专利名称：精密测量超短激光脉冲时间同步的装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种关于精确测量两个汇聚在空间某点的超短激光脉冲相互间时间同步或延时的装置，主要适用于精密测量两个波长相同，偏振方向相同或相互垂直的超短激光脉冲汇聚在空间某点相互间时间延时长短，应用于激光研究领域。
背景技术：
在超短激光脉冲的一些重要应用中，例如超短激光脉冲与物质相互作用物理实验和超短激光脉冲微加工实验中，要求两个强弱不同的工作波长相同，偏振方向相同或相互垂直的超短激光脉冲在空间上汇聚成一点，并且要求超短激光脉冲之间保持一定的时间间隔，这就要求脉冲间的相互延时可以得到精确的测量，以求得到超短脉冲间的准确的时间延时和同步情况。对于fs级的超短脉冲之间的延时测量就要求脉冲间延时测量有fs级的精度。在先技术中，C.Y.Chien等人提供了一种典型的调节装置(Optics Letters，Vol.25，No.8，578-580，2000)，其光路布置见图1所示。一个脉冲宽度为2ps的超短激光脉冲作为泵浦光脉冲直接入射到非线性晶体KDP片5上，而另一个工作波长相同，偏振方向与泵浦光脉冲相互垂直的2ps的超短激光脉冲作为探测光脉冲入射到反射镜1上，通过反射镜1反射到反射镜4上，再反射到反射镜3上，最后通过反射镜2反射后，探测光脉冲入射到II类位相匹配的非线性晶体KDP片5上。泵浦光脉冲和探测光脉冲的空间交点在非线性晶体KDP片5中。反射镜3和反射镜4相互夹角为直角，组成直角反射器6，直角反射器6可以将探测光脉冲沿入射方向的逆方向反射回去，而且直角反射器6可以沿探测光脉冲的入射方向前后移动。当探测光脉冲和泵浦光脉冲同时到达非线性晶体KDP片5上的时候，在非线性晶体KDP片5上产生二次谐波，通过沿探测光脉冲入射方向前后移动角反射器6，通过测量直角反射器6的移动距离可以得到两个光脉冲之间的空间延时，然后可以换算得到脉冲之间的时间延时。
在上述装置中，脉冲之间的延时通过移动距离的测量间接来得到，但是移动平台或游标卡尺的测量精度一般最高达到10μm，相对于时间测量精度为＞33fs，而且存在机械误差和读数误差等误差，这个精度对于脉冲宽度＜50fs的超短脉冲之间同步延时的调节和测量，精度是不够的，还有一种利用压电陶瓷来控制延时光路的装置可以得到很高的精度，但读数不方便且价格昂贵，并且压电陶瓷移动的距离有限，一般在几十微米，对应的测量超短脉冲间间隔的动态范围就在五百飞秒以内，而且都要求两束光之间的偏振方向相互垂直，才能够满足II类位相匹配条件产生二次谐波。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种精密测量超短激光脉冲时间同步的装置，以达到测量精度高，fs量级，测量误差小的目的。
本发明的技术解决方案的基本思想是利用一块薄反射—透射镜将两个不共线的波长相同，偏振方向相同或相互垂直的汇聚的超短激光脉冲在汇聚点收集成一束双脉冲光束，通过一块1/4波片和偏振片组成的分束器分成等强度的两束偏振方向相互垂直的光，共同入射到一块非线性晶体片上，获得倍频输出，通过测量多个倍频光在空间的相对位置来获得多个脉冲之间的相对时间延迟。
