专利名称：单次定标二阶单发自相关测量仪的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种能够单次定标的二阶单发自相关测量仪，能够同时测量二维信息(一维为脉冲自相关函数时间宽度，一维为该宽度在空间上的分布)，并利用此特性实现单次定标，用于飞秒～皮秒的超短脉冲激光的单次测量及这种激光波前不同位置的脉宽信息测量。
背景技术：
随着超短脉冲激光的发展，超短激光脉冲的测量成为一种经常使用的测量措施。其中对放大后的脉冲进行测量时，由于放大脉冲相对于振荡级脉冲而言，脉冲强度和脉宽波动较大，所以通常使用二阶单发自相关测量仪。在先技术中二阶单发自相关测量仪的结构如图1所示它主要包括激光光源发射的激光束首先通过小孔光阑1，用于截取一部分波前；再经过分束镜2分成两束光，一束经过固定在一维千分平移台上的直角反射镜5，再经过全反射镜4至倍频晶体6，另一束光经过两全反射镜10、3至倍频晶体6，由倍频晶体6输出的激光束再通过柱透镜7，线列阵电荷耦合器件(CCD)9进入示波器10显示。光线经过分束镜2分束后分两路(10→3→6，5→4→6)进入倍频晶体6，如果两路光程相等且光斑在倍频晶体6表面重合，则会在倍频晶体6中形成相干倍频信号，信号光沿两入射光的角平分线传播。如果入射光的波前强度分布均匀，则信号在图1中x方向的分布代表二阶相关函数的分布，经柱透镜7成像后由线列阵电荷耦合器件(CCD)9采集并输入到示波器8。由示波器8测得该信号宽度并进行定标，即可得二阶相关函数的宽度，由此可以反推激光脉冲宽度信息(参见在先技术[1]F.Salin，P.Georges，G.Roger，and A.Brun，“Single-shot measurement of a 52-fs pulse”，Applied Optics Vol，26，No.21，4528～4531(1987))。
为了将示波器8上显示脉冲宽度变换成为二阶自相关函数的时间宽度，必须进行定标。定标的方法是前后移动角反射镜5，则信号光的位置会发生变化，反映在示波器上，就是波形的最大值发生移动。设示波器上波形宽度为τ，角反射镜5移动距离为Δx，在示波器8上信号最大值移动了Δt，则该二阶自相关函数的宽度为T＝2(Δx/c)τ/Δt，(c是光速)脉冲宽度为T/α，α称作形状因子，需假设脉冲形状然后计算α因子。(关于二阶单发自相关测量仪的定标、计算公式推导详细过程请参见在先技术[2]王益民李传东韩申生张正泉徐至展等发明人提供的“飞秒放大激光脉冲的单次测量”，《中国激光》，Vo.25，No.2，132～134(1998))。
超短脉冲一般具有超宽频谱的频带。这样的脉冲在空间传播时，由于自由空间衍射的波长依赖，会出现频率依赖的模式尺度效应(frequency-dependent mode size)，此效应将引起激光波面上光谱、位相以及脉冲时间形状等参数在横向的分布。经过展宽、多级放大并压缩的超短脉冲，其波面的各项参数分布则更为复杂。测量和分析这种效应将有助于定量分析超短、频带超宽脉冲在空间以及介质中传播时的各种物理现象，具有非常重要的意义。这种测量脉冲特性在空间分布就需要空间分辨的测量系统。已经有人利用更为复杂的仪器(SPIDER)对此作了测量(详见在先技术[3]L.Gallmann，G.Steinmeyer，D.H.Sutter，and T.Rupp，“Spatially resolved amplitudeand phase characterization of femtosecond optical pulses”，Optics Letters，Vol.26，No.2，96～98(2001))。实际上，二阶单发自相关测量仪的倍频晶体给出的倍频信号是长、宽两个方向，在宽度方向(x方向)给出的是该点的二阶相关函数的强度分布，同时在倍频信号的垂直x的方向给出了不同点的相关函数的强度分布。在采用传统的用线列阵电荷耦合器件(CCD)探测和用示波器显示时，一次测量只能在一点测量相关信号的宽度，无法做到空间分辨，这样，用一点的脉宽代表了整个波面的脉宽，显然是不合理的，这是在先技术用传统二阶单次自相关测量的重大缺陷。
