超短脈沖寬度測量裝置及其測量方法
【專利摘要】一種超短脈沖寬度測量裝置及其測量方法，該裝置包括CCD探測器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第一分束片、第二分束片、聚焦透鏡和步進(jìn)平臺，本發(fā)明可對任意方向的入射的超短脈沖的寬度實(shí)時測量，具有光路調(diào)節(jié)簡化、適用的光譜范圍寬的特點(diǎn)。
【專利說明】
超短脈沖寬度測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光脈沖寬度測量，特別是一種超短脈沖寬度的測量裝置及其測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于超短脈沖極高的光強(qiáng)和極短的脈寬，因此被廣泛的用于研究各種超快現(xiàn)象及 強(qiáng)場下的物理行為，如快點(diǎn)火激光核聚變、分子弛豫和超快動力學(xué)等。而超短脈沖技術(shù)的進(jìn) 步與脈寬測量技術(shù)的發(fā)展是分不開的，因此研究測量的超短激光脈沖新技術(shù)，了解脈沖寬 度、相位及形狀信息，是超快技術(shù)研究中十分重要的內(nèi)容。目前測量激光脈沖的普遍方法是 自相關(guān)法、光學(xué)頻率光柵開關(guān)法(FROG)和自參考光譜位相相干電場重建法（SPIDER)?？傮w 思路為:首先把入射光分為兩束，讓其中一束光通過一個延遲線，然后再把這兩束光合并， 并借助倍頻晶體發(fā)生相互作用，得到強(qiáng)度或者光譜信息，然后用不同的方法得到入射光的 信息。但是兩束光的相互作用是利用非線性晶體來實(shí)現(xiàn)的，這一過程較為復(fù)雜，不易操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超短脈沖寬度測量裝置， 該裝置利用光的干涉效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的超短脈沖寬度測量的方便化測量?？蓪θ我夥较虻娜肷?的超短脈沖的寬度實(shí)時測量，具有光路調(diào)節(jié)簡化、適用的光譜范圍寬的特點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] -種超短脈沖寬度測量裝置，包括CCD探測器，其特征在于:還包括第一平面反射 鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射 鏡、第一分束片、第二分束片、聚焦透鏡和步進(jìn)平臺，所述的第三平面反射鏡、第四平面反射 鏡置于所述的步進(jìn)平臺上，沿待測超短脈沖方向依次是所述的第一平面反射鏡、第二平面 反射鏡和第一分束片，該第一分束片將所述的待測超短脈沖光分為第一光束和第二光束： 第一束光經(jīng)所述的第三平面反射鏡、第四平面反射鏡后經(jīng)所述的第二分束片、聚焦透鏡進(jìn) 入CCD探測器，第二束光經(jīng)所述的第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第二分束片、聚焦透鏡 進(jìn)入CCD探測器，所述的第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射 鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第一分束片和第二分束片與光路成45°，所述的步進(jìn) 平臺由高精度步進(jìn)電機(jī)帶動，移動方向平行于第一光束的方向，所述的CCD探測器的CCD探 測面位置所述的聚焦透鏡的焦面。
[0006] 利用上述超短脈沖寬度測量裝置測量超短脈沖寬度的方法，該方法包括下列步 驟：
[0007] 1)調(diào)節(jié)所述的第一平面反射鏡和第二平面反射鏡，使待測的超短脈沖光從第二平 面反射鏡沿水平方向出射，將所述的步進(jìn)平臺的移動方向與第一光束方向平行，調(diào)節(jié)所述 的聚焦透鏡與第一光束和第二光束重合后的光束垂直，將所述的CCD探測器置于聚焦透鏡 的焦面處；
[0008] 2)開啟所述的步進(jìn)平臺，所述的步進(jìn)平臺每動一步所述的CCD探測器就進(jìn)行一次 測量，最后在所述的CCD的顯示屏上得到干涉強(qiáng)度關(guān)于光程差的曲線；
[0009] 3)首先將干涉強(qiáng)度關(guān)于光程差的曲線換算成干涉強(qiáng)度關(guān)于延時的曲線Ι(τ)，然后 再將曲線Ι(τ)的波形斜率變化點(diǎn)作為Ι(τ)包絡(luò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用拉格朗日插值法對這些數(shù)據(jù) 點(diǎn)進(jìn)行擬合，可得到1(1)包絡(luò)，計(jì)算得到Ι(Τ)包絡(luò)的寬度后，根據(jù)公式 {TFWHu)m={TFumi)iletea〇r* Vl + C7 /2求出輸入的超短脈沖的脈寬（TFWHM) in，其中C為已知啁嗽 參量。
