专利名称：精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种用于飞秒激光脉冲，精确读取时间延迟量和消除群速度色散功能的气体延迟系统。主要采用激光束相干的方法读取时间延迟的变化，其时间延迟精度和测量精度可达亚阿秒(10-19秒)，可以保证飞秒脉冲经过该系统后脉冲宽度不变。
为了使两束光脉冲在时间上延迟一定的间隔，以往人们采用的是机械延迟线和压电陶瓷延迟器等装置。由于机械加工的限制，前者有精度低、振动大、稳定性差、光路调节难度大等缺点；后者因为改变光程的尺寸微小，而在使用和调节时受到极大的限制。这两种光延迟器的价格都比较昂贵。普通的气体压力时间延迟线克服了上述缺点，在用于宽脉冲激光、非相干激光、连续激光等的时间延迟上具有非常理想的特性。但在用于飞秒脉冲时却存在着群速度色散问题，同时气体压力的测量精度取决于压力传感器的测量精度，往往不能发挥气体压力时间延迟技术的最大潜力。气体延迟线的核心部件为高压气体腔，由于高压气体腔内往往要充20个大气压的高压气体，因此它两端的光学窗口就必须具有足够的厚度。当飞秒超短脉冲经过这样的光学窗口时就会由于光的群速度色散造成飞秒超短脉冲的宽化，从而改变了光束的质量。另外，从原则上讲，如果我们不考虑温度、气体流动等因素的影响，气体压力时间延迟技术可以达到的最小延迟量是无限小的。但是，如何去表征和测量这样微小的气体压力变化或时间延迟量是解决延迟精度问题的关键。
本发明的目的是提供一种精度高、稳定性强、完全无振动、调节范围大的用于飞秒(10-15秒)光脉冲的、调节精度可达阿秒(10-18秒)尺度的并具有准确读出时间延迟量的变化和消除群速度色散功能的光学气体压力时间延迟系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案利用不同的气体在不同的气压和温度下对光的折射率不同的原理，通过恒定温度、改变气体压力的方法改变光程，达到光线时间延迟的目的。通过延迟激光光束和非延迟激光光束间的干涉效应，测量空间上某一点的相干强度变化，得到两光束间激光脉冲的相对延迟，即可得到光程的变化。在两束激光的夹角很小的情况下，相干条纹可以达到很宽的程度，相邻的两个相干条纹代表了两束光的光程差为一个波长的距离，比如使用He-Ne激光作为相干光源，则这样的光程差为632.8纳米，对应的时间延迟为2.11飞秒；如果将两条纹间的强度分为1000个测试级别，则时间延迟精度可达2阿秒(10-18秒)。如果采用266纳米的激光(YGA四倍频谐波)精度可达1阿秒以下；另外，如果在光学气体腔的两端窗口上加上反射层，使入射的激光在光学气体腔中经过N次反射后射出，那么激光在光学气体腔中所经过的光程就为(N+1)倍的光学气体腔长度，因此，可以将时间延迟的测量精度提高(N+1)倍。比如，同样用He-Ne激光做相干光源，并且使其在光学气体腔中反射10次，则时间延迟精度的测量可达0.2阿秒。当然，对于不同的充入气体、不同的光波波长以及不同的温度，高压气体的折射率变化不同，具体的时间延迟量要随这些参数而定。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
图1是本发明结构示意图。
图中1-飞秒激光器；2-飞秒激光束；3-激光分束器；4-分出的飞秒脉冲光束；5-气体压力延迟线的光学气体腔；6-光学气体腔5的入射窗口；7-光学气体腔5的出射窗口；8-光学气体腔5与高压气室的联管；9-高压气室；10-由计算机控制的电磁充气阀；11-安全阀；12-温度调节器；13-温度传感器；14-由计算机控制的电磁放气阀；15-色散元件，棱镜或光栅；16-色散元件，棱镜或光栅；17-具有正的群速度色散的飞秒脉冲激光束；18-经过色散补偿的飞秒脉冲激光束；19-复原的飞秒脉冲激光束；20-相干激光输出激光器；21-激光分束器；24-光学气体腔；22-光学气体腔的入射光学窗口；23-激光分束器；25-光学气体腔24的出射光学窗口；26-光学气体腔24与高压气室9的连接气管；27-光学狭缝；28-光强探测器；29-放大器与模/数转换；30-计算机及接口电路；31-温度调节器与计算机接口控制联线；32-温度传感器与计算机接口联线；33-计算机控制电磁放气阀联线；34-激光光强探测器；35-激光光强探测器与计算机接口联线；36-恒温箱；37-温度调节器；38-恒温箱激光入射窗口；39-恒温箱激光入射窗口；40-光学放大装置；41-计算机及接口与电磁充气阀10的联线；42-通向恒温36外面的排气管道。
