一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明具体涉及一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪。
【背景技术】
[0002]紫外超短脉冲激光是光与物质相互作用研究领域的有力工具，对该激光脉宽的准确测量具有重要的意义。高功率紫外超短脉冲激光的脉冲发射频率较低，要求脉冲源只发射一个脉冲就必须完成脉宽的测量。
[0003]自相关法是测量超短脉冲激光脉宽的基本方法，它的基本原理是对来自同一光源的两束光引入一定的时间延迟，然后将两束光入射到非线性介质中，由于非线性光学效应，将产生与时间延迟相关的信号光，测量信号光强度随时间延迟的变化就可以从中得到脉宽
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[0004]单次自相关法是通过两束光的波前以一定的夹角在非线性介质中相交的方式获得随空间位置变化的时间延迟，记录信号光强度的空间分布即可获得脉宽信息。
[0005]基于自相关原理、且能设计成单次测量的方法有双光子荧光法、互相关频率转换法、自衍射法、频率分辨光学开关法(FROG)等。在这些方法中，双光子荧光法通过测量两延迟脉冲所激发的荧光强度来获得脉宽，信号中具有较强的荧光本底，测量的灵敏度较低；互相关频率转换法通过测量两延迟脉冲在非线性晶体中产生的和频光强度来获得脉宽，它受制于非线性晶体的透过波段，比如常见的KDP、BB0等晶体的截止波长在200nm左右，限制了可测量的波长范围；自衍射法通过测量两延迟脉冲在非线性介质中干涉形成的感应光栅对自身的衍射光强度来获得脉宽，但它需要较小的光束夹角以维持较小的相位失配量，限制了单次方式可测量的时间范围；FR0G法通过记录激光在时间-频率域的二维强度谱图，然后对谱图进行多次迭代运算以还原出脉冲的电场、光谱、脉宽、相位等信息，但此过程耗时较长，不能实时测量。
【发明内容】
[0006]本发明采用瞬态光栅衍射法设计了一种紫外单次自相关仪，旨在解决以上在测量紫外超短脉冲激光脉宽过程中所遇到的问题，即:
[0007](I)双光子荧光法具有信号本底、灵敏度低；
[0008](2)互相法频率转换法受制于非线性晶体的透过波段，限制了可测量的波长范围；
[0009](3)自衍射法受相位失配的影响，限制了可测量的时间范围；
[0010](4) FROG法需要耗时较长的迭代运算，不能实时测量等。
[0011]瞬态光栅衍射法是一种基于三阶非线性光学效应的简并四波混频过程。本发明提供一种瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪，该自相关仪包含分束板、柱透镜、平移台、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、非线性介质、凸透镜、挡光板、线阵CCD、计算机。所述分束板是指在一块平板上挖出三个相同的正方形孔，三个孔心位于一个正方形的三个顶点上，将平行入射到其上的待测激光分成横截面为正方形的三束激光；所述柱透镜将三束激光在所述非线性介质中进行线聚焦；所述平移台带有精密位移螺旋调节；所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜为方形镜；所述第一反射镜、第二反射镜安装在所述平移台上，且法线相互垂直，且与所述平移台组成一个时间延迟线，可对入射到其中的一束激光的光程进行调节，其中第二反射镜将该束激光反射到所述非线性介质中；所述第三反射镜与第一反射镜边缘紧靠、且两镜面法线相互平行；所述第四反射镜与第二反射镜边缘紧靠，且两镜面法线具有一定的夹角，所述第四反射镜将另外两束始终保持时间同步的激光入射到所述非线性介质中，三束激光的横截面在非线性介质中重合；所述非线性介质为透紫外光的熔石英薄片；所述凸透镜将非线性介质上的焦线成像在所述的线阵CCD上；所述挡光板将从非线性介质出射的所述原三束激光挡住，仅让从非线性介质中新产生的信号光通过；所述线阵CCD用来接收信号光；所述计算机配有信号光采集程序。