另外，在先技术中二阶单发自相关的，测量仪一般采用线列阵电荷耦合器件(CCD)作为探测元件，把倍频信号在x方向的强度分布转换成为线列阵电荷耦合器件(CCD)输出的电信号在时间上的分布并且由示波器显示出来。这样，信号光在x方向的移动转换成电信号中脉冲波形相对线列阵电荷耦合器件(CCD)的同步信号的移动，所以定标时要求线列阵电荷耦合器件(CCD)有同步信号能够正确的触发示波器。在实际操作中，经常存在有不能同步触发或触发后不能锁定的问题。同时，每次测量必须先行定标，对定标就需要进行多次测量。定标时两束光的程差由推动角反射镜5前后移动的千分螺杆刻度读出，一般最小刻度仅能达到10μm，读数误差是5μm，而对于飞秒脉冲测量，千分螺杆前后移动位移仅能在数十微米(μm)，相对误差非常大。虽然通过多次测量取平均定标数据可以在一定程度上降低读数误差，但是多次测量会面临千分螺杆的往复误差，同时，对于啁啾脉冲放大系统，放大脉冲的能量、脉宽、波形都会有波动(一般的重复性指标是5％)，势必会给多次定标带来更多的误差。
其次，为了准确测量读数，必须采用比较高级的数字示波器，而且即使这样也只能得到脉冲的形状、宽度等，而不能得到比较具体的数值信息，无法对相关曲线进行准确的拟合和分析。
发明内容
本发明提供一种有空间分辨且能单次定标的二阶单发自相关测量仪，能够在单次测量中自行定标，并且能够进行一维空间分辨的单次脉宽测量。
本发明的单次定标二阶单发自相关测量仪，包括被测激光脉冲G0首先经过小孔光阑1入射到分束镜2上。经过分束镜2将被测激光脉冲分成两束Gf，Gt，其中一束是由分束镜2反射的光束Gf经过第一全反射镜10和第二全反射镜3射到倍频晶体6上；另一束是由分束镜2透射的光束Gt经过阶梯反射面角反射镜11和第三全反射镜4射到倍频晶体6上。由倍频晶体6输出的激光束经过拄透镜7后射入到二维的探测元件13上，探测元件13的输出连接到计算机12上。如图2所示。
所说的阶梯反射面角反射镜11的一面内角反射面为有一个台阶的高反射面1103和低反射面1101所构成，另一面内角反射面为平面反射面1102。如图3所示。
所说的探测元件13是二维的视频电荷耦合器件(CCD)。
如上述的结构，当被测激光脉冲经过小孔光阑1限束后，再经过分束镜2分成两束，一束经过第一、第二全反射镜10、3后，射到倍频晶体6上；另一束经过阶梯反射面角反射镜11和第三全反射镜4后，也射到倍频晶体6上。两分束被测激光脉冲当光程相等时，同时达到倍频晶体6上，两分束激光脉冲在倍频晶体6上产生相干信号。因为产生干涉的两分束激光脉冲都是由被测激光脉冲本身分束的，所以称为自相干。在倍频晶体6上产生的相干信号再经过倍频晶体6倍频，输出的相干的倍频信号经过二维的探测元件13输入到计算机12内进行数据处理。
上述经过阶梯反射面角反射镜11的一分束被测激光脉冲，由于阶梯反射面角反射镜11的一面内角反射面是有一个台阶的阶梯反射面，这就使得这一分束被测激光脉冲又分成两束有光程差ΔL≠0的先后到达倍频晶体6上的被测激光脉冲，先到达的一束为测量的干涉信号，后到达的一束为定标的干涉信号。所以本发明的测量仪只要取一个被测激光脉冲就可以同时测量和定标。
如上所述的本发明为了实现在测量中单次定标，本发明的角反射镜为一面内角反射面为阶梯反射面的阶梯反射面角反射镜11。如图3所示，阶梯反射面角反射镜11一内角反射面变成为有一个阶梯的反射面，阶梯的高度为δl(当脉冲宽度为数十飞秒量级时，该阶梯高度可以取数十～一百微米)。光束通过该阶梯反射面角反射镜11时，高反射面1103和低反射面1101之间有一个阶梯，在这两部分之间引入一个光程差，这两部分二阶自相关强度信号将错开一个位移。该位移由两部分之间的程差决定。
光束射入阶梯反射面角反射镜11的入射角一般为45度，如图4所示。如此，两部分光之间的程差为ΔL=2·δl·2/2=2δl]]>设上下两部分二阶自相关强度信号在计算机12上显示的图象中错开的位移为N个屏幕点，而计算机上显示的自相关函数宽度为n个点(这两个数均可在计算机上读出)，则对应的二阶自相关函数的时间宽度为T＝n/N·ΔL/c如此，本发明实现了全新的二维图像和二维图像的形相，实现了一维空间分辨的单次二阶相关测量，并充分利用该空间分辨能力，仅需单次测量，就可以实现同时获得定标参数、二阶相关函数的时间宽度信息、该宽度为在垂直x方向的一维空间分布信息。
本发明与在先技术相比，本发明实现了1.本发明通过一个脉冲的单次测量就可以同时定标和采集两维的信息，实现了一维空间分辨的单次脉冲宽度测量。与在先技术相比，本发明对一个脉冲的一次测量就能够同时采集二维的平面信息，即对x方向一维进行分析就是在先技术中传统的二阶单发自相关测量仪所得到的相关函数强度曲线，同时在垂直x方向可以得到不同位置的相关函数强度曲线，获得一维空间分辨信息，对分析脉冲特性、了解超短脉冲的传播具有重要的实用意义。