[0010]本發(fā)明具有以下有益效果：
[0011] 本發(fā)明沒有使用非線性晶體，利用的是光的干涉效應(yīng)測量超短脈沖寬度，本發(fā)明 可實(shí)時測量，具有適用的光譜范圍寬的特點(diǎn)；
[0012] 本發(fā)明在CCD探測器之前加了一個聚焦透鏡，使得兩束光在平行但不重合的情況 下也能發(fā)生干涉進(jìn)行測量，光路調(diào)節(jié)進(jìn)一步簡化；
[0013]通過第一平面反射鏡和第二平面反射鏡的調(diào)節(jié)，可對任意方向的入射的超短脈沖 進(jìn)行測量。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明超短脈沖寬度測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0016] 先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明超短脈沖寬度測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見， 本發(fā)明超短脈沖寬度測量裝置包括CCD探測器10,還包括第一平面反射鏡1、第二平面反射 鏡2、第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6、第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、第一分束 片3、第二分束片4、聚焦透鏡9和步進(jìn)平臺11，所述的第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6置 于所述的步進(jìn)平臺11上，沿待測超短脈沖方向依次是所述的第一平面反射鏡1、第二平面反 射鏡2和第一分束片3,該第一分束片3將所述的待測超短脈沖光分為第一光束和第二光束： 第一束光經(jīng)所述的第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6后經(jīng)所述的第二分束片4、聚焦透鏡 9進(jìn)入(XD探測器10,第二束光經(jīng)所述的第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、第二分束片4、 聚焦透鏡9進(jìn)入CCD探測器10,所述的第一平面反射鏡1、第二平面反射鏡2、第三平面反射鏡 5、第四平面反射鏡6、第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、第一分束片3和第二分束片4與 光路成45°，所述的步進(jìn)平臺11由高精度步進(jìn)電機(jī)帶動，移動方向平行于第一光束的方向， 所述的CCD探測器10的CCD探測面位置所述的聚焦透鏡9的焦面。
[0017] 所述的超短脈沖寬度測量裝置測量超短脈沖寬度的方法，該方法包括下列步驟：
[0018] 1)調(diào)節(jié)所述的第一平面反射鏡1和第二平面反射鏡2,使待測的超短脈沖光從第二 平面反射鏡2沿水平方向出射，將所述的步進(jìn)平臺11的移動方向與第一光束方向平行，調(diào)節(jié) 所述的聚焦透鏡9與第一光束和第二光束重合后的光束垂直，將所述的CCD探測器10置于聚 焦透鏡9的焦面處；
[0019] 2)開啟所述的步進(jìn)平臺11，所述的步進(jìn)平臺11每動一步所述的CCD探測器10就進(jìn) 行一次測量，最后在所述的CCD的顯示屏上得到干涉強(qiáng)度關(guān)于光程差的曲線；
[0020] 3)首先將干涉強(qiáng)度關(guān)于光程差的曲線換算成干涉強(qiáng)度關(guān)于延時的曲線Ι(τ)，然后 再將曲線Ι(τ)的波形斜率變化點(diǎn)作為Ι(τ)包絡(luò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用拉格朗日插值法對這些數(shù)據(jù) 點(diǎn)進(jìn)行擬合，可得到1(1)包絡(luò)，計(jì)算得到Ι(Τ)包絡(luò)的寬度后，根據(jù)公式 {TFWHM)in={TFWHM)delector · A + /2求出輸入的超短脈沖的脈寬(TFWHM) in，其中C為已知啁嗽 參量。
[0021 ]圖1中第三平面反射鏡5、第四平面反射鏡6、第五平面反射鏡7、第六平面反射鏡8、 第一分束片3和第二分束片4構(gòu)成一種邁克爾遜干涉儀，本發(fā)明測量所涉及的物理過程實(shí)質(zhì) 可以看作:待測的啁嗽高斯光脈沖經(jīng)過一個邁克爾遜干涉儀分為相等的僅有一個延遲的兩 束光的干涉過程。本發(fā)明的工作原理如下：
[0022]首先假設(shè)進(jìn)入測量系統(tǒng)的是有初始啁嗽的高斯光脈沖：
(1)
[0024]其中，C是啁嗽參量，to是脈沖的半寬度(峰值強(qiáng)度的Ι/e)，ω〇為角頻率。邁克爾遜 干涉儀使得兩個脈沖產(chǎn)生一個時延τ，此時干涉光脈沖瞬時強(qiáng)度可以表示為：
