專利名稱：轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種主要用于測量超短激光脈沖寬度(10-14～10-12秒)的轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀。
由于電子探測技術(shù)的時間極限分辯率，目前一般制約在1皮秒(10-12秒)左右，人們只能用光學(xué)方法來測量飛秒量級(10-15～10-13秒)的激光脈寬。多年來，測量皮秒量級(10-12～10-10秒)或飛秒量級激光脈寬的主要方法有二次諧波相關(guān)法。根據(jù)該方法制作的儀器稱為自相關(guān)測量儀。
目前，這種儀器大多處于實驗室階段，而且某些局部結(jié)構(gòu)不太合理或過于復(fù)雜，儀器調(diào)試?yán)щy，使用步驟繁瑣，可重復(fù)性差。并且往往用一些散件拼湊起來，沒有成為一個真正意義上的儀器。
自相關(guān)測量儀中比較重要的部分是一個可引起光程變化的部件。在一般的自相關(guān)測量儀中，該部件由裝在沿光線方向前后振動的喇叭上或步進(jìn)電機(jī)帶動的可前后位移的機(jī)構(gòu)上的全反射鏡實現(xiàn)的。由于喇叭振動位移極小，相應(yīng)光程掃描范圍小，從而儀器調(diào)試?yán)щy。而且喇叭振動是非線性的，給測量結(jié)果帶來誤差。用步進(jìn)電機(jī)帶動的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且步進(jìn)電機(jī)來回位移頻率較小，不能實時監(jiān)測。
本實用新型的目的是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀，以達(dá)到調(diào)試方便快速，運行穩(wěn)定，可重復(fù)性好，適用范圍廣，抗干擾能力強，可實時檢測等要求。
本實用新型測量光脈沖寬度的基本光路依著光束前進(jìn)方向依次是將待測光脈沖輸進(jìn)自相關(guān)測量儀透光光闌24，經(jīng)過半反鏡6將光脈沖分成兩束強度相同的光脈沖，分別通過不同的光路。其中一路由半反鏡6反射后，再經(jīng)過全反鏡M5、M3、M4一系列反射后沿原光路返回到半反鏡6，此時有50％的光透過半反鏡6到透鏡7。為敘述方便起見，將該光脈沖稱為R光脈沖，R光脈沖從半反鏡6到透鏡7所經(jīng)過的光程稱為光程R。待測光脈沖另一路透過半反鏡6后，再經(jīng)過全反鏡M2及全反鏡M1后也回到半反鏡6(可能不是原路返回)，到達(dá)半反鏡6后50％反射到透鏡7上。同樣為敘述方便起見，將該光脈沖稱為T光脈沖，T光脈沖從半反鏡6到透鏡7所經(jīng)過的光程稱為光程T。經(jīng)過透鏡7聚焦，兩光脈沖在透鏡7焦點處相交，在此處放一倍頻晶體8，如果光程T和R非常接近，光脈沖在時間上有重疊，則在倍頻晶體8內(nèi)相互作用產(chǎn)生諧波信號，經(jīng)過光電倍增管9將光脈沖轉(zhuǎn)換成放大的電信號，接到示波器上即可觀測到諧波信號，如圖1所示。由于全反鏡M3、M5是裝在一個由電機(jī)20驅(qū)動的轉(zhuǎn)鏡板29上。隨著電機(jī)20的轉(zhuǎn)動，光程R是隨著時間變化的。正是由于光程R的變化，使得光脈沖T和R有不同的重疊，產(chǎn)生不同強度的諧波信號，再利用光程R與時間的關(guān)系，就可得到諧波信號與時間的曲線，從而得到諧波信號寬度，再乘以一個與光脈沖形狀有關(guān)的系數(shù)，就得到了光脈沖寬度，即光脈沖寬度DL＝ADX，其中A為一個與脈沖形狀有關(guān)的常數(shù)，DX為測得的諧波信號寬度。