本发明的恒温箱36开有入射窗口38和39，飞秒激光器1的飞秒激光束2，从入射窗口39射入，激光器20的激光束从入射窗口38射入。在入射窗口39相对的位置，飞秒激光器1和光学气体腔5之间，安装有分束器3。光学气体腔5和高压气室9，通过联管8连接，使高压气室9中的气体进入光学气体腔5中，两者的气压保持相等。在光学气体腔5的出射端安有色散元件15和16，两者对角放置。在入射窗口38相对的位置，激光器20和光学气体腔24之间，安装有分束器21。在光学气体腔24和光强探测器28之间，有一狭缝27。光强探测器28同放大器与模/数转换29相连，而放大器与模/数转换29又同计算机及接口电路30相连。光学气体腔24和高压气室9，通过连接气管26连接，使高压气室9中的气体进入光学气体腔24中，两者的气压保持相等。在分束器21和光强探测器34之间，安装有分束器23。光强探测器34，用接口联线35同计算机及接口电路30连接。高压气室9上安装有安全阀11，温度调节器12，温度传感器13，电磁放气阀14和电磁充气阀10。电磁充气阀10，通过联线41同计算机及接口电路30连接。温度调节器12，通过联线31同计算机及接口电路30连接。温度传器13，通过联线32同计算机及接口电路30连接。电磁放气阀14，通过联线33同计算机及接口电路30相连接。电磁放气阀14安装有排气管道42，排气管道42通向恒温箱36的外面。为了使恒温箱36内的温度恒定，在恒温箱36内安装有温度调节器37。
本发明的具体工作过程如下由飞秒激光器1发出的飞秒脉冲激光束2，经由恒温箱36的入射窗口39，由分束器3进行分光。分束器3对飞秒脉冲激光束2的整个频谱具有相同的反射率，不会造成选频效应。分出的飞秒脉冲激光束4由于没有穿过任何光学元件而没有群速度色散的产生，飞秒脉冲激光束4的脉冲宽度没有发生改变。飞秒脉冲激光束4在实际应用中可作为另外一束激光，如在四波混频的实验中作为非延迟光束。透过分束器3的飞秒脉冲光束穿过光学气体腔5的入射窗口6和出射窗口7。在本实施例中入射窗口6和出射窗口7采用K9玻璃材料或石英玻璃材料，折射率约为1.5。由于出射窗口6、出射窗口7以及分束器3的作用，会使飞秒脉冲激光束产生正的啾啾(chirp)效应，因此，从发射窗口7出射的飞秒脉冲激光束17宽度已经展宽，并发生了频率分离。出射的飞秒脉冲激光束17经由色散元件15(棱镜或光栅)将光脉冲按频率进一步分离，使低频部分超前，高频部分滞后，脉冲宽度进一步展宽变为飞秒脉冲激光束18；飞秒脉冲激光束18照射在与色散元件15(棱镜或光栅)相对放置的另外一块色散元件16(棱镜或光栅)上，产生负的啾啾(chirp)效应，从而使飞秒脉冲激光束的时间宽度复原。将气体压力延迟线的光学气体腔5、24和高压气室9通过计算机控制的电磁充气阀10充入高压气体，本实施例采用氮气，光学气体腔5的初始压力为20个大气压。打开由计算机及接口电路30控制的电磁放气阀14，使光学气体腔5和24以及高压气室9内的气压均匀缓慢地降低，放出的气体经由排气管道42排出恒温箱36。飞秒激光光束经过入射窗口6和出射窗口7穿过气体压力延迟线的光学气体腔5，由电磁放气阀14排出的气体调整光学气体腔5、24内的压力，由此，改变了通过光学气体腔5和24的光束的光程。
