单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置制造方法
【专利摘要】一种单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，其特点在于：包括同步触发器、超短脉冲信号发生器、耦合柱透镜、飞秒激光器、锯齿形通光孔金属薄板、非球面透镜、光偏转波导芯片、第一非球面柱透镜、第二非球面柱透镜、滤色片、衰减片、光纤阵列、光纤束、光纤合束器、光纤、光电转换器和示波器。本发明具有结构简单，操作方便的特点，可快速测出超高动态范围的单次超快光脉冲的时间波形和信噪比。能快速测量的超快脉冲的时间跨度达到百皮秒量级，其时间分辨率达到十飞秒量级，测量的动态范围与信噪比能达到105:1。
【专利说明】单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及超快脉冲测量，特别是一种单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置。
【背景技术】
[0002]超快现象，其持续时间小于I μ S，广泛存在于自然界和相关的科学与工程技术研究中，例如植物的光合作用过程，光材料中的光激发态弛豫过程，生物材料的荧光发射，强光与物质相互作用物理过程，化学反应的分子动力学过程和受控核聚变中超高功率激光脉冲的产生等时间尺度多在皮秒至飞秒量级，甚至于阿秒量级范围内(参见[I]Scrinzi A, Ivanov MY，Kienberger R，et al.Attosecond physics.J.Phys.B:At.Mol.0pt.Phys.，2006, 39:R1-R37)。而超短脉冲是超快现象中常见的一种现象，因此超短光脉冲的测量对材料、生物、光物理、光化学和大功率激光器等科学与工程研究具有巨大的推动作用和重要的现实意义。
[0003]在超短超快脉冲的测量中，表征时间波形的物理量有时间分辨率、可测量时间跨度，动态范围和信噪比，其中动态范围和信噪比在科学与工程技术研究中是十分重要的参数。动态范围和信噪比是相互统一的，只是所表示的侧重点有所不同。高动态范围是实现高信噪比测量的前提。动态范围是指装置可测量到的脉冲信号强度的最大值和最小值之比，而信噪比是描述脉冲本身信号质量高低的物理量，它是指脉冲最大强度与噪声强度之比。例如在高能激光系统中，由于反射、散射、自发发射放大或是不完善的时域压缩都可能产生相当可观的脉冲旁瓣，这时脉冲的信噪比主要是指脉冲峰值光强与本底噪声或旁瓣之间的比值,它已经成为高功率激光系统的最主要的参数之一。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，该装置极大地提高了测量单次超快光脉冲时间波形时可测量的动态范围及信噪比的可测量范围。
[0005]本发明技术方案如下:
[0006]一种单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，其特点在于:包括同步触发器、超短脉冲信号发生器、耦合柱透镜、飞秒激光器、锯齿形通光孔金属薄板、非球面透镜、光偏转波导芯片、两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜、第二非球面柱透镜、滤色片、衰减片、光纤阵列、光纤束、光纤合束器、光纤、光电转换器和示波器，整套装置置于洁净空气或真空环境中，上述元器件的位置关系如下:
[0007]依次的所述的超短脉冲信号光发生器、耦合柱透镜、光偏转波导芯片的中心、第一非球面柱透镜、第二非球面柱透镜、滤色片、衰减片和光纤阵列共处于第一光轴；依次的所述的飞秒激光器、锯齿形通光孔金属薄板、非球面透镜和光偏转波导芯片处于第二光轴，第二光轴与所述的第一光轴垂直，所述的同步触发器的输出端分别与所述的超短脉冲信号光发生器的触发端和所述的飞秒激光器的触发端相连，所述的光纤阵列的光纤束的另一端与所述的光纤合束器的输入端相连，该光纤合束器的输出端经所述的光纤、光电转换器与所述的示波器的输入端相连。