本實用新型的總體結(jié)構(gòu)見圖2，是個光機(jī)電一體化的儀器。在一個不易變形的密閉的金屬外殼18的底板13上固定有光闌座23上裝有透光光闌24，調(diào)整架25裝有半反鏡6，調(diào)整架14裝有全反鏡M2，調(diào)整架11裝有全反鏡M1，調(diào)整架17裝有全反鏡M4，轉(zhuǎn)鏡22含有全反鏡M3、M5，帶有電機(jī)20的轉(zhuǎn)鏡板29，在晶體透鏡座12上裝有倍頻晶體8和透鏡7，光電倍增管9裝在光電倍增管筒10內(nèi)，時間延遲觸發(fā)器含有光電開關(guān)16和延遲電路19，觸發(fā)器的觸發(fā)信號耦合到轉(zhuǎn)鏡22上，以提供示波器所需要的同步觸發(fā)信號。觸發(fā)器的同步觸發(fā)信號插座27，光電倍增管9輸出的諧波信號插座28，連接于延遲電路19的時間延遲旋鈕21，千分桿26和其它插座、開關(guān)等則安置在外殼18的面板上光脈沖是通過透光光闌24進(jìn)入自相關(guān)測量儀的?？梢愿鼡Q不同大小的透光光闌24。由于光闌座23的特殊結(jié)構(gòu)，總能保持透光光闌24在所需的固定位置上。在放置自相關(guān)測量儀時，需要調(diào)整自相關(guān)測量儀的位置，使待測光束垂直于自相關(guān)測量儀上帶有透光光闌24的面板而入射到透光光闌24內(nèi)。因而透光光闌24起到了衰減光強和對自相關(guān)測量儀定位的雙重功能。
光束到達(dá)半反鏡6后，50％反射到轉(zhuǎn)鏡22上。全反鏡M3和M5二反射面相對平行固定在轉(zhuǎn)鏡板29上，而轉(zhuǎn)鏡板29固定在一個電機(jī)20上。打開電機(jī)20開關(guān)，二全反鏡M3、M5即在光路中轉(zhuǎn)動。先使電機(jī)20停止運轉(zhuǎn)，而且二全反鏡M3、M5都處在光路之中，調(diào)節(jié)全反鏡M4，使光脈沖原路返回，那么電機(jī)20轉(zhuǎn)起來之后，只要二全反鏡M3、M5轉(zhuǎn)動到都處于光路之中，那么光脈沖都能原光路返回，并且光程R幾乎隨時間作線性變化。當(dāng)全反鏡M3、M5的兩反射面中心距離為76毫米，M3、M5有效直徑為25毫米，那么光程R掃描范圍為35毫米，光程隨時間變化的非線性度僅為7％。這樣大的光程變化范圍，給儀器調(diào)試帶來極大方便。因為調(diào)試自相關(guān)測量儀的一個重要步驟是調(diào)節(jié)全反鏡M1使光程T處在光程R的掃描范圍之中。因此要改變?nèi)寸RM1沿光線方向的前后位置以滿足上述要求。對有轉(zhuǎn)鏡22的自相關(guān)測量儀，轉(zhuǎn)鏡22上的兩全反鏡M3和M5要放置得非常平行，否則測量難以進(jìn)行。通常M3和M5二者之間的平行度控制在10″以內(nèi)。
透過半反鏡6的光束經(jīng)過全反鏡M2反射到全反鏡M1上，光束也將返回。
兩光脈沖返回到半反鏡6后各有50％到達(dá)透鏡7上，經(jīng)過聚焦后在倍頻晶體8內(nèi)相互作用。透鏡7與倍頻晶體8裝在晶體透鏡座12上。透鏡7和倍頻晶體8之間距離可調(diào)，使倍頻晶體8在透鏡7焦點處。調(diào)節(jié)控制倍頻晶體8的千分桿26可使倍頻晶體8水平偏轉(zhuǎn)，以達(dá)到兩光脈沖相互作用產(chǎn)生諧波所需的位相匹配條件。
本實用新型中的全反鏡M1可以是直角全反鏡(如圖1)，也可以是平板全反鏡。如果是直角全反鏡，透過半反鏡6的光束經(jīng)過全反鏡M2反射到直角全反鏡M1上，光束反方向返回但產(chǎn)生一定位移。在光電倍增管筒10前面開一小孔光闌，僅讓兩光脈沖相互作用產(chǎn)生的倍頻信號進(jìn)入光電倍增管筒10內(nèi)，而兩光脈沖的自倍頻信號無法進(jìn)入(參考圖1)，這樣就可測量無背景的諧波信號。
如果全反鏡M1是一平板全反鏡，那么透過半反鏡6的光脈沖也將原路返回，光脈沖T和R共線進(jìn)入透鏡7，這種結(jié)構(gòu)也可測量脈寬。由于自倍頻信號與相互作用產(chǎn)生的信號無法分開，因此這種測量是有背景的，背景即為自倍頻信號。