本发明的技术解决方案如下一种精密测量超短激光脉冲时间同步的装置，其光路布置如图2所示。其特征在于它主要包括薄反射—透射镜8、45°全反镜7、由1/4波片11和偏振片10构成的分束器18、全反镜12、由45°全反镜13和45°14全反镜互为直角而构成直角反射器15、全反镜16、全反镜19、非线性晶体KDP片22、线阵CCD21和示波器9，其位置关系如下薄反射—透射镜8置于两个不同方向入射的待测光束的汇聚点，将该两束光脉冲收集成一束平行出射的双脉冲光束，经45°全反镜7的反射进入分束器18，分束器18中的1/4波片11用于将入射光变成圆偏振光，经偏振片10形成强度基本相等而偏振方向相互垂直的两束激光，其反射光经全反镜12、直角反射器15和全反镜16射到非线性晶体KDP片22上，由偏振片10透射的偏振光经全反镜19反射到非线性晶体KDP片22上，该两束偏振方向相互垂直的激光脉冲在晶体中和晶体相互作用产生二次谐波，由线阵CCD21探测该二次谐波在空间的位置，示波器9连接线阵CCD21。
为了改善装置，在全反镜19和非线性晶体KDP片22之间还有反射镜20和21，如图3所示。
所述的直角反射器(15)可以沿入射光方向前后移动。
所述的精密测量超短激光脉冲时间同步的装置在使用前要定标，定标包括如下测量具体步骤(1)首先将薄反射—透射镜8放置在两待测脉冲光束在空间的交点上，调节薄反射—透射镜8的方向，使得一光束入射到薄反射—透射镜8部分透过薄反射—透射镜8出射，而另一束入射到薄反射—透射镜8上的光束部分被薄反射—透射镜8反射，并形成共线光束；(2)通过45°全反镜7反射进入相关测量仪17中的一束平行光，首先调节1/4波片11使成为圆偏振光，偏振片10将入射的圆偏振光分成强度基本相同的两路偏振方向垂直的反射和透射偏振光；(3)通过偏振片10透射出去的一束偏振光经过全反镜19反射后，入射到非线性晶体KDP片22上；(4)通过偏振片10反射的一束偏振光经过全反镜12反射进入由45°全反镜13和45°全反镜14构的成直角反射器15，再经全反镜16将这束偏振光反射到非线性晶体KDP片22上；(5)挡住一个方向入射到薄反射—透射镜8上的脉冲，只留任意一个单脉冲入射，仔细前后调节直角反射器15的位置，使得从入射到非线性晶体KDP片22上的两束偏振光在非线性晶体KDP片22中产生的二次谐波沿两束入射的偏振光的角平分线出射；此时表明从分束器18输出的两路偏振方向相互垂直的两路光束到达非线性晶体KDP片20的光程相同。
(6将入射到薄反射—透射镜8上的脉冲都放过来，在非线性晶体KDP片22上产生三个空间出射方向不同的二次谐波脉冲，入射到线阵CCD23上；(7)在示波器9上测试线阵CCD21上采集到的多脉冲信号。
(8)然后移动直角反射器15改变一路偏振光的光程，移动长度为L，在示波器9上测量入射到线阵CCD21上的二次谐波位置的改变量T0，则示波器9上得到的脉冲间隔ΔT对应的时间为t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
本发明的原理见图4。首先将空间的两个超短脉冲合并成一束双脉冲的平行光束，然后分成强度基本相同的两束双脉冲平行光束。以相互间延迟为Δt的双脉冲为例，合束后再分成的A和B两路双脉冲光束在非线性晶体KDP片22中，有如图4(a)、图4(b)和图4(c)描述的三种相互作用方式，在空间将产生三束不同方向出射的二次谐波入射到线阵CCD21上，而在示波器9上显示如图4(d)所示的脉冲波形。三个脉冲是等间隔的，间隔ΔT就对应双脉冲之间的延时Δt。根据定标的结果，就可以从示波器9上显示的脉冲间隔ΔT推算出脉冲延时Δt。
