的半导体器件，通过测量不同脉冲延时下器件输出的光电流图形，来推算脉冲的实际宽度。这种方法对光脉冲宽度的测量收到半导体器件本身波长和功率范围的限制。方法3，是使用频率分辨光学开关法(FROG法)，该方法使用与方法1相似的结构，由非线性倍频晶体产生的信号光经由光谱仪进行测量，得到不同时间延时下对应的光谱成分，利用二维位相迭代算法可以获得待测脉冲幅度和位相的定量信息。这个方法基于方法1，所以继承了方法1的缺点，同时还要求有更高的被测脉冲能量，无法测量低能量脉冲的脉宽特性。方法4，是光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER法)，待测脉冲进入测量系统后分为两束，一束进入色散介质，产生时域展宽的啁啾脉冲，另一束通过迈克尔逊干涉仪分为两束更小的具有时间延迟的镜像脉冲，然后两个镜像脉冲与展宽的啁啾脉冲在非线性晶体中进行和频转换，由于两个信号脉冲和啁啾脉冲的交叉时间不同，和频后的两个脉冲在频域产生频差，从而在光谱仪中产生干涉条纹。通过测量干涉条纹，由一种非迭代的反演算法，计算相位信息，实现实时测量。相似于方法3，这种方式不仅需要非线性晶体，同时还需要更高的输入脉冲功率。总之，以上的几种方法或者需要功率过高、或者测量的脉冲与波长范围受到器件设计的限制、或者结构复杂难调节，需要一种综合改进的方法能够在兼顾低成本的同时，实现对脉冲宽度的测量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种超短脉冲自相关测量装置和测量方法，通过简单的结构，就可以实现对低功率低能量的超短脉冲宽度的测量。为了解决上述问题，本专利技术的技术解决方案如下：一种超短脉冲自相关测量装置，其特点在于该装置的构成是：沿待测线偏振脉冲光方向依次是第一准直透镜、二分之一波片、偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜，该第一路信号光被反射后返回到偏振分光棱镜，沿第二路信号光方向依次是可控延时反射镜、斩光器、返回到偏振分光棱镜，两路信号光在所述的偏振分光棱镜中合并后输出，沿合并光方向依次是第二反射镜、第二准直透镜和碳纳米管饱和吸收体薄膜和光电倍增管，该光电倍增管输出端与锁相放大器的输入端连接，所述的斩光器斩获的信号光输出到所述的锁相放大器的参考信号端，计算机分别连接锁相放大器的通信端口和可控延时反射镜的控制端。所述的碳纳米管饱和吸收体，通过现有的液相剥离法技术制备，并与聚乙烯醇(PVA)混合制成饱和吸收体薄膜，具有饱和吸收特性，且工作在非线性区间，工作波段为碳纳米管饱和吸收体薄膜的吸收波段。利用上述超短脉冲自相关测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：1)将待测线偏振光脉冲输入到装置的入口即第一准直透镜的输入端，设置斩光器的旋转速率，并使斩光器输出的参考信号光输入到锁相放大器的参考信号端；2)调节所述的二分之一波片的方向，使经所述的偏振分光棱镜输出的两路光信号功率相等，在第二准直透镜汇聚合并后射入碳纳米管饱和吸收体薄膜，通过光电倍增管将获取的光功率转换为电流信号，输出至所述的锁相放大器；3)将计算机连接到所述的可控延时反射镜的控制端口和锁相放大器的通信端口，通过计算机控制调节可控延时反射镜的延时长度，使得由偏振分光棱镜、第一反射镜、可控延时反射镜、斩光器构成的迈克尔逊干涉结构两路信号光的光程相等，同时计算机获得锁相放大器读数的最大输出值；4)所述的计算机记录锁相放大器的读数值，画出脉冲图像，并计算得到脉冲的半高宽度值；5)通过所得到脉冲图像的脉冲半高宽度，应用理论计算的脉冲演化关系式，得到所测脉冲的实际宽度值。所述的光电倍增管是商用光电倍增管，电信号输出，输出接口为BNC接口。所述的可控延时反射镜是可编程调节的，具有与计算机连接的RS232通信接口，由计算机输出控制参数。所述的斩光器为商用斩光器，电信号输出，输出信号为斩光器扇面旋转频率同参数的方波信号，输出接口为BNC接口。所述的计算机具有与锁相放大器和可控延时反射镜连接的GPIB与RS232通信接口，能实现远程参数控制与数据读取。所述的锁相放大器为商用数字锁相放大器，能够接受被测电信号与参考电信号的输入，具有与计算机连接的GPIB通信接口。所述的碳纳米管饱和吸收薄膜具有8.87％的调制深度。所述的光电倍增管的阴极辐照灵敏度为3.5MA/W，探测波长为1300nm到1700nm。所述的锁相放大器输出的最低电压输出精度为0.01微伏。