為觀測示波器上的信號，在轉(zhuǎn)鏡22處安置有時間延遲觸發(fā)器。在轉(zhuǎn)鏡板29下安裝一遮擋光闌15，遮擋光闌15控制著光電開關(guān)16。隨著電機(jī)20的轉(zhuǎn)動，當(dāng)遮擋光闌通過光電開關(guān)16的槽時，光電開關(guān)16立即產(chǎn)生一個脈沖。光電開關(guān)16產(chǎn)生的脈沖半高寬在幾十納秒以內(nèi)，該脈沖再經(jīng)過一個延遲電路19，就可觸發(fā)示波器。電路延遲時間從100納秒～1毫秒連續(xù)可調(diào)，觸發(fā)脈沖高度為4伏。
由于是測量超短光脈沖，光脈沖經(jīng)過晶體或玻璃會引起色散而導(dǎo)致光脈沖展寬。因此在設(shè)計時，半反鏡6、倍頻晶體8，透鏡7都應(yīng)該盡可能地薄以減少色散。
讓激光進(jìn)入自相關(guān)測量儀的透光光闌24之前通過一倍頻晶體，倍頻晶體也可以直接放在透光光闌24上。光脈沖通過倍頻晶體后部分被倍頻，同時在光脈沖T所經(jīng)過的光路(如半反鏡6和全反鏡M2之間)和光脈沖R所經(jīng)過的光路(如半反鏡6和轉(zhuǎn)鏡22之間)中分別加入不同的濾光片，一路濾掉倍頻光，一路濾掉基頻光，這樣就可使得激光的基頻光與倍頻光相互作用產(chǎn)生三次諧波。對三次諧波進(jìn)行分析就可得到信噪比。
測信噪比時，除了要加一塊新的倍頻晶體之外，倍頻晶體8要換成滿足三次相關(guān)位相匹配要求的晶體，另外光電倍增管9需換成對紫外光有響應(yīng)的管子。如測低重復(fù)頻率脈沖信噪比，轉(zhuǎn)鏡22須固定不動，而全反鏡M1須裝一個調(diào)節(jié)精度在1微米以下的絲桿，使其沿光路前后移動，最大調(diào)節(jié)范圍在零點幾毫米。
本實用新型主要有以下優(yōu)點1)整體設(shè)計是合理的。由于采用了上述結(jié)構(gòu)，全部組件構(gòu)成一體化的測量儀，結(jié)構(gòu)簡單而緊湊。
2)有金屬外殼，對環(huán)境要求低。抗震，抗電磁波、雜散光(如照明燈光等)的能力強。
3)使用方便，測量簡單快速，可重復(fù)性好，可用于激光器的實時檢測。
4)由于采用了轉(zhuǎn)鏡22，其掃描范圍大，測量范圍廣，可對脈寬為幾十飛秒到幾十皮秒光脈沖的各種超短激光器進(jìn)行測量。而一般使用喇叭的自相關(guān)測量儀只能測量幾十飛秒到小于10皮秒之間的激光脈沖。
5)信號無本底，測試結(jié)果誤差小。
6)儀器色散小，可精確測量幾十飛秒光脈沖。


圖1是本實用新型″轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀″的光路示意圖。
圖2是本實用新型的整體平面示意圖。
圖3是利用本實用新型實施例中測得的二次諧波相關(guān)信號曲線，圖中橫坐標(biāo)t為時間，縱坐標(biāo)I為諧波信號強度。
實施例如圖1、圖2所示的轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀，用來測量從波長為700～1100納米的高重復(fù)頻率鈦寶石激光脈沖寬度，脈寬測量范圍希望能達(dá)到20飛秒～幾十皮秒。
采用的光電倍增管9型號為GDB-223，光譜響應(yīng)范圍為300～670納米。光電倍增管9采用具有去耦電容的電阻分壓電路。光電開關(guān)型號是GDJ125-AH010W1B。
全反鏡M1采用直角全反鏡，倍頻晶體8采用LBO晶體。為減小反射和防止潮解，LBO晶體兩面鍍有增透膜和保護(hù)膜。晶體被切割成滿足一類位相匹配條件。
首先，激光脈沖經(jīng)過一個1/2波片，使激光垂直偏振。前面提到的脈沖T和R經(jīng)過透鏡7后相交成9.5°入射到LBO晶體上。LBO晶體厚度為1毫米，水平偏轉(zhuǎn)LBO晶體，使其滿足位相匹配。在光電倍增管筒10前開一小孔光闌，僅讓二脈沖相互作用的二次諧波相關(guān)信號進(jìn)入，脈沖自倍頻信號則被擋在筒外，這樣示波器上就得到相對時間的無背景的二次諧波相關(guān)信號曲線(信號曲線見圖3)。該曲線半高寬為15.849微秒。我們使用的示波器頻寬600MHz，取樣頻率5G。
