一种超快激光脉冲宽度测量装置及其控制方法与流程

本发明涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种超快激光脉冲宽度测量装置及其控制方法。

背景技术：

激光自20世纪被发明以来就以其卓越的特性被誉为“最快的刀”、“最亮的光”与“最准的尺”；成为20世纪以来继核能、电脑、半导体之后人类的又一重大发明。激光的产生需具备以下至少三个要素：实现粒子数反转的工作物质、使原子被激发的激励源和实现光放大的光学谐振腔。伴随激光技术的不断发展，激光因其单色性好、相干性强、方向性好以及能量高度集中的特性被广泛的应用通信、工业、军事和医疗等领域。其中，激光光斑质量是影响激光应用的主要原因，而激光脉冲宽度则是影响激光光斑质量的关键因素，尤其是飞秒/阿秒等超短激光技术。因此业界对超短激光的量化控制要求也不断提高，尤其是超短激光脉冲宽度的准确测量显得至关重要。

近年来，业内对激光的量化要求不断提高，尤其是超短激光脉冲宽度的准确快速测量变的尤为重要。目前超短激光脉冲自相关仪是测量飞秒或阿秒激光脉冲宽度的有效工具，其主要原理是将激光脉冲分成两束激光并使两束激光产生延时相关，再根据激光脉冲间的延时相关恢复出激光脉冲的时间宽度并转变为空间长度进行测量。

通常对超短激光脉冲的方案主要有以下两种：(1)空间光型方案，飞秒激光器采用空间光输出，采用光栅对作为色散调节器，通过改变光栅对间距实现对飞秒激光脉冲的控制；(2)光纤型方案，采用不同长度光纤跳线实现激光脉冲的色散调节。然而，方案(1)不仅对光路调节要求高，光栅对间距需精确调节，而且使用时需要由标准自相关仪对脉宽进行校准，操作繁琐；此外光栅使用将引起较大的插入损耗导致激光光斑质量降低；方案(2)尽管操作方便，但难以做到在光纤内使传输的光脉冲保持准确的水平或垂直线偏振，造成飞秒激光经过光纤跳线后极易出现双脉冲或复杂啁啾特性，导致自相关测试结果不稳定。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种超快激光脉冲宽度测量装置及其控制方法。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种超快激光脉冲宽度测量装置，包括分束部件、第一可调部件、旋转部件和第二可调部件，所述第一可调部件、旋转部件和第二可调部件依次放置，所述第一可调部件包括延时组件和调节器，所述延时组件与调节器连接，所述第二可调部件包括测量组件和控制器，所述测量组件与控制器连接，所述分束部件用于将待测光束分成第一光束与第二光束，所述第一可调部件用于控制第一光束的光程，以与第二光束产生相位延时，所述旋转部件用于使第一光束与第二光束均产生多个倍频光，所述测量组件用于检测各所述倍频光的相位信号，以进行脉宽测量。

可选地，所述分束部件包括第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分束镜，所述第一分束镜与所述第一反射镜置于所述第一可调部件入光侧，所述第二分束镜与第二反射镜置于所述第一可调部件出光侧，所述第一分束镜用于使待测光束分成第一光束与第二光束，所述第一反射镜用于使第一光束传播至所述第一可调部件，所述第二反射镜用于使第二光束传播至所述第二分束镜，所述第二分束镜用于使第一光束与第二光束均沿第一方向和第二方向传播。

可选地，所述延时组件设有延时器和第一可调底座，所述延时器置于所述第一可调底座上，所述第一可调底座与所述调节器连接，所述调节器用于控制第一可调底座的位移，以控制延时器的延时量。

可选地，所述测量组件包括光阑、滤波器和光电探测器，所述光阑、所述滤波器和所述光电探测器依次放置。

可选地，所述测量组件还包括第二可调底座，所述光阑、所述滤波器与所述光电探测器均置于所述第二可调底座上。

可选地，所述滤波器为可变滤波器，所述第二可调底座为圆弧形底座或扇形底座。

可选地，所述旋转部件包括非线性倍频晶体与旋转支架，所述非线性倍频晶体置于所述旋转支架上。

可选地，还包括光路校准部件，所述光路校准部件用于对沿第二方向传播的第一光束与第二光束进行校准。

可选地，还包括透镜，所述透镜置于第一可调部件与旋转部件之间，所述透镜用于对均沿第一方向传播的第一光束与第二光束聚焦。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种超快激光脉冲宽度测量装置控制方法，用于超快激光脉冲宽度测量装置，所述激光脉冲宽度测量装置包括分束部件、第一可调部件、旋转部件和第二可调部件，所述第一可调部件、旋转部件和第二可调部件依次放置，所述第一可调部件包括延时组件和调节器，所述延时组件与调节器连接；