测量的原理是，当A路光和B路光在晶体中交错时，A路光中的两个脉冲和B路光中的两个脉冲会分别在四个位置相交。其中，图4(a)当A路光中的前一个脉冲和B路光中的前一个脉冲相交时，由于有相同的延时，在非线性晶体KDP片20中同样的位置A路光中的后一个脉冲和B路光中的后一个脉冲相交；图4(b)当A路光中的后一个脉冲和B路光中的前一个脉冲相交时，由于和图4(a)中不同的延时，所以它们在非线性晶体KDP片20中的交点也和图4(a)情况下的交点不同，图4(c)当A路光中的前一个脉冲和B路光中的后一个脉冲相交时，由于和图4(a)、图4(b)中不同的延时，所以它们在非线性晶体KDP片20中的交点也和图4(a)、图4(b)情况下的交点不同。同时因为前后两个脉冲的延时是相同的，所以非线性晶体KDP片20中的三个交点是等距离的。空间的两个超短脉冲的延时Δt和非线性晶体KDP片20上图4(a)情况下的交点和图4(b)情况下的交点之间的距离x0的关系为 其中为两束光入射到非线性晶体KDP片20上的夹角，n为非线性晶体KDP片20的折射率。x0在示波器9上显示的脉冲间隔ΔT，就可以从示波器9上显示的脉冲间隔ΔT推算出脉冲间隔Δt。
与先技术相比，本发明具有显著的特点1、采用薄反射—透射镜将两个不同方向入射的脉冲合并成一束双脉冲的平行光，然后分束汇聚到非线性晶体片中产生二次谐波。而在先技术中是两个脉冲直接在非线性晶体片中产生二次谐波。
2、在定标后，测量的时候不需要改变光路，测量方法简单，不存在机械误差和读数误差。而在先技术中，需要通过移动直角反射器的位置来测量脉冲之间的间隔。
3、测量的精度高，可以达到fs的量级。而在先技术中，由于受到螺杆精度的限制，测量的精度＞33fs的量级。
4、两束脉冲光可以是任意角度的夹角，而在先技术中两束光的夹角受晶体的匹配角的限制。
5、不需要采用压电陶瓷等昂贵元件，并且测量动态范围大，可以达到ps的量级。
图1为在先技术精密测量超短激光脉冲时间同步装置和方法的结构示意图。
图2为本发明的精密测量超短激光脉冲时间同步装置实施例一结构示意图。
图3为本发明的精密测量超短激光脉冲时间同步装置实施例二结构示意图。
图4为本发明的精密测量超短激光脉冲时间同步方法的原理图。
图5为利用本发明的精密测量超短激光脉冲时间同步装置测量的波形图。
具体实施例方式先请参阅图2、图3，本发明的超短脉冲时间同步精密测量装置主要包括薄反射—透射镜8，45°全反镜7。1/4波片11和偏振片10构成的分束器18。通过45°全反镜7将通过薄反射—透射镜8输出的光反射到分束器18中。45°全反镜13和45°全反镜14相互夹角为直角，构成直角反射器15，直角反射器15可以沿入射光方向前后移动。直角反射器15，全反镜12，全反镜16，全反镜19置于分束器18和非线性晶体KDP片22之间。直角反射器15，全反镜12，全反镜16，全反镜19，分束器18，非线性晶体KDP片22和线阵CCD21共同构成相关测量仪17。置于非线性晶体KDP片20后的线阵CCD21连接到示波器9上。
