技术领域
本发明涉及激光参数测量技术领域，特别涉及一种用于测量超短激光脉冲宽度的自相关仪。
背景技术：
随着激光技术的飞速发展，激光脉冲宽度不断变窄，在超短、超快激光领域，人们已经通过实验手段压缩获得脉冲宽度小于10fs(飞秒)的飞秒激光，超短激光脉冲宽度的测量是超短激光参数测量中最重要的问题。
传统的用于测量激光脉冲宽度的方法是利用光电双光子探测器直接显示脉冲波形，然而现有的光电响应器件的最快响应时间为皮秒量级，无法用于测量飞秒量级的超短激光脉冲信息，这就需要飞秒激光脉冲对自己本身进行扫描，利用光与物质相互作用的非线性效应，将时间测量转化为空间测量，从而得到飞秒激光脉冲的自相关信号。
测量飞秒激光脉冲宽度的基本过程是：待测飞秒激光被分光镜分成两束，其中一束光通过一个延迟器，另一束光则不经过延迟器，然后将上述经过不同路径的两束光重合，再利用倍频晶体的二阶非线性效应或者采用有双光子吸收效应的光电转换介质，将光信号转换成电信号来测量，调整两路径的光程差可以得到二阶相关信号，从而推算出超短脉冲的宽度。二次谐波法只需双光子探测器测出光强的相对平均值，不需要快速响应的双光子探测器，也不需要定标，目前获得的飞秒级光脉冲主要是采用自相关方法测量。
现有技术中有多种用于测量飞秒脉冲时域波形和光谱位相的方法，如频率分辨光学开关法(Frequency-ResolvedOpticalGating，FROG)和光谱位相相干直接电场重建法(SpectralPhaseInterfereDidrectElectic-FieldReconstruction，SPIDER)等，但频率分辨光学开关法只能测放大的脉冲，而光谱位相相干直接电场重建法不能直接测得其脉冲宽度。
自相关仪由于结构简单，且可实现飞秒量级到皮秒量级的脉冲宽度的测量而得到广泛应用。目前在自相关仪设计领域，申请号为02202596.0的中国实用新型专利提供了一种“双功能小型超短激光脉冲自相关测量仪”，申请号为201010217215.0的中国发明专利公开了一种“多功能大量程超短脉冲激光自相关仪”，两者均以迈克尔逊干涉仪为基本框架结构，采用由两片两面平行的分束片构成的分光镜将被测激光脉冲一分为二，调节其中一路光程，使两路光有相应的时间延迟，合并后(共线)或者独自(非共线)经过透镜或者凹面镜聚焦，再通过倍频晶体由双光子探测器接收产生的二次谐波信号并最终转变成电信号输出，或者直接通过具有双光子吸收效应的双光子探测器接收脉冲信号。
由于现有技术中的自相关仪的分光镜由两片两面平行的分束片构成，且均没有提供校准光路，导致其光路结构复杂，光路调节的难度大，且测量时分束片的两表面多次反射后形成的干涉场信号和重合后出射光路的干涉信号完全重合叠加在一起，带来了额外的噪声。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：由于现有技术中的自相关仪的分光镜由两片两面平行的分束片构成，且均没有提供校准光路，而导致其光路结构复杂，光路调节的难度大，且测量时分束片的两表面多次反射后形成的干涉场信号和重合后光路的干涉信号完全重合叠加在一起，带来了额外的噪声。
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种自相关仪，用于测量超短激光脉冲宽度，包括：
用于等高平直入射的被测激光通过以形成入射光路的入射参考小孔；
楔形分光镜，位于所述入射光路上，所述楔形分光镜与入射光路的夹角为45°；
第一直角反射镜，包括第一平面反射镜和第二平面反射镜；所述第一平面反射镜位于所述入射光路经所述楔形分光镜反射后形成的第三光路上，所述第三光路与第一平面反射镜的夹角为45°；所述第二平面反射镜与第一平面反射镜垂直以将所述第三光路原方向返回形成第四光路；
第二直角反射镜，包括第三平面反射镜和第四平面反射镜；所述第三平面反射镜位于所述入射光路经所述楔形分光镜透射后形成的第一光路上，所述第一光路与第三平面反射镜的夹角为45°；所述第四平面反射镜与第三平面反射镜垂直以将所述第一光路原方向返回形成第二光路；所述第二直角反射镜设于可平行于所述第一光路周期往复运动的扫描装置平台上；
抛物面镜，位于所述第二光路经所述楔形分光镜反射后形成的光路上；
探测器，位于所述出射光路经所述抛物面镜聚光后的光路上以采集所述出射光路聚焦后的光信号并将采集到的光信号转换成电信号；
控制装置，分别与所述探测器和扫描装置平台电连接以采集所述探测器生成的电信号并控制所述扫描装置平台的周期往复运动。
