实时原位皮秒激光脉冲自相关仪的制作方法

本发明涉及测量皮秒激光脉冲宽度技术领域，尤其涉及一种实时原位皮秒激光脉冲自相关仪。

背景技术：

皮秒激光脉冲的时间宽度是衡量激光脉冲的一个重要基本指标。皮秒脉冲激光由于其脉宽极窄，只有几十个或一百多个皮秒，具有高峰值功率、光谱分辨率高，在超快化学反应动力学研究以及高分辨医学相干成像上都具有其独特的优势。皮秒激光脉宽的稳定性是皮秒激光器锁模稳定的重要指标，相应的脉宽检测和监测是使用皮秒激光器的前提。现有的光电探测器、宽带示波器由于其操作复杂、成本较大等原因已无法满足这样的测量要求。

自从1977年j.janszky，g.corradi和r.n.gyuzalian首次提出测量单次超短脉冲的非共线单次自相关法以来，人们在方法和仪器构型上不断改进，力求达到更高的灵敏度和分辨率。例如1981年r.wyatt和e.e.marinero利用衍射光栅进行扩束和时间延迟，搭建了时间分辨率小于1ps的二次谐波单次自相关系统。1987年f.salin，p.georges，g.roger和a.brun研制出了优于50fs时间分辨率的单次自相关仪。

自相关仪一般采用扫描的方式来获得光束间的时间延迟，适用于超短脉宽、高重复频率激光的测量。自相关技术是将时间尺度的窄脉冲宽度转换成空间尺度的测量，将光强度转换成相关函数的测量。但是，现有技术中单次自相关系统虽然在灵敏度、测量范围、分辨率上都有大幅的提升，但因其造价成本昂贵，系统复杂，操作繁琐而使得其应用受到限制。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种实时原位皮秒激光脉冲自相关仪，用以解决现有设备成本昂贵、系统复杂、操作繁琐的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种实时原位皮秒激光脉冲自相关仪，沿着入射脉冲激光前进的方向，依次固定入射光光阑组件，反射镜，分束镜，入射脉冲激光经分束镜后被分成第一束光和第二束光，所述第一束光经所述分束镜反射至直角棱镜，后经直角棱镜反射至分束镜，最后经所述分束镜透射至第一透镜；所述第二束光经所述分束镜透射至后向反射器，后经所述后向反射器反射至分束镜，最后经所述分束镜反射至所述第一透镜；所述第一束光与所述第二束光经所述第一透镜后在倍频晶体汇合产生二次谐波信号，所述二次谐波信号依次通过滤波片、第二透镜、光阑、光电二极管探测器后生成电信号被总控制系统采集。

本发明使用倍频晶体和光电二极管(pd)探测器的组合来产生和探测信号，代替了倍频晶体和光电倍增管组合，极大降低了结构复杂程度和造价成本，同时也扩大了波长的适用范围。

进一步的，所述入射光光阑组件包括至少两个光阑，所述入射光光阑组件中的光阑高度一致且可调节大小。

本发明中的光阑能够校准入射激光的准直以及防止反射镜反射回来的光进入激光器，并在激光腔中的腔镜与干涉仪之间形成振荡，从而影响激光锁模的稳定性。

进一步的，所述反射镜为镀有介质膜的全反射镜。

本发明使用镀有介质膜的全反射镜能够增大反射镜的反射率。

进一步的，所述分束镜为半透半反镜片，所述第一束光与所述第二束光的强度相同。

本发明选择半透半反的分束镜能够实现分束镜分成两束光，同时确保两束光的强度相同。

进一步的，所述后向反射器固定在一维手动精密平移台a上，所述一维手动精密平移台a固定在精密位移平台上，所述精密位移平台能够沿着光路进入后向反射器的方向移动，所述精密位移平台通过所述总控制系统控制。

