一种超短脉冲激光延时测量装置及方法

1.本发明涉及激光的测量技术，尤其涉及一种超短脉冲激光延时测量装置及方法。


背景技术：

2.随着超强超短激光技术的发展，对激光器输出功率提出了更高的要求，使其为强场物理、凝聚态物理、化学以及生物医学等学科提供更为先进的研究手段。激光相干组束技术是实现更高功率输出的有效途径之一，如何对多束激光脉冲的延时进行测量及标定是一个十分重要且具有挑战性的研究工作。
3.对于多束超短脉冲激光，通常使用平衡光学互相关法(boc)进行延时测量和同步，并且在国际上得到很好的验证。但是在激光相干组束中，各个激光脉冲间的延时在零延时位置才能获得最大的相干组束效率，另外需要同步各个激光脉冲间的相对延时才能获得稳定的相干组束效率。上述测量方法由于受到测量原理的限制，各个激光脉冲间需存在固定的延时差才能实现平衡光学探测，因而无法实现对各个脉冲间零延时位置的标定。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术在对多束激光脉冲进行延时测量时，无法标定零延时位置的技术问题，而提供一种超短脉冲激光延时测量装置及方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
6.一种超短脉冲激光延时测量装置，其特征在于：包括第一分束片、待测激光光路单元、参考激光光路单元、第二分束片以及测量单元；
7.平行入射的第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光水平入射至第一分束片；
8.所述待测激光光路单元包括依次设置在第一分束片反射光路中的第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜；
9.所述参考激光光路单元包括依次设置在第一分束片透射光路中的第四反射镜、延时线、第五反射镜、扩束系统以及第六反射镜；
10.所述第二分束片设置在待测激光光路单元和参考激光光路单元的出射光路上；
11.所述测量单元包括设置在第二分束片出射光路上的光谱调制片以及设置在光谱调制片出射光路上的测量相机；
12.所述第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光经第一分束片分束，将两束反射光束定义为第一待测激光和第二待测激光，将其中一束透射光束定义为参考激光；
13.所述第一待测激光和第二待测激光分别依次通过第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜反射，后经第二分束片反射，光谱调制片透射后入射至测量相机；
14.所述参考激光通过第四反射镜、延时线以及第五反射镜反射，后经扩束系统扩束，第六反射镜反射，第二分束片和光谱调制片透射，入射至测量相机中。
15.进一步地，所述第一分束片为低群延时色散、厚度小于4mm的窗口片。
16.进一步地，所述延时线包括平移台、驱动平移台移动的驱动器以及平移台上两块
呈90
°
放置的反射镜。
17.进一步地，所述驱动器为压电驱动器。
18.进一步地，所述光谱调制片为陷波滤波片。
19.进一步地，还包括光学垃圾桶，用于吸收第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光经第一分束片分束后的另一束透射光束。
20.本发明还提供一种超短脉冲激光延时测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
21.1)获得参考激光、第一待测激光和第二待测激光
22.第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光通过第一分束片进行能量分束，其反射光路上获得相应的第一待测激光和第二待测激光，透射光路上获得与第一待测激光或第二待测激光相应的一束参考激光；
23.2)参考激光、第一待测激光以及第二待测激光在测量相机上叠加
24.2.1)参考激光通过扩束系统进行扩束处理，使参考激光的光斑口径大于第一待测激光和第二待测激光的光斑间距；
25.2.2)第一待测激光和第二待测激光分别通过光谱调制片调制后垂直入射至测量相机；对经扩束的参考激光传输平面进行调整，使其高于或低于第一待测激光和第二待测激光的传输平面，并与第一待测激光和第二待测激光的传输平面保持一定夹角通过光谱调制片调制后入射至测量相机，使参考激光的光斑分别与第一待测激光和第二待测激光的光斑在测量相机上重合叠加；
26.3)对参考激光进行延时处理
27.通过调整延时线对参考激光进行延时处理，直至测量相机上出现第一待测激光和第二待测激光的近场干涉图样；
28.4)获得第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光的脉冲延时差
29.标定与参考激光相应的第一待测激光或第二待测激光的近场干涉图样为脉冲零延时位置，通过对比第一待测激光和第二待测激光的近场干涉图样得到它们之间的延时信息，从而获得脉冲延时差；