2.基于本发明的一维空间分辨能力，通过本发明的阶梯反射面角反射镜11，引入固定的光程差，实现在单次操作中同时完成定标和脉宽测量。由于该光程差由固定的阶梯反射面1101与1103的机械加工决定，可以准确控制到1μm，避免了在先技术中往复移动千分杆的误差和读数误差，单次脉冲的操作也消除了脉冲波动的影响，使得定标更为简单容易，测量更为准确。一个脉冲信号同时测得所需要的准确的信息数据，这是在先技术中无法相比的本发明所具有的显著进步。
3.通过本发明的测量仪测得的分布信息是逐点的强度数值信息，比在先技术中示波器上显示的波形信息更为完整和精确，这样可以对相关函数的曲线进行精确的拟合和分析，从而得到更为准确的相关函数信息，如此即可得到更为精确的脉冲形状和宽度的信息。所有信息都通过二维平面图像显示并通过计算机加以分析，实现存储、输出、打印出精确的数据。
4.本发明所采用的二维普通视频CCD、采集卡、计算机都是比较通用化的商品，成本和易用性低于在先技术中的线列阵电荷耦合器件(CCD)加数字示波器。
总之，本发明实现了能够空间分辨的单次超短脉冲测量，对一个脉冲信号能够同时完成准确定标和脉宽参数测量、获得飞秒脉冲宽度在激光波面的分布这一重要信息成为可能，同时实现了更为简单易行、更为精准的单次超短脉冲参数的测量。
图1是在先技术二阶单发自相关测量仪的结构示意2是本发明的测量仪的结构示意3是本发明的测量仪中所用的阶梯反射面角反射镜11的结构示意图，其中图3-1是阶梯反射面角反射镜11的内角正视示意图，图3-2是阶梯反射面角反射镜11的阶梯反射面的示意图。
图4是阶梯反射面角反射镜11引入的光程差示意图
具体实施例方式按照以上所述，依图2的光路和光学元件排布，阶梯反射面角反射镜11的内角为90°，阶梯反射面高反射面1103与低反射面1101之间的阶梯高度δl＝0.1mm，小孔光阑1的尺寸为5mm。
用本发明的测量仪测量强光光学实验室5太瓦飞秒激光装置升级后的脉宽，被测激光脉冲总能量为10mJ，小孔光阑1选取了光斑中心直径为5mm进行测量，得到最小二阶相关函数半高宽T＝54.3fs，对于高斯形状脉冲，相当于脉冲半高宽为37.7fs，对于平方双曲正割形脉冲，相当于脉冲半高宽为35fs。
在被测激光脉冲的光斑的横截面，测量结果的分布，T的数值在54.3～60之间。
倍频晶体6采用的是偏硼酸钡(BBO)晶体。
权利要求
1.一种单次定标二阶单发自相关测量仪，包括被测激光脉冲(G0)首先经过小孔光阑(1)射到分束镜(2)上，经分束镜(2)将被测激光脉冲分成两束(Gf，Gt)，一束是由分束镜(2)反射的光束(Gf)经过第一全反射镜(10)和第二全反射镜(3)射到倍频晶体(6)上，另一束是由分束镜(2)透射的光束(Gt)经过第三全反射镜(4)射到倍频晶体(6)上，由倍频晶体(6)输出的激光束经过柱透镜(7)后射入探测元件(13)上，其特征在于在分束镜(2)与第三全反射镜(4)之间的反射光束(Gt)的光路上置有阶梯反射面角反射镜(11)，二维探测元件(13)的输出连接到计算机(12)上。
2.根据权利要求1所述的单次定标二阶单发自相关测量仪，其特征在于所说的阶梯反射面角反射镜(11)的一面内角反射面为有一个台阶的高反射面(1103)和低反射面(1101)所构成，另一面内角反射面为平面反射面(1102)。
全文摘要
一种单次定标二阶单发自相关测量仪,包括被测激光脉冲经过分束镜分成两束,一束经过第一全反射镜和第二全反射镜射入倍频晶体,另一束经过一面内角反射面为有一个台阶的阶梯反射面的阶梯反射面角反射镜和第三全反射镜后射进倍频晶体。由倍频晶体输出的激光脉冲经过柱透镜后射到连接到计算机上的探测元件上。上述的一束激光脉冲经过阶梯反射面角反射镜后引入一个光程差,可以单次定标和测得对应的二阶自相关函数的时间宽度,实现了一维空间分辨的单次二阶相关测量。一个脉冲信号一次测量就可以同时定标和采集到二维的平面信息,比在先技术中定标简单容易,更为准确可靠。
文档编号G01J11/00GK1358987SQ0113236
公开日2002年7月17日 申请日期2001年11月30日 优先权日2001年11月30日
发明者帅斌, 李儒新, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所