进一步的，所述一维手动精密平移台a由上台面和下台面组成，所述上台面位于所述下台面的上方，所述上台面能够相对于下台面垂直于光路进入的方向移动。

进一步的，所述第一透镜固定在一维手动精密平移台b上，所述一维手动精密平移台b能够相对于所述倍频晶体移动，移动行程为-6.5mm～6.5mm。

进一步的，所述倍频晶体固定在倍频晶体旋转支架上，所述倍频晶体旋转支架能够进行0～360°旋转。

进一步的，所述倍频晶体为lbo晶体、bbo晶体或kdp晶体。

进一步的，所述滤波片为300nm～650nm短波通滤光片。

本发明选择300nm～650nm短波通滤光片，能够滤掉入射的基频光，只透过二次谐波信号光。

进一步的，所述信号光光阑能够调节大小。

本发明信号光光阑用于过滤基频光以及基频光产生的倍频光，还可以调节信号的准直和强度大小。

本发明有益效果如下：

(1)本发明实时原位皮秒激光脉冲自相关仪采用非共线的方式进行测试，能够消除背景的干扰，获得较高的测量精度；

(2)本发明实时原位皮秒激光脉冲自相关仪结构简单，造价低廉、易操作、易搭建、易调试、适用范围广，可连续改变所测激光脉冲的时间范围，具有较高的灵敏度和分辨率，可适应多种应用要求；

(3)本发明实时原位皮秒激光脉冲自相关仪使用倍频晶体和光电二极管(pd)探测器的组合来产生和探测信号，代替了倍频晶体和光电倍增管组合，极大降低了结构复杂程度和造价成本，同时也扩大了波长的适用范围；

(4)本发明实时原位皮秒激光脉冲自相关仪设计了便捷的调节装置，更加简化各类人群搭建和调试本自相关仪系统。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的特征和优点从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实时原位皮秒激光脉冲自相关仪结构示意图；

图2为使用本发明实时原位皮秒激光脉冲自相关仪测得的皮秒激光脉冲宽度分布曲线。

图中，1-第一入射光光阑，2-第二入射光光阑，3-反射镜，4-分束镜，5-直角棱镜，6-后向反射器，7-精密位移平台，8-第一透镜，9-滤光片，10-第二透镜，11-光阑，12-光电二极管探测器，13-数据采集及控制系统，14-倍频晶体，15-计算机，16-入射脉冲激光，a-一维手动精密平移台a，b-一维手动精密平移台b，c-倍频晶体旋转支架。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例实时原位皮秒激光脉冲自相关仪，如图1所示，主要包括第一入射光光阑1，第二入射光光阑2，反射镜3，分束镜4，直角棱镜5，后向反射器6，精密位移平台7，第一透镜8，滤光片9，第二透镜10，光阑11，光电二极管探测器12，数据采集及控制系统13、倍频晶体14和计算机15，其中，第一入射光光阑1，第二入射光光阑2，反射镜3，分束镜4，直角棱镜5，后向反射器6，精密位移平台7，滤光片9，第二透镜10，光阑11及光电二极管探测器12均固定在光学平台上；沿着激光器所发射的入射脉冲激光16前进的方向，依次固定第一入射光光阑1，第二入射光光阑2，反射镜3，分束镜4，入射脉冲激光16经半反半透的分束镜4后被分为两束相等强度的激光，分别为第一束光和第二束光，第一束光为透过分束镜4的透射激光，第二束光为通过分束镜4反射的反射激光，第一束光和第二束光分别由可移动的后向反射器6和直角棱镜5同时离轴反射到分束镜4，经反射后的第一束光和第二束光通过分束镜4后汇合在第一透镜8，然后聚焦在倍频晶体14上的同一点，通过连续移动精密位移平台7形成强度变化的二次谐波信号，二次谐波信号光依次通过滤光片9、第二透镜10后聚焦并通过光阑11的中心位置进入光电二极管(pd)探测器12进行电信号转变。

其中，第一入射光光阑1和第二入射光光阑2为两个等高的可调节大小的光阑，它们的作用是校准入射脉冲激光16的准直以及防止反射镜3反射回来的光进入激光器，并在激光腔中的腔镜与干涉仪之间形成振荡，从而影响激光锁模的稳定性，此处所指的可调节大小是指根据激光器所发射出的入射脉冲激光16的光斑大小进行调节。