作为优选，还包括位于所述第二光路经所述楔形分光镜透射形成的光路上的光路校准窗口，所述光路校准窗口包括一个用于对所述自相关仪进行校准的检测点，所述第一直角反射镜设置于一可平行于所述第三光路和第一光路移动的二维精密平移台上。
作为进一步地优选，所述检测点是一个十字叉丝的中心点。
作为优选，所述楔形分光镜包括透射面和反射面，所述透射面镀有增透膜，所述反射面镀有反射膜。
作为进一步地优选，所述反射膜是光线45°入射时反射透射光强比为1∶1的宽波段膜系。
作为优选，所述楔形分光镜的楔角的范围是0.3°～0.8°。
作为进一步地优选，所述楔形分光镜的楔角是0.5°。
作为优选，所述探测器位于所述抛物面镜的焦点处。
作为优选，所述抛物面镜是凹面镜或凸透镜。
作为优选，所述探测器为双光子探测器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)由于采用楔形分光镜代替了现有技术中采用的两片两面平行的分束片，使得自相关仪的光路结构简单，且楔形分光镜的两表面的多次反射形成的干涉场信号不再与出射光路重合在一起，从而使探测器能够检测到干净的自相关信号；
(2)由于提供了光路校准窗口和校准光路，大大降低了自相关仪的光路调节难度，节约了光路调节所花费的时间。
附图说明
图1为本发明的自相关仪的结构示意图。
图2为图1所示的自相关仪的楔形分光镜的主视示意图。
图3为图1所示的自相关仪的楔形分光镜的右视示意图。
图4为采用本发明的自相关仪测量脉冲宽度为40fs的飞秒光纤激光器的共线干涉自相关信号图。
主要附图标记说明：
10、入射光路11、第一光路
12、第二光路13、第三光路
14、第四光路15、第五光路
16、出射光路17、被测激光
20、楔形分光镜21、第一直角反射镜
22、第二直角反射镜23、入射参考小孔
24、光路校准窗口25、抛物面镜
30、二维精密平移台31、扫描装置平台
40、探测器41、控制装置
201、透射面202、反射面
211、第一平面反射镜212、第二平面反射镜
221、第三平面反射镜222、第四平面反射镜
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明的实施例的自相关仪包括：
入射参考小孔23，等高平直入射的被测激光17通过该入射参考小孔23后形成入射光路10；
楔形分光镜20，位于入射光路10上，其与入射光路10的夹角为45°，入射光路10经楔形分光镜20透射和反射后分别形成第一光路11和第三光路13，第一光路11与第三光路13相互垂直；
第一直角反射镜21，包括第一平面反射镜211和第二平面反射镜212；第一平面反射镜211位于入射光路10经楔形分光镜20反射后形成的第三光路13上，第三光路13与第一平面反射镜211的夹角为45°；第二平面反射镜212与第一平面反射镜211垂直以将第三光路13原方向返回形成第四光路14；第一平面反射镜211和第二平面反射镜212相互垂直，且二者之间有一定距离，以避免超短激光返回到产生激光的激光谐振腔内，破坏激光锁模的运转；
二维精密平移台30，其上固定有第一直角反射镜21，二维精密平移台30的位置是可平行于第三光路13(即图中y轴方向)和第一光路11(即图中x轴方向)移动调节的；
第二直角反射镜22，其包括第三平面反射镜221和第四平面反射镜222；第三平面反射镜221位于入射光路10经楔形分光镜20透射后形成的第一光路11上，第一光路11与第三平面反射镜221的夹角为45°；第四平面反射镜222与第三平面反射镜221垂直以将第一光路11原方向返回形成第二光路12；第二光路12经楔形分光镜20透射的光路部分与第四光路14经楔形分光镜20反射的光路部分重合形成第五光路15，第二光路12经楔形分光镜20反射的光路部分与第四光路14经楔形分光镜20透射的光路部分重合形成出射光路16；
扫描装置平台31，其上固定有第二直角反射镜22，在测量所述超短激光脉冲宽度时，扫描装置平台31接收控制装置41发出的周期扫描的驱动信号，可平行于第一光路11(即图1中x轴方向)做周期往复运动；
抛物面镜25，位于第二光路12经楔形分光镜20反射后形成的光路上，用于使出射光路16聚焦；在本实施例中，作为优选方案，抛物面镜25可以采用凹面镜或凸透镜，实现光束聚焦，增强超短激光脉冲的非线性，由探测器40接收探测；
探测器40，位于出射光路16经抛物面镜25聚光后的光路上以采集出射光路16聚焦后的光信号并将采集到的光信号转换成电信号；在本实施例中，作为优选方案，探测器40位于抛物面镜25的焦点处；探测器40可以选用双光子探测器；
