飞秒激光脉冲自相关测试仪及其方法技术

飞秒激光脉冲自相关测试仪及其方法属于光电子领域。目前产品光学设计和调节过程复杂，体积大且价格昂贵，本发明专利技术依次包括：两片对于待测激光为透明且厚度在毫米量级的相同的片状材料（ＦＳ１），（ＦＳ２）、凹面反射镜（ＣＭ１）、非线性晶体（ＮＬ）、针孔光阑（ＰＡ）、凹面反射镜（ＣＭ２）、光电探测器（ＰＤ）、入射光脉冲的自相关特征曲线显示装置（ＯＳＣ）；待测激光通过片状材料的两束光平行但高度不同，入射至凹面反射镜（ＣＭ１）聚焦，在焦点放置非线性晶体产生和频光；针孔光阑只透过和频光，经另一凹面反射镜（ＣＭ２）准直，入射至光电探测器将光信号转化为电信号并输入显示装置（ＯＳＣ）得入射光脉冲的自相关特征曲线。本发明专利技术集成化程度高、操作简便、具高性能价格比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术为一种集成化程度高、操作简便、具有高性能价格比的飞秒激光 脉冲自相关测试仪器，属于光电子技术与器件领域。
技术介绍
飞秒激光技术与器件是目前激光技术及应用领域最重要和最活跃的科学 研究、高技术产业领域。飞秒脉沖激光已广泛地应用于生物学、化学、纳米 材料学、凝聚态物理学等科学研究领域，新型激光器件的开发和激光微加工 等工业领域，以及军事领域等。与之相应的超强激光器件、超快激光光镨学 技术已经成为目前科学研究和新技术开发中不可或缺的研究工具。飞秒激光脉冲的突出特点在于其瞬态高强度特性。我们通常所指的飞秒激光脉冲的宽度一般在200飞秒以下，即其持续时间短于200x10—5秒。如此 短的光脉冲是常用的测试设备(如高频示波器等)所无法直接响应和分辨的， 因此只能借助于间接的测量方案，通常的方案是将时间的测量转换为空间的 测量。目前常用的测量方法有自相关法、频率分辨光学开关法(FROG)、自 参考光谱相位相千电场重建法(SPIDER) 。 FROG和SPIDER可以详细给出脉冲的 强度与相位，但是需要较为复杂的光学系统并经过繁瑣的数据处理后才能获 取相关的超短脉冲信息。但在通常情况下，我们最关心和最需要了解的是脉 冲的宽度。自相关法可以以最快的速度或实时地直接给出脉冲的宽度，因此 是超快激光实验室必备的测试仪器和表征工具。基于自相关法的原理，目前 国际市场上已有多种产品，但是光学设计和调节过程复杂，测试过程技术要 求高、周期长，体积大是这些产品的主要弊端。由于其技术原理和器件结构 复杂，目前国际市场上的自相关测试仪器价格昂贵，难以作为实验室的曰常 仪器购置、使用。
技术实现思路
针对现有飞秒脉冲自相关仪的上述问题，本专利技术提供了一种结构简单、 新颖，调节方便，体积小，成本低的飞秒激光脉沖自相关测试仪器，为飞秒激光脉冲提供一种简单高效的脉宽测量装置，具有重要的实用价值和和经济效 益。本专利技术提供了一种飞秒激光脉冲自相关测试仪，其特征在于，依次包括:两片对于待测激光为透明且厚度在毫米量级的相同的片状材料FS1 ， FS2 、 凹面反射镜CM1、非线性晶体NL、针孔光阑PA、凹面反射镜CM2、光电探测 器PD、入射光脉冲的自相关特征曲线显示装置OSC;其中片状材料FS1和FS2互相垂直并且上下固定在--个转子上，转子连 接直流电^I4区动，片状材料FS1和FS2在直流电^/L的带动下在片状材料FS1 和FS2确定的平面内旋转；待测激光平行于片状材料FS1和FS2确定的平面且以片状材料FS1和FS2 的交点为对准中心入射，并通过片状材料FS1、 FS2,分成上下两束。当片状 材料FS1和FS2在平面内周期性的旋转时，上下两束光由于经过FS1和FS2 的光程不同，其延时也呈现周期性的变化，从而实现延时的扫描。片状材料 FS1和FS2通过的两束光平行但高度不同，当它们入射至凹面反射镜CM1聚焦 时将在凹面反射镜CM1的焦点交叉，在凹面反射镜CM1的焦点放置非线性晶 体NL，使得两束光可以在非线性晶体NL中产生和频；经由非线性晶体NL出 射的激光，包含基波，各自倍频光与和频光；采用针孔光阑PA将基波与各自倍频光滤除，只透过和频光，经另一凹面 反射镜CM2准直，入射至光电探测器PD,光电探测器PD将光信号转化为电信 号并将输入显示装置0SC进行处理显示，即获得入射光脉冲的自相关特征曲 线。应用上述飞秒激光脉冲自相关测试仪进行测试的方法，其特征在于，包括以 下步骤1) 根据入射光脉沖的自相关特征曲线确定自相关波形中半峰值处的时间 间隔At;以及两自相关的时间间隔T，从而得到直流电机的角速度为co-2兀/T; 2 )由At和角速度co得到直流电机转过的角度e-o) x At/2; 3) 将直流电机转过的角度e代入以下公式，得到真正的延时Ar;2V^w/6其中"为熔石英的折射率，c为光速，d为片状材料FSl和FS2的厚度。与传统自相关仪相比，本专利技术的主要特点有1、 不需要复杂的调节过程，光路总长度可缩至15 cm以下，易于 操作，系统的抗千扰能力强，信号对比度高，可靠性好；2、 自动实现对激光脉冲延迟的扫描，极大简化并缩短了测量的时 间；3、 光学和机械元器件少，结构紧凑，体积小，便于携带和移动； 同时，大大降低了光学损耗，提高了系统效率和灵敏度；4、 成本低廉，适合作为超快光学实验室的常规测试仪器。