反射镜3为镀有介质膜的全反射镜，镀有介质膜能够增大反射镜3的反射率；反射镜3与入射激光呈45°角放置，使入射激光发生90°的转向进入自相关系统。

分束镜4为半透半反的镜片，原因是本实施例自相关仪要求分束镜4必须能够实现强度相同的两束光，分束镜4放置在反射镜3与精密位移平台之间，且分束镜4与反射镜3平行放置，如图1所示。

直角棱镜5能够实现90°直角反射光束，本实施例对直角棱镜的结构不加限制，只要能够满足实现90°直角反射即可。

后向反射器6垂直固定在可以移动的台面为50mm×50mm的一维手动精密平移台a的台面上，一维手动精密平移台a固定在可以通过步进电机驱动的精密位移平台7的移动臂台面上；通过高精度测微头控制一维手动精密平移台a的上台面能够在垂直于光入射的方向上左右进行移动，从而使得后向反射器6左右进行移动，且一维手动精密平移台a的左右移动宽度为±6.5mm；精密位移平台7的高精度测微头能够使移动臂在平行于光入射的方向上前后进行移动，且精密位移平台7的最大行程为50mm，用于调节该激光脉冲的延迟，引入的最大时间延迟为165ps；同时，调节后向反射器6能够实现进出光平行；精密位移平台7通过步进电机进行控制，数据采集及控制系统13控制步进电机的各项参数，调控精密位移平台7的移动。其中，一维手动精密平移台a由上下两个相连的台面组成，分别为上台面和下台面，下台面固定在精密位移平台7的移动臂台面上，上台面固定在下台面上，并且能够通过高精度测微头实现未固定的上台面与被固定的下台面之间的相对移动，行程为±6.5mm，读取精度为0.01mm。

第一透镜8固定在台面为40mm×40mm的一维手动精密平移台b的上台面上，一维手动精密平移台b的下台面固定在光学平台上，通过高精度测微头控制一维手动精密平移台b的上台面能够在垂直于光入射的方向上左右移动，从而使第一透镜8左右移动；通过调节一维手动精密平移台a和一维手动精密平移台b的位置，可以准确的调节第一束光和第二束光经反射后入射到倍频晶体14上的重合位置和重合角度。其中，一维手动精密平移台b由上下两个相连的台面组成，下台面固定在光学平台上，上台面固定在下平台上，通过高精度测微头实现未固定的上台面与被固定的下台面之间的相对移动，行程为±6.5mm，读取精度为0.01mm。

倍频晶体14可以选择lbo晶体，或者是bbo晶体，或者是kdp晶体，但不仅限于这些倍频晶体，只要能够满足本实施例的要求即可；倍频晶体14固定在倍频晶体旋转支架c上，倍频晶体旋转支架c由一个放置倍频晶体的卡套和一个固定在光学平台上的手动精密旋转台组成，手动精密旋转台的台面垂直于光学平台放置，晶体卡套则固定在旋转台的台面上，精密旋转台可以360°旋转，读取精度1°；从而使得卡套中的倍频晶体旋转0～360°，方便调节倍频晶体角度产生最佳的倍频信号。

滤光片9是300nm-650nm短波通滤光片，它的作用是滤掉入射的基频光，只透过二次谐波信号光。

第二透镜10用于对发散的信号光进行聚焦缩束，使其能通过光阑11的中心并完全射入光电二极管(pd)探测器12中，提高探测的信号强度。光阑11用于过滤基频光以及基频光产生的倍频光，还可以调节信号的准直和强度大小。

光电二极管(pd)探测器12将通过光阑11的二次谐波信号光接收并转变为电信号，然后将电信号传输至数据采集及控制系统13，然后经计算机读取，进行脉冲信号的计算。

数据采集及控制系统13与光电二极管探测器12相连，并采集光电二极管探测器12转变生成的电信号；同时，数据采集及控制系统13和精密位移平台7相连，控制系统发送信号至步进电机，控制精密位移平台7在整个50mm运动范围内沿入射光方向来回移动后向反射器6，提供精确、超平滑的移动扫描。数据采集及控制系统13与计算机15也相连，计算机15上的软件通过数据采集及控制系统13所提供的数据，使用通过强度自相关函数波形图就可以求得皮秒激光脉冲的宽度。