本专利技术的原理是通过利用可控延时反射镜控制被偏振分束棱镜分开的两路脉冲的时间间隔，使偏振分光棱镜输出的合并脉冲的峰值功率随着时延的不同而变化。合并后的脉冲由偏振分光棱镜输出后通过碳纳米管饱和吸收体薄膜，这样不同的峰值功率输入对应了材料非线性区间的不同位置,从而拥有不同的透过率。随后，通过锁相放大器读取脉冲经材料后的输出功率变化，由对应的时间延时值还原出脉冲的原始形状并求出脉冲宽度。这样可以测量到实际脉冲精度为10飞秒，可测量的单个脉冲最低能量为10飞焦。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术通过利用碳纳米管饱和吸收体薄膜的非线性吸收效应，经由迈克尔逊干涉结构，实现对100飞秒到100皮秒范围，精度10飞秒，单个最低能量为10飞焦的脉冲的宽度测量。相比于
技术介绍
中的方法1、3、4(都利用到非线性晶体的方法)，本专利技术不需要相位匹配，受温度与湿度的影响小，稳定性更好。相比于
技术介绍
中的方法2(采用双光子吸收的方法)，本专利技术结构更简单，可测量的输入波长范围和功率范围更大，具有更好的系统稳定性。相比于
技术介绍
中的方法3、4(FROG法与SPIDER法)，本专利技术不需要高的被测脉冲能量要求，能够测量低能量脉冲的脉宽特性。附图说明图1是本专利技术脉冲自相关测量装置的结构图图2是脉冲自相关测量的原理图，其中(a)为被偏振分光棱镜分束的具有可控延时差的两束脉冲；(b)为分束的脉冲合并，由于不同的延时可以具有不同的合并峰值功率；(c)为具有不同峰值功率的合并脉冲通过碳纳米管饱和吸收体薄膜(CNT)，对应一定透射率的输出。图3是脉冲自相关测量的输出图和对应的实际脉冲的转换图,其中(a)为实验测得的脉冲波形图与理论拟合曲线；(b)为实际被测量脉冲与锁相放大器测量结果的理论对应关系图。图中,1-第一准直透镜，2-二分之一波片，31-第一反射镜，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超短脉冲自相关测量装置，其特征在于该装置的构成是：沿待测线偏振脉冲光方向依次是第一准直透镜(1)、二分之一波片(2)、偏振分光棱镜(5)，该偏振分光棱镜(5)将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜(31)，信号被反射后返回到偏振分光棱镜(5)，沿第二路信号光方向依次是可控延时反射镜(4)、斩光器(6)、返回到偏振分光棱镜(5)，两路信号光在所述的偏振分光棱镜(5)中合并后输出，沿合并光方向依次是第二反射镜(32)、第二准直透镜(7)和碳纳米管饱和吸收体薄膜(8)和光电倍增管(9)，该光电倍增管(9)输出端与锁相放大器(10)的输入端连接，所述的斩光器(6)斩获的信号光输出到所述的锁相放大器(10)的参考信号端，计算机(11)分别连接锁相放大器(10)的通信端口和可控延时反射镜(4)的控制端。

【技术特征摘要】
1.一种超短脉冲自相关测量装置，其特征在于该装置的构成是：沿待测线偏振脉冲光方向依次是第一准直透镜(1)、二分之一波片(2)、偏振分光棱镜(5)，该偏振分光棱镜(5)将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜(31)，信号被反射后返回到偏振分光棱镜(5)，沿第二路信号光方向依次是可控延时反射镜(4)、斩光器(6)、返回到偏振分光棱镜(5)，两路信号光在所述的偏振分光棱镜(5)中合并后输出，沿合并光方向依次是第二反射镜(32)、第二准直透镜(7)和碳纳米管饱和吸收体薄膜(8)和光电倍增管(9)，该光电倍增管(9)输出端与锁相放大器(10)的输入端连接，所述的斩光器(6)斩获的信号光输出到所述的锁相放大器(10)的参考信号端，计算机(11)分别连接锁相放大器(10)的通信端口和可控延时反射镜(4)的控制端。2.根据权利要求1所述的超短脉冲自相关测量装置，其特征在于所述的碳纳米管饱和吸收体(8)是通过现有的液相剥离法技术制备，并与聚乙烯醇(PVA)混合制成饱和吸收体薄膜，具有饱和吸收特性，且工作在非线性区间，工作波段为碳纳米管饱和吸收体薄膜的吸收波段。3.利用权利要求1所述的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴侃，肖普山，陈建平，庞拂飞，刘奂奂，曾祥龙，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31