30.5)获得多束超短脉冲激光的脉冲延时差
31.选择多束超短脉冲激光中的任意两束，重复步骤1)-步骤4)，测量和标定它们的脉冲零延时位置，获得脉冲延时差。
32.进一步地，步骤2.3)中，通过调整第五反射镜或第六反射镜对参考激光的传输平面进行调整。
33.进一步地，步骤2.3)中，所述参考激光传输平面与第一待测激光和第二待测激光的传输平面之间的夹角为1-3
°
。
34.进一步地，步骤3)中，所述调整延时线是通过压电控制器控制平移台移动实现的。
35.本发明相比于现有技术的有益效果是：
36.1、本发明提供的一种超短脉冲激光延时测量装置，在第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光的入射光路上设置第一分束片用于获得参考激光、第一待测激光以及第二待测激光；在参考激光光路上设置延时线对参考激光进行延时调整；在参考激光、第一待测激光和第二待测激光的传输光路上设置光谱调制片对三束激光分别进行光谱调制，后入射到测量相机进行测量；本装置的构造简单，容易调节，且调制后的近场干涉图样上的干涉条纹的
移动和变化比较清晰，易于观察和测量。
37.2、本发明提供的一种超短脉冲激光延时测量装置，第一分束片选用低群延时色散、厚度小于4mm的窗口片，减少了待测激光参数受透射光学元件的影响。
38.3、本发明提供的一种超短脉冲激光延时测量装置，延时线包括平移台、驱动平移台移动的驱动器以及平移台上两块呈90
°
放置的反射镜，可以通过驱动器驱动平移台移动来调整参考激光的延时信息，方便简单，易于调节。
39.4、本发明提供的一种超短脉冲激光延时测量装置，延时线的平移台控制器设置为压电控制器，可以更为精细的控制平移台对延时线进行延时处理，从而提高第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光延时差的测量精度。
40.5、本发明提供的一种超短脉冲激光延时测量方法，通过第一分束片获得参考激光、第一待测激光和第二待测激光，再通过光谱调制片对参考激光、第一待测激光以及第二待测激光进行光谱调制，调制后的近场干涉图样可以清晰的观察到干涉条纹的移动和变化，最终实现第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光零延时位置的测量与标定，获得脉冲延时差，弥补了现有技术的不足。
41.6、本发明提供的一种超短脉冲激光延时测量方法，利用光谱调制片对参考激光、第一待测激光以及第二待测激光进行光谱调制，未引入与待测超短脉冲激光延时测量无关的参数，降低了延时测量的误差。
附图说明
42.图1为本发明一种超短脉冲激光延时测量装置实施例的结构示意图；
43.图2为本发明测量方法中步骤2.3)的路径图；
44.图3为本发明实施例中光谱调制片调制前后激光光谱对比图；
45.图4为本发明测量方法步骤4)中零延时位置的近场干涉图样对比图；
46.图5为本发明测量方法步骤4)中非零延时位置的近场干涉图样对比图；其中，(a)为第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2延时差为5fs时的近场干涉图样对比图，(b)为第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2延时差为10fs时的近场干涉图样对比图，(c)为第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2延时差为15fs时的近场干涉图样对比图。
47.具体附图标记如下：
48.1-第一超短脉冲激光，2-第二超短脉冲激光，3-第一分束片，4-第一反射镜，5-第二反射镜，6-第三反射镜，7-第二分束片，8-光谱调制片，9-测量相机，10-光学垃圾桶，11-第四反射镜，12-延时线，13-第五反射镜，14-扩束系统，15-第六反射镜。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。另外，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.如图1所示，一种超短脉冲激光延时测量装置，包括第一分束片3、待测激光光路单元、参考激光光路单元、第二分束片7、测量单元以及光学垃圾桶10。第一分束片3为低群延
时色散、厚度小于4mm、分束比为50:50的窗口片；平行入射的第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2水平入射至第一分束片3；待测激光光路单元包括依次设置在第一分束片3反射光路中的第一反射镜4、第二反射镜5以及第三反射镜6；参考激光光路单元包括依次设置在第一分束片3透射光路中的第四反射镜11、延时线12、第五反射镜13、扩束系统14以及第六反射镜15；延时线12由平移台、驱动平移台移动的压电驱动器以及平移台上两块呈90
°