[0008]所述的锯齿形通光孔金属薄板的锯齿顶角为5°?15°，锯齿数目为50?500个。
[0009]所述的光偏转波导芯片由单层光折变材料构成，厚度为Iym到数百ym,所述的光折变材料为掺铁铌酸锂晶体或者GaAs半导体材料。
[0010]所述的光纤阵列由多根长度依次递增的光纤束线性排列而成，相邻光纤的长度差值大于光电转换器的光电转换时间和大于示波器的时间分辨率。
[0011]耦合柱透镜由一面非球面柱透镜组成，用来把待测的信号光全部耦合进入光偏转波导芯片中。
[0012]所述的飞秒激光器是一个高功率飞秒脉冲激光光源，其产生的平顶的泵浦光穿过具有锯齿形通光孔的金属板，经过非球面透镜聚焦成像，照射在波导芯片上形成缩小的锯齿形光束。
[0013]所述的同步触发器是一套高精度的延时同步触发器，能调节超短脉冲信号发生器产生的信号光和飞秒激光器产生的泵浦光之间的延时和同步，使得信号光刚好完全进入光偏转波导芯片时，泵浦光穿过有锯齿形通光孔的金属薄板，经过非球面透镜聚焦成像，形成缩小的锯齿形光束照射在光偏转波导芯片上，由于光折变效应瞬时产生锯齿形的棱镜阵列，保证此时信号光与锯齿形棱镜阵列完全重合。
[0014]光偏转波导芯片是一层具有很强的光折变效应的波导芯片(掺铁铌酸锂或砷化镓)，其尺寸为IcmX lcm(尺寸可根据实际所需要满足的可测量时间跨度的需求而改变)，锯齿形光束照射在芯片上的功率密度在达到lGW/cm2以上时，由于光折变效应致使波导芯片发生折射率改变，折射率变化Λη > 0.01，这样就形成了锯齿形的棱镜阵列。
[0015]所述的两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜、第二非球面柱透镜的作用是将从光偏转波导芯片偏转出射的光束聚焦在光纤阵列上。
[0016]所述的滤色片用于滤除信号光波长以外的杂散光和日光。所述的衰减片用于衰减过于强烈的信号光，所述的光纤阵列用于读取成像信号，光纤束用于传导信号光至光纤合束器，光纤合束器用于将每根光纤中的信号光耦合至一根光纤中，光电转换器用于将信号光转化为串行的电信号，由于光纤阵列按位置排列，光纤束中每根光纤的长度按照排列的位置依次递增，每根光纤中信号光的光程不同，到达光电转化器的时间有先后，并且相邻光纤中其先后的时间差大于光电转换的时间且大于示波器的时间分辨率，这样就将并行的信号光转化为串行的光信号，再转化为串行的电信号，同时光电转换器也可调节光电转换系数，即调节光转换出的电信号的电压的高低，所述的示波器读取并测量转化出的电信号的强度和显示出时间波形，由波形可计算出待测脉冲的信噪比，调节光电转换器的光电转换系数和示波器相互匹配可测量具有超高信噪比的信号光脉冲。
[0017]本发明的技术效果如下:
[0018]本发明单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，利用将难以测量的时间波形转化为很容易测量的空间波形的优势，极大地提高了可测量的时间分辨率，同时又结合了基于光纤阵列将并行的信号光转化为串行的电信号的优势，使得本装置在保证信号光与泵浦激光精确同步的条件下(同步精度在I飞秒以下时)，能快速实现单次超快脉冲的十飞秒量级的高时间分辨率，百皮秒量级的高动态范围以及15:1高信噪比的时间波形的快速测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置结构简图
[0020]图2为飞秒激光器、锯齿形通光孔金属薄板、非球面透镜及光偏转波导芯片的详细结构示意图:
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施过程对本发明装置进行进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0022]先请参阅图1，图1为本发明的单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置结构简图，由图可见，本发明单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，包括同步触发器1、超短脉冲信号发生器2、耦合柱透镜4、飞秒激光器7、锯齿形通光孔金属薄板8、非球面透镜9、光偏转波导芯片5、两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜10、第二非球面柱透镜11、滤色片12、衰减片13、光纤阵列15、光纤束16、光纤合束器17、光纤18、光电转换器19、示波器20，整套装置置于洁净空气或真空环境中，上述元器件的位置关系如下:
[0023]依次的所述的超短脉冲信号光发生器2、耦合柱透镜4、光偏转波导芯片5的中心、两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜10、第二非球面柱透镜11、滤色片12、衰减片13和光纤阵列15共第一光轴且均在同一平面上)；依次的所述的飞秒激光器7、锯齿形通光孔金属薄板8、非球面透镜9和光偏转波导芯片5共第二光轴,第二光轴与第一光轴所在的平面垂直，所述的同步触发器I的输出端分别与所述的超短脉冲信号光发生器2的触发端和所述的飞秒激光器7的触发端相连，所述的光纤阵列15的光纤束16的另一端与所述的光纤合束器17的输入端相连，该光纤合束器17的输出端经所述的光纤18、光电转换器19与所述的示波器20的输入端相连。
[0024]图2为飞秒激光器7、锯齿形通光孔金属薄板8、非球面透镜9及光偏转波导芯片5的详细结构不意图:光偏转波导芯片5为掺铁银酸锂晶体,其Z轴方向为光束传播方向，或者芯片为GaAs，厚度均为Ιμπι?数百μπι。飞秒激光器7产生平顶的平行激光束垂直向下照射锯齿形通光孔金属薄板8，其锯齿状顶角为5°?15°，数目为50?300个。透过锯齿形通光孔金属薄板8的激光继续传播，经过非球面透镜9聚焦成像照射在光偏转波导芯片5上，像平面就在波导芯片上，在波导芯片上形成锯齿形光斑，由于光折变效应而使得被照射部分的芯片发生折射率改变，形成锯齿形棱镜阵列6。在精确同步(同步精度I飞秒以下)时，信号光完全进入波导芯片5的同时，瞬时产生的棱镜阵列6将信号光分割为许多小部分，信号光继续向前传播，前沿部分的信号光经过的棱镜阵列数目较少而偏转的角度较小，中间部分的信号光经过的棱镜数目较多而偏转的角度较大，后沿部分的信号光经过的棱镜数目最多而偏转的角度最大。这样就从波导芯片产生了偏转出射的信号光。
[0025]再请参阅图1，所述的同步触发器I产生一个触发信号，触发超短脉冲信号发生器2产生一个脉宽为皮秒量级的平行信号光脉冲(波形如图1中的3所示，横轴表示时间t，纵轴表示光强I)，经过所述的耦合柱透镜4被完全耦合进入光偏转波导芯片5。此信号光就承载着更容易被测量的空间波形(空间波形如图1中的14所示)。
[0026]同步触发器I产生的另外一个信号触发飞秒激光器7，飞秒激光器7产生的泵浦激光透过锯齿形通光孔金属薄板8，经过非球面透镜9成像照射到光偏转波导芯片5上，在其表面形成锯齿形的光斑，由于光折变效应，瞬时产生锯齿状的棱镜阵列6 (产生的响应时间与泵浦光脉冲的脉宽时间长度相同，脉宽越短，响应时间越短)。通过精确调节同步触发器产生的两个脉冲信号的相对延迟(精度达到I飞秒)，使得信号光在被完全耦合进入光偏转波导芯片的同时，泵浦激光照射到光偏转波导芯片上瞬间产生棱镜阵列。棱镜阵列(其弛豫时间为纳秒量级，大于信号光完全经过光偏转波导芯片的时间)将脉冲信号光分割为一百左右数目(被分割数目的多少与信号光和锯齿状棱镜重合的数目相同)的小部分。脉冲前沿部分由于经过的棱镜数目较少而方向偏转的角度较小，中间部分经过的棱镜数目较多而方向偏转的角度较大，后沿部分经过的棱镜数目最多而方向偏转的角度最大。经由光偏转波导芯片5出射的信号光继续传播，经过两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜10、第二非球面柱透镜11、滤色片12 (用于将与信号光无关的日光和其他杂光滤除掉)和衰减片13 (对高强度信号光脉冲进行衰减)之后将偏转后的图像成像在紧密排列的光纤阵列15上，此时信号光完成了由时间波形(波形如图中的3所示，坐标横轴为时间t，纵轴为光强I)向空间波形(波形如图中的14所示，坐标横轴为位置X，纵轴为光强I，位置X与时间t 一一对应)的转换，空间波形14更容易被读取和测量，且不受时间的限制，这样读出的空间波形14就完全再现了时间波形3。