根據(jù)轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀測得的具體數(shù)據(jù)可得，激光脈沖的諧波相關(guān)信號半高寬DX為315.4飛秒。根據(jù)對脈沖形狀的判斷，A＝0.648，從而得到了激光脈沖寬度(半高寬)DL＝ADX＝204.4飛秒。
權(quán)利要求1.一種轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀，含有調(diào)整架(11)、(14)、(17)、(25)，半反射鏡(6)和全反射鏡(1)、(2)、(4)，其特征在于具體結(jié)構(gòu)是在一金屬外殼(18)的底板(13)上，沿著光束前進(jìn)方向依次固定有裝于光闌座(23)上的透光光闌(24)，裝于調(diào)整架(25)上的半反鏡(6)沿著半反鏡(6)反射光前進(jìn)的R光路上依次裝有轉(zhuǎn)鏡(22)和置于調(diào)整架(17)上的全反鏡M(4)；沿著半反鏡(6)透射光的T光路上裝有置于調(diào)整架(14)上的全反鏡M(2)和置于調(diào)整架(11)上的全反鏡M(1)；沿著半反射鏡(6)反射和透射光前進(jìn)的T和R光路上依次裝有置于晶體透鏡座(12)上的透鏡(7)和倍頻晶體(8)以及置于光電倍增管筒(10)內(nèi)的光電倍增管(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自相關(guān)測量儀，其特征在于構(gòu)成轉(zhuǎn)鏡(22)的是兩反射面相對平行地固定于帶有電機(jī)(20)的轉(zhuǎn)鏡板(29)上的全反鏡M(5)和M(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的自相關(guān)測量儀，其特征在于裝于轉(zhuǎn)鏡(22)處的有構(gòu)成時間延遲觸發(fā)器的光電開關(guān)(16)和延遲電路(19)，光電開關(guān)(16)是由裝于轉(zhuǎn)鏡板(29)下的遮擋光闌(15)來控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自相關(guān)測量儀，其特征在于裝在調(diào)整架(11)上的全反鏡M(1)是直角全反鏡，或者是平板全反鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的自相關(guān)測量儀，其特征在于裝在調(diào)整架(11)上的全反鏡M(1)是直角全反鏡，或者是平板全反鏡。
專利摘要本實用新型是用于測量超短激光脈沖寬度的轉(zhuǎn)鏡式自相關(guān)測量儀。在金屬外殼內(nèi),由一半反鏡將待測光脈沖分成強度相同的兩路光;一路由半反鏡反射的R光束經(jīng)過一轉(zhuǎn)鏡和全反鏡原光路返回到半反鏡,另一路由半反鏡透過的T光束經(jīng)過兩全反鏡也返回到半反鏡。兩路光都經(jīng)過半反鏡后再經(jīng)一透鏡聚焦于倍頻晶體上。由光電倍增管接受倍頻晶體上產(chǎn)生的諧波相關(guān)信號送到示波器上。本新型具有抗電磁波、抗雜散光,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,使用方便,可重復(fù)性好,可實時檢測等優(yōu)點。
文檔編號G01J11/00GK2275714SQ9524670
公開日1998年3月4日 申請日期1995年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月21日
發(fā)明者吳建光, 姚勁松, 徐冰, 張正泉, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所