值得注意的，当入射脉冲激光16经半反半透的分束镜4后被分为两束相等强度的激光时，数据采集及控制系统13控制精密位移平台7连续改变后向反射器6的位置提供时间延迟，连续改变后向反射器6的位置可以形成一个脉冲序列对另一脉冲序列的时间扫描。

值得注意的，为了保证本实施例自相关仪的时间分辨率，需要保持二次谐波晶体的入射光夹角，本实施例自相关仪采用一维手动精密平移台a和一维手动精密平移台b相结合调试的方式，保证在无需更换或调整其他元件的情况下，即可改变入射于二次谐波晶体的两束光之间的夹角，能够在不影响时间分辨率的条件下大范围改变自相关仪的测量范围，更加便捷地调试出最佳的二次谐波信号。

值得注意的，本实施例的自相关仪采用倍频晶体和光电二极管(pd)探测器的组合来产生和探测信号，代替了倍频晶体和光电倍增管组合，使得自相关仪的结构简易、价格低廉；同时也扩大了波长的适用范围。

值得注意的，本发明自相关仪中设计了便捷的调节装置：1)三个可调节光阑，即第一入射光光阑1、第二入射光光阑2和光阑11；2)固定在一维手动精密平移台a上的后向反射器6；3)固定在一维手动精密平移台b上的第一透镜8；4)固定在能够在0～360°旋转的倍频晶体旋转支架c中的倍频晶体。

值得注意的，本实施例自相关仪适用波长范围为680～1080nm，激光脉冲的时间宽度范围在1～100ps。

同时，本实施例还提供了使用本实施例实时原位皮秒激光脉冲自相关仪测量皮秒激光的脉冲宽度的测试方法。对于波长为800nm，脉冲宽度为50ps的入射脉冲激光，首先经过第一入射光光阑1、第二入射光光阑2进行准直，入射到反射镜3上，经反射镜3反射后的激光经过半透半反的分束镜4分成两束800nm相等强度的光，这两束光分别经过直角棱镜5和后向反射器6汇合在第一透镜8，聚焦在倍频晶体上同一点，通过连续移动精密位移平台7形成强度变化的400nm二次谐波信号光，信号光通过滤光片9滤掉基频光、第二透镜10聚焦并通过光阑11的中心位置进入光电二极管(pd)探测器被检测。

测试结果如图2所示，由图2能够看出，图2所得到的曲线是二次谐波信号强度的自相关曲线，这个曲线峰的半峰宽就是所测的二次谐波信号强度自相关函数的宽度；强度自相关函数宽度和脉冲宽度之间有一对应关系：δt＝аδτ；式中，δt为自相关函数宽度，δτ为脉冲宽度，а为比例常数，比例常数а是由脉冲形状决定的，如果脉冲是高斯型或者双曲正割型，其变换系数а分别为0.707或0.645，其实际脉冲宽度就应该为所测得的自相关曲线的半峰宽乘以0.707或0.645之后的结果。由于本实施例所测量的皮秒激光振荡器的脉冲宽度都是按照双曲正割波形近似的，因此皮秒激光振荡器的脉冲宽度应该是测量的自相关曲线宽度乘以0.645；从图2测量的结果可以看出本实施例经过调试优化后所得到的测量信号强，自相关曲线的信噪比高、背景影响小。

综上所述，本发明提供了一种实时原位皮秒激光脉冲自相关仪，本发明脉冲自相关仪具有结构简单，使用方便，通用性强和价格低廉，时间测量范围可以从1皮秒延伸至165皮秒的优点，同时，本发明使用倍频晶体和光电二极管(pd)探测器的组合来产生和探测信号，代替了倍频晶体和光电倍增管组合，极大降低了结构复杂程度和造价成本，同时也扩大了波长的适用范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。