由激光器20发出的具有高强度稳定性的激光束，本实施例采用He-Ne激光器或半导体激光器并可考虑加入倍频器件，穿过恒温箱36的入射窗口38，由激光分束器21进行分光，一束穿过分束器21并通过入射窗口22和出射窗口25穿过光学气体腔24照在光学狭缝27上。本实施例的狭缝宽度选为0.1-5mm，狭缝宽度的选择视相干光束间的夹角以及测量精度的要求和光强探测器28的灵敏度而定。由分束器21反射的激光束照在分束器23上再次分光，其中透过部分被光强探测器34接收，本实施例的光强探测器34采用光电倍增管或二极管接收器件，所得激光强度的信号做为光强探测器28所测信号的参比量，以消除由于激光器20输出不稳所带来的误差。由分束器23反射的激光束同样照射在狭缝27上并与经过气体延迟线光学气体腔的另外一束激光形成干涉。为了提高测量的精度，使干涉条纹间的空间距离比较大，可在狭缝27的前方放置一个光学放大装置40，使放大后干涉条纹成象在狭缝27上。另外，为了保证干涉条纹具有高的清晰度，选择分束器21和23的反射率和透过率使得形成相干的两束激光的强度相同。透过狭缝27的相干强度信号由光强探测器28接收，本实施例的光强探测器28采用光电倍增管或二极管接收器件，然后由信号放大及模/数转换电路29进行处理，所得数字信号送入计算机及其接口电路30。计算机及接口电路30通过联线35采集到光强探测器34的激光强度信号，用它对由激光强度变化而引起的相干信号变化进行处理，提高测量的信噪。要使本发明的时间延迟精度和测量精度达到阿秒量级，温度恒定、没有空气流动、没有振动是三个关键因素。为此，本发明设置了具有温度调节器37的恒温箱36，在本发明工作时要恒温箱盖好并保持恒温；同时为了确保两个光学气体腔内的空气温度恒定在±2％摄氏度的范围，高压气体室内装有高灵敏度的温度传感器13和温度调节器12。两者分别通过联线32和31与计算机及接口30相连，通过计算机采集参数并实时控制。
以上所描述的系统，其光程延迟精度取决于充入的气体、激光波波长以及气体的温度，做到阿秒级的时间延迟和延迟量的标定是本发明的特色。而机械延迟线的精度要达到1飞秒，就意味着超高精度的机械加工、高精度的步进电机和昂贵的价格。由于没有机械活动部分，因此本发明完全无振动，不会造成光线抖动和偏折。相对于压电陶瓷的光程延迟方法来说，本发明具有大的调节范围。该范围取决于延迟线气体光学腔的长度和可充入气体的最大气压。在气体延迟线的高压气体腔的长度为30厘米，充入气体(氮气)的压力为20个大气压时，光程的最大变化为0-6000飞秒。充入气体的光学腔长度越长，充气压力越大，光程变化范围也就越大。由于采用的是直接测量相干强度的方法测量光程差，因此比用压力传感器测量再换算为光程变化的方法更加直观和可信。为了消除飞秒脉冲通过气体延迟线前后窗口时产生的正的啾啾效应，消除群速度色散，用两块折射率为1.5的三角棱镜对角放置，做色散补偿，即产生负的啾啾效应，使飞秒脉冲复原。因此，本发明具有精度高、调节范围大、稳定性高、无振动、无散射、使用方便等特点。
权利要求
1.一种精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，是由飞秒激光器(1)，分束器(3)，光学气体腔(5)，联管(8)，高压气室(9)，电磁充气阀(10)，电磁放气阀(14)，色散元件(15)和(16)，激光器(20)，分束器(21)和(23)，光学气体腔(24)，连接气管(26)，狭缝(27)，光强探测器(28)和(34)，放大器与模/数转换(29)，计算机与接口电路(30)，恒温箱(36)，温度调节器(37)等组成，其特征是在飞秒激光器(1)和光学气体室(5)之间，安装有分束器(3)，光学气体腔(5)的出射端有对角放置的色散元件(15)和(16)；激光器(20)和光学气体腔(24)之间，安装有分束器(21)，光学气体腔(24)和光强探测器(28)之间，有狭缝(27)，光强探测器(28)同放大器与模/数转换(29)相连，放大器与模/数转换(29)又同计算机及接口电路(30)相连；在光强探测器(34)和分束器(21)之间有分束器(23)，光强探测器(34)通过接口联线(35)，同计算机及接口电路(30)相连；高压气室(9)通过联管(8)同光学气体腔(5)相连