每根光纤接收到空间波形14的对应的一小部分信号光，由于每根光纤中信号光走过的光程不同，到达光纤合束器17所用的时间不同，光纤的长度排列是从阵列一端到另一端的长度依次递增，务必保证相邻光纤之间的长度差大于某个值时，才会满足相邻光纤中的信号光到达光纤合束器17的时间差大于光电转换器19的响应时间且大于示波器20的时间分辨率，这样空间波形经过光纤束16传输、光纤合束器17耦合后，将并行的空间波形14转换为串行的信号光，再经过光电转换器19转换为示波器20可测量的串行电信号，电信号由示波器20测量显示出空间波形，此空间波形就是待测的时间波形3，由此波形图上可以计算或测量出的信号峰值与噪声峰值，该计算信号峰值与噪声峰值之比，得到待测信号光的信噪比。
【权利要求】
1.一种单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，其特征在于:包括同步触发器(1)、超短脉冲信号发生器(2)、耦合柱透镜(4)、飞秒激光器(7)、锯齿形通光孔金属薄板(8)、非球面透镜(9)、光偏转波导芯片(5)、两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜(10)、第二非球面柱透镜(11)、滤色片(12)、衰减片(13)、光纤阵列(15)、光纤束(16)、光纤合束器(17)、光纤(18)、光电转换器(19)、示波器(20)，整套装置置于洁净空气或真空环境中，上述元器件的位置关系如下: 依次的所述的超短脉冲信号光发生器(2)、耦合柱透镜(4)、光偏转波导芯片(5)的中心、两面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透镜(10)、第二非球面柱透镜(11)、滤色片(12)、衰减片(13)和光纤阵列(15)共处于第一光轴；依次的所述的飞秒激光器(7)、锯齿形通光孔金属薄板(8)、非球面透镜(9)和光偏转波导芯片(5)处于第二光轴，第二光轴与所述的第一光轴垂直，所述的同步触发器(1)的输出端分别与所述的超短脉冲信号光发生器(2)的触发端和所述的飞秒激光器(7)的触发端相连，所述的光纤阵列(15)的光纤束(16)的另一端与所述的光纤合束器(17)的输入端相连,该光纤合束器(17)的输出端经所述的光纤(18)、光电转换器(19)与所述的不波器(20)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，其特征在于:所述的锯齿形通光孔金属薄板(8)的锯齿顶角为5°?15°，锯齿数目为50?500个。
3.根据权利要求1所述的单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，其特征在于:所述的光偏转波导芯片(5)由单层光折变材料构成，厚度为1 μ m到数百ym，所述的光折变材料为掺铁铌酸锂晶体或者GaAs半导体材料。
4.根据权利要求1所述的单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置，其特征在于:所述的光纤阵列(15)由多根长度依次递增的光纤束(16)线性排列而成，相邻光纤长度的差值满足信号光在经过相邻光纤长度差值的光程内所需的时间大于光电转换器(19)的光电转换时间和大于示波器(20)的时间分辨率。
【文档编号】G01J11/00GK104280140SQ201410524967
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】牛振国, 范薇, 黄大杰, 潘雪, 李国扬, 汪小超, 乔治 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所