专利名称：超短脉冲宽度测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型为一种集成化程度高、操作简便、具有高性能价格比的超短脉冲宽度测试仪器，属于光电子技术与器件领域。
背景技术：
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。飞秒脉冲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、超快激光光谱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200×10-15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)、自参考光谱相位相干电场重建法(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琐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，难以作为实验室的日常仪器购置、使用。
实用新型内容针对现有飞秒脉冲自相关仪的上述问题，本实用新型提供了一种结构简单、新颖，调节方便，体积小，成本低的超短脉冲宽度测试仪器，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。
本实用新型提供了一种超短脉冲宽度测试仪，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、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OSC进行处理显示，即获得入射光脉冲的自相关特征曲线。
应用上述超短脉冲宽度测试仪进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤 1)根据入射光脉冲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Δt；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ω＝2π/T； 2)由Δt和角速度ω得到直流电机转过的角度θ＝ω×Δt/2； 3)将直流电机转过的角度θ代入以下公式，得到真正的延时Δτ；
其中 n为熔石英的折射率，c为光速，d为片状材料FS1和FS2的厚度。
与传统自相关仪相比，本实用新型的主要特点有 1、不需要复杂的调节过程，光路总长度可缩至15cm以下，易于操作，系统的抗干扰能力强，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。
本实用新型主要性能指标 测量波段测试光谱范围可以覆盖从450nm至3μm波段的飞秒激光脉冲； 测量脉冲宽度20fs至500fs； 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冲宽度。
图1为本实用新型中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为实验测得的强度自相关曲线； 图3b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4为经过时间轴标定的强度自相关曲线，从中可以确定脉冲的半高宽为232fs。
具体实施方式
以下为本实用新型的一个具体实施方式
，测试仪结构如图1所示。但是本实用新型不局限于以下实施例，只要是本领域人员在本实用新型的原理内进行的变化应属于本实用新型的保护范围。
其光学系统的核心部分包括 1、两片熔石英薄片(FS1，FS2)厚度1mm，长20mm，宽8mm； 2、两个镀有金属膜的凹面反射镜(CM1，CM2)曲率半径均为75mm，口径12.7mm； 3、一块BBO非线性晶体(NL)厚度2mm，通光口径5×5mm2； 4、一个针孔光阑(PA)直径0.5mm； 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。
测试仪的工作原理 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，从而实现两束光脉冲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、脉冲宽度测量结果根据强度自相关与脉冲宽度的物理关系，确定半高宽处的脉冲宽度 自相关曲线的时间轴标定 根据本实用新型中测试仪的基本原理，在转子转动过程中，由于两束光通过熔石英薄片的经历的延时不同，造成其延时Δτ发生周期性的变化，Δτ的具体数值决定于入射光与薄片的夹角。根据几何的推导可得经过两个薄片两束光的光程P1，P2分别为 其中
其中 为转子相对于O点的转角。O点位置对应于时入射光沿两熔石英薄片的角平分线方向入射(如图2所示)；α，β分别为两束光在两个薄片内的折射角；n为熔石英的折射率。由光程可以得到两束光的延时为
当 趋近于 时，延时Δτ可以简化为
∵θ＝ωt[2] 其中ω为电机旋转的角速度， 可得
由[3]可见，Δτ为随时间周期变化的量，从而实现两束光延时的周期变化。进一步可知，Δτ的变化率与薄片的厚度d，电机的角速度ω有关。
因为示波器所显示的自相关波形的时间并非两束光真正的延时Δτ(如图4a所示)，所以有必要对示波器的时间刻度进行标定，以得到对应于真正延时Δτ的自相关波形，从而进一步得到脉冲宽度。自相关仪的标定是这样进行的①确定自相关波形中半峰值处的时间间隔Δt；②根据自相关波形的重复频率来确定直流电机的角速度ω，如图4b所示。例如图中两自相关的时间间隔为T＝47.6ms，则电机的角速度为ω＝2π/T＝132rad/s；③根据公式[2]，由Δt和角速度得到电机转过的角度θ＝ω×Δt/2，④将θ代入公式[1]，得到真正的延时Δτ。
实际上，对于飞秒脉冲来说，由于在Δt时间内电机转过的角度甚小(对我们的实例来说θ＝1.36°，因此可以看成示波器上的时间刻度和实际延时成正比(如公式[3]所示)，这样只要把示波器的时间除以一个标定因子就可以得到延时。这个标定因子和n，d，ω有关。由于理论的计算往往有误差，故在相关仪出厂之前，可以通过一个已知的脉宽将标定因子确定，此后就可以测量各种飞秒激光脉冲的脉宽了。
另外，强度自相关波形的半高全宽并非真正的脉冲宽度，需要除以一个因子，对于高斯脉冲，脉冲宽度为标定后强度自相关波形的半高全宽(FWHM)除以1.414；而对于双曲正割脉冲，脉冲宽度为标定后强度自相关波形的半高全宽(FWHM)除以1.543. 本实用新型克服关键性技术难点，研制一种新型的超短脉冲宽度测试仪器。其巧妙的光学原理和设计思路，极其简易的光学和电子学系统，在有效保证飞秒激光脉冲宽度测量的稳定性和可靠性的前提下，大大简化了繁琐的系统设计和光路调节，同时具有体积小、重量轻的显著特点。这就大大降低了仪器成本。其价格仅为同等性能指标的商品化仪器的20％。
权利要求1.一种超短脉冲宽度测试仪，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。
专利摘要超短脉冲宽度测试仪属于光电子领域。目前产品光学设计和调节过程复杂，体积大且价格昂贵，本实用新型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。本实用新型集成化程度高、操作简便、具高性能价格比。
文档编号G01J11/00GK201173826SQ20082007887
公开日2008年12月31日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者张新平, 田金荣, 鹏 张, 宋晏蓉, 丽 王 申请人:北京工业大学