所述控制方法包括以下步骤：

分束部件将待测光束分成第一光束与第二光束，并将第一光束传至第一可调部件；

通过第一可调部件调节延时部件和调节器的位置，以控制第一光束与第二光束产生相位延时；

延时后的第一光束和第二光束在旋转部件倍频产生多个倍频光；

测量部件接收并检测各所述倍频光的相位信号，根据所述相位信号输出脉宽。

本发明的有益效果是：采用分束部件将待测光束分成第一光束与第二光束，基于第一可调部件能够快速地实现对第一光束光程的精确调节，以使第一光束与第二光束准确的产生香味演示，基于旋转部件和第二可调部件实现了对任意角度偏振态的光束脉冲检测及其自相关信号的测量，从而高精度地、准确地输出待测光束的脉冲宽，装置结构成本低、操作简便，无需专业人员的操作，而且提高可检测工作效率。

附图说明

图1是本发明提供的超快激光脉冲宽度测量装置结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种超快激光脉冲宽度测量装置光路示意图；

图3是本发明实施例一种超快激光脉冲宽度测量装置含有的延时器剖面图；

图4是本发明实施例提供的另一种超快激光脉冲宽度测量装置光路示意图；

图5是本发明提供的超快激光脉冲宽度测量装置控制方法步骤流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种超快脉冲激光脉冲测量装置，包括分束部件、第一可调部件、旋转部件和第二可调部件，所述第一可调部件、旋转部件和第二可调部件依次放置，所述第一可调部件包括延时组件和调节器，所述延时组件与调节器连接，所述第二可调部件包括测量组件和控制器，所述测量组件与控制器连接，所述分束部件用于将待测光束分成第一光束与第二光束，所述第一可调部件用于控制第一光束的光程，以与第二光束产生相位延时，所述旋转部件用于使第一光束与第二光束均产生多个倍频光，所述测量组件用于检测各所述倍频光的相位信号，以进行脉宽测量。

具体地，分束部件将待测光束分成能量为1:1的第一光束和第二光束，其中第一光束将被分束部件传至第一可调部件内，在第一可调部件内经由调节器控制的延时组件控制第一光束的光程，使得第一光束能够与第二光束产生相位延时，以便第一光束和第二光束在后续部件延时相关；被延时后的第一光束(即改变光程后的第一光束)和第二光束均被旋转部件内发生倍频效应产生多个不同频率的倍频光，通过拨动旋转部件以使倍频效应最显著即产生的倍频光最亮后，保持当前旋转部件的位置状态，通过调节第二可调部件接收由旋转部件出射的各所述倍频光，其中各所述倍频光在第二可调部件内由控制器控制的测量组件检测到对应的相位信号，系统根据调节器、控制器和测量组件反馈的第一光束和第二光束对应倍频光的自相关信号，基于设计算法输出待测光束的脉冲宽度。本发明提供的激光脉冲测量装置，采用分束部件将待测光束分成第一光束与第二光束，保证了脉冲宽度测量的可靠性，基于第一可调部件能够快速地实现对第一光束光程的精确调节，以使第一光束与第二光束准确的产生相位延时，基于旋转部件和第二可调部件实现了对任意角度偏振态的光束脉冲检测及其自相关信号的测量，从而高精度地、准确地输出待测光束的脉冲宽，装置结构成本低、操作简便，无需专业人员的操作，而且提高可检测工作效率。

可选地，所述分束部件包括第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜和第二分束镜，所述第一分束镜与所述第一反射镜置于所述第一可调部件入光侧，所述第二分束镜与第二反射镜置于所述第一可调部件出光侧，所述第一分束镜用于使待测光束分成第一光束与第二光束，所述第一反射镜用于使第一光束传播至所述第一可调部件，所述第二反射镜用于使第二光束传播至所述第二分束镜，所述第二分束镜用于使第一光束与第二光束均沿第一方向和第二方向传播。

本实施例中，各所述分束镜和各所述反射镜均为普通光学元件，其中，分束镜上面渡有若干层薄膜，通过反射和折射作用使待测光束分成两束光束。

可选地，所述延时组件设有延时器和第一可调底座，所述延时器置于所述第一可调底座上，所述第一可调底座与所述调节器连接，所述调节器用于控制第一可调底座的位移，以控制延时器的延时量。