控制装置41，分别与探测器40和扫描装置平台31电连接以采集探测器40生成的电信号并控制扫描装置平台31的周期往复运动。
在本实施例中，作为优选方案，所述自相关仪还包括位于第二光路12经所述楔形分光镜20透射形成的光路上的光路校准窗口24，光路校准窗口24包括一个用于对所述自相关仪进行校准的检测点，所述第一直角反射镜21设置于一可平行于第三光路13和第一光路11移动的二维精密平移台30上；对所述自相关仪的光路进行校准时，若第二光路12经楔形分光镜20透射的光路部分与第四光路14经楔形分光镜20反射的光路部分重合形成的第五光路15投射到所述检测点上，则该自相关仪的光路校准完成；所述检测点可以是一个十字叉丝的中心点。
如图1至图3所示，本发明的实施例的自相关仪的楔形分光镜20包括透射面201和反射面202，透射面201镀有增透膜，反射面202镀有反射膜，在本实施例中，所述反射膜采用光线45°入射时反射与透射光强比为1∶1的宽波段600nm-1000nm膜系；楔形分光镜20的楔角的范围是0.3°～0.8°，在本实施例中楔角为0.5°。
采用本发明的实施例的自相关仪测量超短激光脉冲宽度的过程为：
入射前已经调节至等高平直状态的被测激光17通过入射参考小孔23后形成入射光路10；
入射光路10照射到楔形分光镜20上，经楔形分光镜20透射和反射后分别形成第一光路11和第三光路13，第一光路11与第三光路13相互垂直；
第一光路11照射到第二直角反射镜22上，经第二直角反射镜22反射后原方向返回，形成第二光路12；第三光路13照射到第一直角反射镜21上，经第一直角反射镜21反射后原方向返回，形成第四光路14；第二光路12与第四光路14的交点位于楔形分光镜20上；
第二光路12经楔形分光镜20透射的光路部分与第四光路14经楔形分光镜20反射的光路部分在空间上处处重合形成第五光路15，第二光路12经楔形分光镜20反射的光路部分与第四光路14经楔形分光镜20透射的光路部分在空间上处处重合形成出射光路16；
调整二维精密平移台30在y轴方向上的位置，使第一光路11和第二光路12分别与第三光路13和第四光路14的光程一致，这时可以在出射光路16中用扫描的方式观察到明显的干涉光斑；
抛物面镜25使出射光路16聚焦，探测器40采集出射光路16聚焦后的光信号并将该光信号转换成电信号，然后将电信号传送至控制装置41，在示波器上显示干涉条纹产生的信号图像，以此来推算所述超短激光脉冲宽度。
如图4所示，采用本发明的实施例的自相关仪测量脉冲宽度为40fs的飞秒光纤激光器的共线干涉自相关信号时，由图4可推算出此高斯型飞秒激光脉冲宽度为40.95fs，测量结果与激光器输出脉宽基本相符，测量精度很高。
在第一次采用本发明的实施例的自相关仪测量超短激光脉冲宽度之前，需要对该自相关仪的光路进行校准，光路校准的过程是：将入射前已经调节至等高平直状态的被测激光17通过入射参考小孔23射入；观察第四光路14经楔形分光镜20反射的光路部分是否与第二光路12经楔形分光镜20透射的光路部分重合形成第五光路15并投射到光路校准窗口24上的十字叉丝的中心点上，如果是，则该自相关仪的光路已经准确，无需对该自相关仪的各个部件进行调整，如果否，则根据第四光路14经楔形分光镜20反射的光路部分在光路校准窗口24上的投射光点与十字叉丝的中心点的相对位置对该自相关仪的各个部件进行调整，使第五光路15投射到十字叉丝的中心点上，完成光路校准过程。
该自相关仪的光路校准过程一旦完成，以后测量时均不需要重新调节该自相关仪中的各个部件，只要保证被测激光17以等高平直状态进入入射参考小孔23，通过观察第五光路15在光路校准窗口24上的投射光点与十字叉丝的中心点的相对位置，微调入射的被测激光17或者微调整个自相关仪，使第五光路15在光路校准窗口24上的投射光点与十字叉丝的中心点重合，即完成光路调节。
本发明的自相关仪由于采用楔形分光镜代替了现有技术中采用的两片两面平行的分束片，使得自相关仪的光路结构简单，且楔形分光镜的两表面的多次反射形成的干涉场信号不再与出射光路重合在一起，从而使探测器能够检测到干净的自相关信号；此外，本发明的自相关仪由于提供了光路校准窗口和校准光路，大大降低了自相关仪的光路调节难度，节约了光路调节所花费的时间。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。