通，通过连接气管(26)同光学气体腔(24)相连通；高压气室(9)上安有电磁充气阀(10)和电磁放气阀(14)，电磁充气阀(10)用联线(41)，同计算机及接口电路(30)连接，电磁放气阀(14)用联线(33)，同计算机与接口电路(30)连接，电磁放气阀(14)连有通向恒温箱(36)外面的排气管道(42)；飞秒激光器(1)发出的飞秒脉冲激光(2)，经由入射窗口(39)，在分束器(3)上分光，分出的反射光为激光束(4)，透过光从入射窗口(6)进入光学气体腔(5)，出射窗口(7)出射的飞秒脉冲激光束(17)，经色散元件(15)，成为飞秒脉冲激光(18)，并照射在色散元件(16)上，产生负的啾啾效应；激光器(20)发出的激光束，经入射窗口(38)，在分束器(21)上分光，分出的透射激光从入射窗口(22)进入光学气体腔(24)后，从出射窗口(25)射出，分出的反射激光在分束器(23)上再次分光，分出的反射激光在狭缝(27)处，同从出射窗口(25)射出的激光产生干涉，被光强探测器(28)接收，分出的透射激光被光强探测器(34)接收。
2.根据权利要求1所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色的气体延迟系统，其特征是高压气室(9)安装有温度调节器(12)和温度传感器(13)，温度调节器(12)用联线(31)，同计算机及接口电路(30)连接，温度传感器(13)用联线(32)，同计算机及接口电路(30)连接。
3.根据权利要求2所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是在光学气体腔(24)和狭缝(27)之间有光学放大装置(40)，光学放大装置(40)使从出射窗口(25)出射的激光和在分束器(23)上反射的激光，放大后干涉条纹成象在狭缝(27)上。
4.根据权利要求3所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是狭缝(27)的宽度为0.1mm-5.0mm。
5.根据权利要求3所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是入射窗口(6)和(22)，出射窗口(7)和(25)有反射层，使入射激光在光学气体腔(5)和(24)内经过N次反射后射出。
6.根据权利要求5所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是入射窗口(6)和出射窗口(7)采用K9玻璃材料，折射率为1.5。
7.根据权利要求5所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是入射窗口(6)和出射窗口(7)采用石英玻璃材料，折射率为1.5。
8.根据权利要求3所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是光强探测器(28)采用光电倍增管。
9.根据权利要求3所述的精确读取时间延迟量和消除群速度色散的气体延迟系统，其特征是光强探测器(28)采用二级管接收器件。
全文摘要
本发明属于光学技术领域,是一种用于飞秒激光脉冲,精确读取时间延迟量和消除群速度色散功能的气体延迟系统。利用不同的气体在不同的气压和温度下对光的折射率不同的原理,通过恒定温度、改变气体压力的方法改变光程,达到光线时间延迟的目的。通过延迟激光束和非延迟激光束间的干涉效应,测量空间一点的相干强度变化,得到两光束间激光脉冲的相对延迟。本发明具有精度高、调节范围大、稳定性高、无振动、无散射、使用方便等特点。
文档编号G01J9/02GK1322939SQ0010428
公开日2001年11月21日 申请日期2000年5月11日 优先权日2000年5月11日
发明者秦伟平, 王海宇, 黄世华, 吕少哲, 陈宝玖 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所