所述延时器包括但不限于楔形棱镜与反射镜构成延时器、或若干个反射镜构成延时器，将延时器置于第一可调底座上，通过调节器控制第一可调底座的位移实现对第一光束光程的精确调节，以便与第二光束准确的产生相位延时，降低测量成本，提高测量工作效率，本实施例中，所述楔形棱镜的棱面角401如图3所示设计为小于30°以便降低的第一光束在楔形棱镜棱面处的能量损失；由反射镜构成的延时器可选为4个反射镜，也可选多于4个或少于4个反射镜，在此不做限定。

可选地，所述测量组件包括光阑、滤波器和光电探测器，所述光阑、所述滤波器和所述光电探测器依次放置。

可选地，所述测量组件还包括第二可调底座，所述光阑、所述滤波器与所述光电探测器均置于所述第二可调底座上。

所述光阑用于屏蔽预置第一光束与预置第二光束因折射、反射、散射等造成的杂光对倍频光的影响，所述滤波器用于衰减自光阑出射的倍频光，所述光电探测器用于探测入射其内的光束相位信号灯自相关信号，将光阑、滤波器与光电探测器等测量组件置于第二可调底座上能够实现对任意角度偏振态待测光束脉冲宽度的测量。

可选地，所述滤波器为可变滤波器，所述第二可调底座为圆弧形底座或扇形底座。

本实施例中，所述可变滤波器通过改变其衰减波长，衰减掉不允许通过的倍频光，以使允许通过的倍频光通过并被光电探测器所探测；将所述第二可调平台设计为圆弧形平台或扇形平台能使置于第二可调平台上面的测量组件探测不同方向出射的倍频光。

可选地，所述旋转部件包括非线性倍频晶体与旋转支架，所述非线性倍频晶体置于所述旋转支架上。

本实施例中，非线性倍频晶体是一种用于倍频效应的一类非线性光学晶体，其具有不具有中心对称性、对基频波和倍频波的透明度高、二次非线性电极化系数大、有位相匹配能力、光学均匀性好、物化性能稳定和生长工艺相对容易，能得到足够大的晶体，在位相匹配方向上达到可用长度等特点，本实施例中，选择性能良好的偏磷酸钡晶体作为非线性倍频晶体，偏磷酸钡晶体具有透光范围广、吸收系数低、消光比高、相匹配角大以及抗光损伤阈值高等优点，所述旋转支架能够实现360°的任意角度旋转。

可选地，还包括光路校准部件，所述光路校准部件用于对沿第二方向传播的第一光束与第二光束进行校准。

本实施例中，通过设置光路校准装置对由分束组件中第二分束镜分出的均沿第二方向的第一光束与第二光束同步校准实现对后续的激光脉冲宽度准确测量。

可选地，还包括透镜，所述透镜置于第一可调部件与旋转部件之间，所述透镜用于对均沿第一方向传播的第一光束与第二光束聚焦。

如图5所示，本发明还提供了一种激光脉冲测量装置的控制方法，用于超快激光脉冲宽度测量装置，所述激光脉冲宽度测量装置包括分束部件、第一可调部件、旋转部件和第二可调部件，所述第一可调部件、旋转部件和第二可调部件依次放置，所述第一可调部件包括延时组件和调节器，所述延时组件与调节器连接；

所述控制方法包括以下步骤：

s1、分束部件将待测光束分成第一光束与第二光束，并将第一光束传至第一可调部件；

s2、通过第一可调部件调节延时部件和调节器的位置，以控制第一光束与第二光束产生相位延时；

s3、延时后的第一光束和第二光束在旋转部件倍频产生多个倍频光；

s4、测量部件接收并检测各所述倍频光的相位信号，根据所述相位信号输出脉宽。

本实施例中，通过分束部件将待测光束分成能量比为1:1的第一光束和第二光束，其中第一光束将被分束部件传至第一可调部件内，在第一可调部件内经由调节器控制的延时组件控制第一光束的光程，使得第一光束能够与第二光束产生相位延时，以便第一光束和第二光束在后续部件延时相关；被延时后的第一光束(即改变光程后的第一光束)和第二光束均被旋转部件内发生倍频效应产生多个不同频率的倍频光，通过拨动旋转部件以使倍频效应最显著即产生的倍频光最亮后，保持当前旋转部件的位置状态，通过调节第二可调部件接收由旋转部件出射的各所述倍频光，其中各所述倍频光在第二可调部件内由控制器控制的测量组件检测到对应的相位信号，系统根据调节器、控制器和测量组件反馈的第一光束和第二光束对应倍频光的自相关信号，基于设计算法输出待测光束的脉冲宽度。本发明提供的激光脉冲测量装置，采用分束部件将待测光束分成第一光束与第二光束，保证了脉冲宽度测量的可靠性，基于第一可调部件能够快速地实现对第一光束光程的精确调节，以使第一光束与第二光束准确的产生相位延时，基于旋转部件和第二可调部件实现了对任意角度偏振态的光束脉冲检测及其自相关信号的测量，从而高精度地、准确地输出待测光束的脉冲宽，装置结构成本低、操作简便，无需专业人员的操作，而且提高可检测工作效率。