[0026] (XD探測器10接收到的強(qiáng)度正比于Itotal(t)在時間上的積分：
(3)
[0028]由上式可知Ι(τ)的包絡(luò)的半高全寬為：
(*)
[0030] 控制高精度步進(jìn)電機(jī)11來該變兩個脈沖之間的延遲，讓其中一個脈沖對另一個脈 沖進(jìn)行掃描，在掃描中得到Κ τ)曲線。
[0031] 在計(jì)算I (τ)曲線的包絡(luò)過程中，把I (τ)曲線的波形斜率變化點(diǎn)作為I (τ)包絡(luò)的數(shù) 據(jù)點(diǎn)，其中斜率由正變負(fù)的點(diǎn)是Ι(τ)的上包絡(luò)，斜率由負(fù)變正的點(diǎn)是Ι(τ)的下包絡(luò)。采用拉 格朗日插值法對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到Ι(τ)的包絡(luò)。計(jì)算得到Ι(τ)包絡(luò)的寬度 (TFWHM ) detect。!·后，根據(jù)公式(4 )反推出輸入的超短脈沖的脈寬(Tf? ) in。
[0032] 這里是以高斯脈沖為例進(jìn)行理論推導(dǎo)的，在實(shí)際過程中，所得到的Ι(τ)包絡(luò)的寬 度與具體的脈沖波形有關(guān)。
[0033] 實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明可對任意方向的入射的超短脈沖的寬度實(shí)時測量，具有光路調(diào) 節(jié)簡化、適用的光譜范圍寬的特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超短脈沖寬度測量裝置，包括CCD探測器（10)，其特征在于:還包括第一平面反 射鏡（1 )、第二平面反射鏡(2 )、第三平面反射鏡(5 )、第四平面反射鏡(6 )、第五平面反射鏡 (7)、第六平面反射鏡(8)、第一分束片（3)、第二分束片(4)、聚焦透鏡(9)和步進(jìn)平臺（11)， 所述的第三平面反射鏡(5)、第四平面反射鏡(6)置于所述的步進(jìn)平臺（11)上，沿待測超短 脈沖方向依次是所述的第一平面反射鏡（1)、第二平面反射鏡(2)和第一分束片(3)，該第一 分束片（3)將所述的待測超短脈沖光分為第一光束和第二光束:第一束光經(jīng)所述的第三平 面反射鏡(5)、第四平面反射鏡(6)后經(jīng)所述的第二分束片(4)、聚焦透鏡(9)進(jìn)入CCD探測器 (10)，第二束光經(jīng)所述的第五平面反射鏡(7)、第六平面反射鏡(8)、第二分束片(4)、聚焦透 鏡(9)進(jìn)入CCD探測器(10)，所述的第一平面反射鏡（1)、第二平面反射鏡(2)、第三平面反射 鏡(5)、第四平面反射鏡(6)、第五平面反射鏡(7)、第六平面反射鏡(8)、第一分束片(3)和第 二分束片(4)與光路成45°，所述的步進(jìn)平臺（11)由高精度步進(jìn)電機(jī)帶動，移動方向平行于 第一光束的方向，所述的CCD探測器(10)的CCD探測面位置所述的聚焦透鏡(9)的焦面。2. 利用權(quán)利要求1所述的超短脈沖寬度測量裝置測量超短脈沖寬度的方法，其特征在 于該方法包括下列步驟： 1) 調(diào)節(jié)所述的第一平面反射鏡（1)和第二平面反射鏡(2)，使待測的超短脈沖光從第二 平面反射鏡(2)沿水平方向出射，將所述的步進(jìn)平臺（11)的移動方向與第一光束方向平行， 調(diào)節(jié)所述的聚焦透鏡(9)與第一光束和第二光束重合后的光束垂直，將所述的CCD探測器 (10)置于聚焦透鏡(9)的焦面處； 2) 開啟所述的步進(jìn)平臺（11)，所述的步進(jìn)平臺（11)每動一步所述的CCD探測器（10)就 進(jìn)行一次測量，最后在所述的CCD的顯示屏上得到干涉強(qiáng)度關(guān)于光程差的曲線； 3) 首先將干涉強(qiáng)度關(guān)于光程差的曲線換算成干涉強(qiáng)度關(guān)于延時的曲線Ι(τ)，然后再將 曲線Ι(τ)的波形斜率變化點(diǎn)作為Ι(τ)包絡(luò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用拉格朗日插值法對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn) 行擬合，可得到Ι(τ)包絡(luò)，計(jì)算得到〖（。包絡(luò)的寬度^^^彡^^^^后^艮據(jù)公式農(nóng)出輸入的超短脈沖的脈寬(TFWHM) in，其中C為已知啁嗽 參量。
【文檔編號】G01J11/00GK106017698SQ201610318478
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】徐光 , 陳翔宇, 李大為
【申請人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所