放置的反射镜组成，其精度为10nm，可以更为精细的控制平移台对延时线进行延时处理，从而提高第一超短脉冲激光和第二超短脉冲激光延时差的测量精度。第二分束片7设置在待测激光光路单元和参考激光光路单元的出射光路上。测量单元包括设置在第二分束片7出射光路上的光谱调制片8以及设置在光谱调制片8出射光路上的测量相机9，其中光谱调制片8为陷波滤波片，激光脉冲时域和频域(光谱)分布遵循傅里叶变换关系，因此利用光谱调制片调制激光光谱，如图3所示，其对应的脉冲波形会发生改变。当两束激光在近场发生叠加时，激光脉冲波形和近场干涉图样存在联系，特定的光谱形状会产生特殊的近场干涉图样分布，调制后的光谱会产生如图4所示的近场干涉图样，更有利于激光脉冲延时差的测量与标定。光学垃圾桶10用于吸收第一超短脉冲激光1经过第一分束片3的透射光路。
51.第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2经第一分束片3分束，将两束反射光束定义为第一待测激光和第二待测激光，将第二超短脉冲激光2的透射光束定义为参考激光；第一待测激光和第二待测激光分别依次通过第一反射镜4、第二反射镜5以及第三反射镜6反射，后经第二分束片7反射，光谱调制片8透射后入射至测量相机9；参考激光通过第四反射镜11、延时线12以及第五反射镜13反射，后经扩束系统14扩束，第六反射镜15反射，第二分束片7和光谱调制片8透射，入射至测量相机9中。
52.本实施例一种超短脉冲激光的延时测量方法，具体包括以下步骤：
53.1)获得参考激光、第一待测激光和第二待测激光
54.第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2通过第一分束片3进行能量分束，其反射光路上获得相应的第一待测激光和第二待测激光，透射光路上获得第二待测激光的参考激光；
55.2)参考激光、第一待测激光以及第二待测激光在测量相机9上叠加
56.2.1)参考激光通过扩束系统14进行扩束处理，使参考激光的光斑口径大于第一待测激光和第二待测激光的光斑间距；
57.2.2)第一待测激光和第二待测激光分别通过光谱调制片8调制后垂直入射至测量相机9；通过调整第五反射镜13或第六反射镜15的俯仰角对经扩束的参考激光的传输平面进行调整，如图2所示，使参考激光传输平面略高于第一待激光和第二待测激光的传输平面，并与第一待激光和第二待测激光的传输平面之间保持1.5
°
的夹角通过光谱调制片8调制后入射至测量相机9，使参考激光的光斑分别与第一待测激光和第二待测激光的光斑在测量相机9上重合叠加；
58.3)对参考激光进行延时处理
59.压电控制器通过精确控制平移台移动，带动控制两块呈90
°
安装在平移台上的反射镜平移，从而对参考激光进行延时处理，直至测量相机9上出现第一待测激光和第二待测激光的近场干涉图样；
60.4)获得第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2的脉冲延时差
61.标定第二待测激光的近场干涉图样为脉冲零延时位置，当测量相机9上获得如图4所示的参考激光和第一待测激光以及参考激光和第二待测激光的干涉图样，如果参考激光和第一待测激光的干涉图样的中间干涉条纹强度大于两侧干涉条纹强度，且两侧干涉条纹分布、强度相同，这是设置光谱调制片后才能出现的干涉图样分布；此时第一待测激光与参考激光的延时差为0fs，即第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2之间的延时差为0fs。
62.如图5所示，当第一待测激光与参考激光的延时差发生改变，第一待测激光和参考激光叠加的干涉图样就会改变，其中间和两侧干涉条纹整体右移，且左侧干涉条纹强度大于右侧，此时测量干涉条纹的移动量δ，根据公式τ＝δλ/dc，其中τ为延时差，λ为波长，d为干涉条纹周期，c为光速，可以计算出第一待测激光与参考激光之间的延时差。图5(a)中干涉条纹移动量δ为57μm，计算可得第一待测激光与参考激光之间的延时差为5fs，此时第二待测激光与参考激光之间的延时差为0fs，所以可以得知第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2之间的延时差为5fs；同样的，通过测量图5(b)、图5(c)中的干涉条纹移动量δ，再通过公式τ＝δλ/dc计算出第一待测激光与参考激光之间的延时差，最终得知第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2之间的延时差为10fs和15fs；以此类推，通过测量相机9上的干涉图样可以获得第一超短脉冲激光1和第二超短脉冲激光2之间的延时差。
63.5)获得多束超短脉冲激光的脉冲延时差
64.选择多束超短脉冲激光中的任意两束，重复步骤1)-步骤4)，测量和标定它们的脉冲零延时位置，获得脉冲延时差。
65.以上对本发明实施例所提供的一种超短激光脉冲延时测量装置及其方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。