本专利技术主要性能指标测量波段测试光谱范围可以覆盖从450 nm至3pm波段的飞秒激光脉冲；测量脉冲宽度20 fs至500 fs; 测试结果示波器显示强度自相关曲线，时间轴标定后获得脉沖宽度。附图说明图1为本专利技术中自相关测试仪的结构原理图；图2为激光束入射到由熔石英薄片时被分束的原理图；图3a为BB0晶体处于800 nm基频光束焦点时得到的和频及倍频光斑图样；图3b为BB0晶体远离800 nm基频光束焦点时得到的倍频光斑图样； 图4a为实验测得的强度自相关曲线；图4b为多个周期的测量结果，其中每个尖峰代表一次自相关过程； 图5为经过时间轴标定的强度自相关曲线，从中可以确定脉沖的半高宽 为232 fs。具体实施方式11sin(45。一^) sin(45。+。以下为本专利技术的一个具体实施方式，自相关仪结构如图1所示。但是本专利技术 于本专利技术的保护范围。其光学系统的核心部分包括1、 两片熔石英薄片(FS1， FS2):厚度l mm，长20 mm，宽8 mm;2、 两个镀有金属膜的凹面反射镜(CM1， CM2):曲率半径均为75隱，口 径12. 7 mm;3、 一块BBO非线性晶体(NL):厚度2mm,通光口径5x5mn ;4、 一个4十孔光阑(PA):直径0. 5 mm;5、 一个硅光电二极管(PD);6、 直流驱动电机转速3000转/分钟。其中FS1和FS2互相垂直并且上下固定在一个转子上，通过直流电机驱 动，通过FS1和FS2的旋转实现经过FS1和FS2的两束光之间的延时扫描。自相关仪的工作原理待测激光以片状材料FS1和FS2的交点为中心入射并通过FS1、 FS2,分 成上下两束，其空间结构如图2所示。激光束与片状材料FS1和FS2的夹角 不同，则经历的延时不同。两熔石英薄片在直流电机的带动下高速旋转，从 而实现两束光脉沖间时间延迟的连续扫描。由于熔石英薄片通过的两束光平 行但高度不同，当它们入射至凹面反射镜CM1聚焦时将在凹面镜的焦点交叉， 此时在凹面反射镜CM1的焦点放置非线性晶体NL,使得两束光可以在BBO中 产生和频。经由BBO出射的激光，包含基波，各自倍频光与和频光，但它们 的出射角度不同，和频光在中间，基频光与各自倍频光分列上下两侧。其中 和频光记录了两束光的相关信息。采用针孔PA将基波与各自倍频光滤除，只 透过和频光，经另一凹面反射镜CM2准直，入射至光电探测器(例如光电二极 管或光电倍增管等)PD。光电探测器将光信号转化为电信号并输入示波器进行 处理显示，即获得入射光脉冲的自相关特征曲线。1、 测试对象连续光泵浦钛宝石锁模激光振荡器输出光脉冲；2、 测试结果从示波器上直接读取的强度自相关曲线如图4所示；3、 标定后的强度自相关曲线时间轴标定后的强度自相关曲线如图5 所示；4、 脉沖宽度测量结果根据强度自相关与脉沖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞秒激光脉冲自相关测试仪，其特征在于，依次包括：两片对于待测激光为透明且厚度在毫米量级的相同的片状材料（ＦＳ１），（ＦＳ２）、凹面反射镜（ＣＭ１）、非线性晶体（ＮＬ）、针孔光阑（ＰＡ）、凹面反射镜（ＣＭ２）、光电探测器（ＰＤ）、入射光脉冲的自相关特征曲线显示装置（ＯＳＣ）；其中片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）互相垂直并且上下固定在一个转子上，转子连接直流电机驱动，片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）在直流电机的带动下在片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）确定的平面内旋转；待测激光平行于片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）确定的平面且以片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）的交点为对准中心入射，并通过片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２），分成上下两束；当片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）在平面内周期性的旋转时，上下两束光由于经过（ＦＳ１）和（ＦＳ２）的光程不同，其延时也呈现周期性的变化，从而实现延时的扫描；片状材料（ＦＳ１）和（ＦＳ２）通过的两束光平行但高度不同，当它们入射至凹面反射镜（ＣＭ１）聚焦时将在凹面反射镜（ＣＭ１）的焦点交叉，在凹面反射镜（ＣＭ１）的焦点放置非线性晶体（ＮＬ），使得两束光在非线性晶体（ＮＬ）中产生和频；经由非线性晶体（ＮＬ）出射的激光，包含基波，各自倍频光与和频光；采用针孔光阑（ＰＡ）将基波与各自倍频光滤除，只透过和频光，经另一凹面反射镜（ＣＭ２）准直，入射至光电探测器（ＰＤ），光电探测器（ＰＤ）将光信号转化为电信号并将电信号输入显示装置（ＯＳＣ）进行处理显示，获得入射光脉冲的自相关特征曲线。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张新平，田金荣，张鹏，宋晏蓉，王丽，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]