实施例1

参照图2至图3，本实施例提高一种超快激光脉冲宽度测量装置光路示意图，包括分束部件、第一可调部件4、透镜8、旋转部件、第二可调部件10、光路校准部件6、处理器12，其中分束部件包括分束镜1、反射镜2、反射镜3和分束镜7，第一可调部件4包括楔形棱镜40(棱面角401小于30°)、反射镜402、第一可调底座和调节器5，楔形棱镜40和反射镜402构成延时器置于第一可调底座上，且第一可调底座与控制器5连接，分束镜1与反射镜3置于第一可调部件4的入光侧，分束镜7与反射镜2置于第一可调部件4的出光侧；旋转部件包括偏磷酸钡晶体9(bbo晶体)与旋转支架13且偏磷酸钡晶体9置于旋转支架13上，从而实现对偏磷酸钡晶体9(bbo晶体)任意角度的调节；第二可调部件10包括光阑101、滤波器102、光电探测器103和控制器，处理器12分别与调节器5、光电探测器103和控制器连接，以接收调节器5、光电探测器103和控制器反馈的信号，并根据反馈的信号基于设计好的算法输出待测光束的脉冲宽度。

具体地，当待测光束为脉冲中心波长为1310nm，脉冲宽度约为1fs，能量约为1mj，光束口径约为1mm×1mm；待测光束被分束部件的分束镜1分成能量为1：1的反射光15(第一光束)和透射光16(第二光束)，透射光16经反射镜2被反射到分束镜7上；反射光15经反射镜3被反射至延时部件4内，被楔形棱镜4改变反射光15的光程即使反射光15相对于透射光16产生相位延，由楔形棱镜4出射的透射光15经反射镜5反射以水平方向18(第一方向)入射至分束镜7上。

反射光15(第一光束)和透射光16(第二光束)在分束镜7上均被分成沿水平方向18(第一方向)和竖直方向17(第二方向)传播的反射光和透射光，其中沿竖直方向传播的反射光和透射光入射至光路校准部件6进行光路校准，以便同步及时调整光路；沿水平方向传播的反射光和透射光入射至透镜8，经透镜8聚焦后入射至旋转部件内的放置在旋转支架13上的偏磷酸钡晶体9上(其中，可以通过旋转部件内的偏磷酸钡晶体9的晶轴，使入射的反射光和透射光沿与晶轴垂直的方向入射)，以使入射的反射光和透射光发生倍频效应，以产生色散现象；经旋转部件产生的不同频率的倍频光经光阑101过滤与滤波器102衰减后，被光电探测器103探测，其中调节器5、控制器和光电探测器103分别将检测到的待测光束的自相关信号反馈给处理器12，处理器12根据接收的所述自相关信号，输出被测激光光束的脉冲宽度。

1)当待测光束的脉冲为竖直线偏振方向时，拨动旋转支架13使偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴处于竖直方向。从透镜8聚焦后的反射光束与透射光束以约30°的夹角沿水平方向18(第一方向)入射到偏磷酸钡晶体(bbo)9上，产生的倍频光束沿与偏磷酸钡晶体(bbo)9表面垂直的方向输出，通过调节延时组件使最亮光斑处于倍频光束的中央位置，此时光电探测器103记录的倍频光即为自相关信号。

2)当待测光束的脉冲为水平线偏振方向，拨动旋转支架13使偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴处于竖直方向。从透镜8聚焦后的反射光束与透射光束以约30°的夹角沿水平方向18(第一方向)入射到偏磷酸钡晶体(bbo)9上，产生的倍频光束沿与偏磷酸钡晶体(bbo)9表面垂直的方向输出，通过调节延时组件使最亮光斑处于倍频光束的中央位置，此时光电探测器103记录的倍频光即为自相关信号。

3)当待测光束的脉冲为任意方向线偏振方向，拨动旋转支架13使偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴，使偏磷酸钡晶体(bbo)9输出的倍频光束最强，保持偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴方向不变，调整调节延时组件使最亮光斑处于倍频光束的中央位置，此时光电探测器103记录的倍频光即为自相关信号。