[0012]从所述第二反射镜反射的第一束激光与从所述第四反射镜反射的、且与第一束激光等高平行的第二束激光以一定的夹角在所述非线性介质中相交，且光束的焦线重合，沿着焦线的不同位置，两束激光波前上的脉冲具有不同的时间延迟，当它们的脉冲时间和光束横截面在非线性介质上都重叠时，两束激光相互干涉，形成光强周期性分布的干涉条纹，由于三阶非线性效应，介质的折射率的大小与光强成正比，于是形成了折射率周期性分布的瞬态光栅，该光栅只有激光脉冲到达非线性介质的瞬间存在，并对从第四反射镜反射的第三束激光进行衍射，采集衍射光强度的空间分布，即单次自相关曲线。
[0013]获得单次自相关曲线之后，需要对CCD像素进行标定，采用的标定方法是平移所述第一反射镜、第二反射镜、平移台组成的时间延迟线，则自相关曲线将在线阵CCD上同步整体平移，记录时间延迟线与自相关曲线峰值像素之间的对应关系，即可获得线阵CCD每像素代表的时间延迟，从而可从自相关曲线获得脉冲宽度。
[0014]本发明具有如下有益效果:
[0015]本发明的主要功能是对紫外超短脉冲激光进行脉宽测量和波形分析，它具有以下特点:首先，可对单次发射的脉冲进行测量；其次，可分辨波形结构复杂的脉冲；第三，可对脉冲进行实时测量。
[0016]本发明的设计方案解决了上述其他测量方法中遇到的问题:
[0017](I)该方案采用的是三阶非线性过程，获得的自相关曲线是非对称性的，没有固有的本底，信噪比较高，克服了双光子荧光法的局限；
[0018](2)该方案基于简并四波混频过程，衍射光的波长与三束入射光的波长一致，适用波段可扩展到非线性晶体的截止波长，克服了互相关频率转换法的局限；
[0019](3)该方案中的衍射光与三束入射光的光束中心组成一个正方形，衍射光与三束入射光在非线性介质中达到自动相位匹配，克服了自衍射法的局限；
[0020](4)该方案直接采用线阵CXD获得衍射光随空间的分布，不需要迭代运算的过程，因而可以对脉宽进行实时测量。
[0021]该方案在操作上简单易行，这体现在由所述第一反射镜、第二反射镜、平移台组成的时间延迟线，实现了如下三个功能:一是在安装仪器的过程中，调节该时间延迟线，使信号光较容易出现；二是通过平移台自带的精密空间位移螺旋即可对线阵CCD的像素-时间关系进行标定；三是当仪器失调、信号消失时，可以通过调节该时间延迟线使信号重现。
[0022]该方案在材料的使用上节省了成本，主要体现在:首先，该方案没有使用双光子荧光法中昂贵的真空系统；其次，该方案没有使用互相关频率转换法中昂贵的非线性晶体，而是使用廉价的熔石英薄片；再次，该方案没有使用FROG法中昂贵的成像光谱仪，而是使用廉价的线阵CCD采集信号。
[0023]该方案的应用范围体现在:可以在超短脉冲激光实验室为激光器的优化调节提供现场的反馈、以及在激光与物质相互作用的研究过程中，为激光物理实验提供现场的激光脉宽和波形方面的信息。
[0024]总之，该方案结构简单、操作方便、价格低廉，且测量过程实时、单次、精确度高，值得在各个超短脉冲激光实验室推广应用。
【附图说明】
[0025]图1是本发明瞬态光栅衍射法紫外单次自相关仪的测量装置俯视图；
[0026]图2为分束板和挡光板顺着激光传播方向观察的形状示意图；
[0027]图3为非线性介质4中瞬态光栅衍射的立体图；
[0028]图4为KrF准分子激光器的输出脉冲单次自相关曲线图；
[0029]图5为双脉冲的单次自相关曲线图；
[0030]图6脉宽压缩实验中的脉宽实时测量图，其中(a)为脉冲压缩前；(b)为脉宽压缩后。
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