实施例2

如图4所示，本实施例提高的一种超快激光脉冲宽度测量装置的光路示意图，包括分束部件、第一可调部件4、光路校准部件6、透镜8、旋转部件、第二可调部件10和处理器12；分束部件包括分束镜1、反射镜2、反射镜3和分束镜7，第一可调部件4包括反射镜41、反射镜42、反射镜43、反射镜44、调节器5和第一可调底座，其中反射镜41、反射镜42、反射镜43与反射镜44依次成四边形构成延时器，且反射镜42与反射镜43置于第一可调底座上，调节器5与第一可调底座连接；旋转部件包括偏磷酸钡晶体9(bbo晶体)与旋转支架13且偏磷酸钡晶体9置于旋转支架13上，从而实现对偏磷酸钡晶体9(bbo晶体)任意角度的调节；第二可调部件10包括光阑101、过滤器102、光电探测器103、圆弧形可调底座104(第二可调底座)和控制器11，其中光阑101、过滤器102和光电探测器103构成测量组件置于圆弧形可调底座104上，且控制器11与圆弧形可调底座104连接，以便通过控制圆弧形可调底座104上测量组件的位置实现对任意偏振态待测光束的脉冲测量。

具体地，当待测光束为脉冲中心波长为1053nm，脉冲宽度约为1fs，能量约为1mj，光束口径约为1mm×1mm；待测光束被分束部件的分束镜1分成能量为1；1的反射光15(第一光束)和透射光16(第二光束)，透射光16经反射镜2被反射到分束镜7上；反射光15经反射镜3反射至第一可调部件4内，被反射镜41、反射镜42、反射镜43与反射镜44改变反射光15的光程即反射光15相对于透射光16产生的相位延，而且调节器5可以通过控制第一可调底座的位移精确地控制反射光15在第一可调部件4内的光程。

反射光15(第一光束)和透射光16(第二光束)在分束镜7上均被分成沿水平方向18(第一方向)和竖直方向17(第二方向)传播的反射光和透射光，其中沿竖直方向传播的反射光和透射光入射至光路校准部件6进行光路校准，以便同步及时调整光路；沿水平方向传播的反射光和透射光入射至透镜8，经透镜8聚焦后入射至旋转部件内的放置在旋转支架13上的偏磷酸钡晶体9上(其中，可以通过旋转部件内的偏磷酸钡晶体9的晶轴，使入射的反射光和透射光沿与晶轴垂直的方向入射)，以使入射的反射光和透射光发生倍频效应，以产生色散现象；经旋转部件产生的不同频率的倍频光经光阑101的过滤与滤波器102衰减后，被探测器103所探测，而且控制器11可以通过控制圆弧形可调底座104的位置实现对任意偏振态待测光束的脉冲宽度检测，调节器5、控制器11和光电探测器103分别将检测到的待测光束的自相关信号反馈给处理器12，处理器12根据接收的所述自相关信号，输出被测激光光束的脉冲宽度。

1)当待测光束的脉冲为竖直线偏振方向时，拨动旋转支架13使偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴处于竖直方向。从透镜8聚焦后的反射光束与透射光束以约30°的夹角沿水平方向18(第一方向)入射到偏磷酸钡晶体(bbo)9上，产生的倍频光束沿与偏磷酸钡晶体(bbo)9表面垂直的方向输出，通过调节延时组件使最亮光斑处于倍频光束的中央位置，此时光电探测器103记录的倍频光即为自相关信号。

2)当待测光束的脉冲为水平线偏振方向，拨动旋转支架13使偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴处于竖直方向。从透镜8聚焦后的反射光束与透射光束以约30°的夹角沿水平方向18(第一方向)入射到偏磷酸钡晶体(bbo)9上，产生的倍频光束沿与偏磷酸钡晶体(bbo)9表面垂直的方向输出，通过调节延时组件使最亮光斑处于倍频光束的中央位置，此时光电探测器103记录的倍频光即为自相关信号。

3)当待测光束的脉冲为任意方向线偏振方向，拨动旋转支架13使偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴，使偏磷酸钡晶体(bbo)9输出的倍频光束最强，保持偏磷酸钡晶体(bbo)9的晶轴方向不变，调整调节延时组件使最亮光斑处于倍频光束的中央位置，此时光电探测器103记录的倍频光即为自相关信号。

以上所述实施例1中由楔形棱镜构成的延时器以及实施例2中由多干个反射镜构成延时器可以相互替代，替代后的激光脉冲测量装置依然可以实现对超快激光脉冲宽度的测量，在此不做举例与限定，且实施例1和实施例2中的滤波器102可进一步选为可变滤波器。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。