如上所述，本发明装置包括薄反射—透射镜8，用于将待测量的两个不同方向入射的汇聚的超短激光脉冲收集成一束平行出射的双脉冲的光束，薄反射—透射镜8厚度为2μm，置于两束光的汇聚点。根据入射光的角度和强度的不同，薄反射—透射镜8镀相应的反射和透射膜，使得一束入射到薄反射—透射镜8上的光束部分透过薄反射—透射镜8射向45°全反镜7，而另一束入射到薄反射—透射镜8上的光束部分被薄反射—透射镜8反射，沿透射光的方向入射45°全反镜7，使得入射45°-全反镜7的两个共线脉冲的强度相近。45°全反镜7用于反射光。1/4波片11和偏振片10构成分束器18，用于将入射的一束光分成强度基本相等，而偏振方向相互垂直的两束激光，其中1/4波片11用于将入射光的偏振方向变成圆偏振光。全反镜12，直角反射器15和全反镜16将通过分束器18中偏振片10反射输出的一束偏振光反射到非线性晶体KDP片22上。全反镜19将通过分束器18中偏振片10透射输出的另一束偏振光反射到非线性晶体KDP片22上。直角反射器15可以延入射光方向前后移动，用于调节通过偏振片10反射输出的这一路偏振光的光程，使得从偏振片10上分别反射和透射的两束偏振光到达非线性晶体KDP片22上的光程相等。这两束偏振方向相互垂直的光在非线性晶体KDP片20中相交。非线性晶体KDP片22按照II类位相匹配角度切割，偏振方向相互垂直的激光脉冲在晶体中和晶体相互作用产生二次谐波。置于非线性晶体KDP片22后的线阵CCD21用于探测二次谐波在空间的位置。示波器9连接线阵CCD21用于测量CCD上采集到的脉冲信号。
在本发明的装置和方法中，根据超短激光脉冲工作波长的不同，装置中各种光学元件需要和工作波长对应。本发明装置和方法适用于波长相同的两个偏振方向相同或相互垂直的脉冲之间的时间同步和延时的测量。采用薄反射—透射镜8是用于将待测量的两个不同方向入射的汇聚的超短激光脉冲收集成一束平行出射的双脉冲的光束，而分束器18是将一束入射的激光束分成两路强度基本相等、偏振方向垂直的激光束。由于是对超短激光脉冲的测量，分束器18中采用了透射光学元件，要求各种透射光学元件比较�。苊庠斐沙碳す饴龀逋ü干涔庋г舐龀蹇矶日沟锰矶龀宸逯倒β氏陆担跋熳詈蟮亩涡巢ㄊ涑觯」苈龀逭箍聿挥跋觳饬康木�。
上述精密测量超短激光脉冲时间同步装置，其结构如图2所示，本发明描述的精密测量超短激光脉冲时间同步装置在正式测量之前需要进行定标。定标的步骤如下(1)首先将薄反射—透射镜8放置在双脉冲在空间的交点上，调节薄反射—透射镜8的方向，使得一束入射到薄反射—透射镜8上的光束部分透过薄反射—透射镜8出射，而另一束入射到薄反射—透射镜8上的光束部分被薄反射—透射镜8反射，使得沿透射光的出射方向出射，这两束分别经过薄反射—透射镜8反射和透射输出的光束共线。
(2)经过45°全反镜7反射，将通过薄反射—透射镜8输出的一束平行光反射入由直角反射器15，全反镜12，全反镜16，全反镜19，分束器18，非线性晶体KDP片20和线阵CCD21组成的相关测量仪17中。
(3)通过45°全反镜7反射进入相关测量仪17中的一束平行光首先透过1/4波片11进入由1/4波片11和偏振片10组成的分束器18中，调节1/4波片11改变入射光的偏振态，使得通过1/4波片11入射到偏振片10上的一束平行光为圆偏振光，偏振片10将入射的圆偏振光分成强度基本相同的两路偏振方向垂直的线偏振平行光分别反射和透射导出分束器18。
(4)通过偏振片10透射出去的一束偏振光经过全反镜19反射后，入射到非线性晶体KDP片20上。
(5)通过偏振片10反射出去的一束偏振光经过全反镜12反射进入由45°全反镜13和45°全反镜14构的成直角反射器15中，然后光束被直角反射器15反射到全反镜16上，全反镜16将这束偏振光同样入射到非线性晶体KDP片20上。两路入射到非线性晶体KDP片20上的偏振方向相互垂直的偏振光在非线性晶体KDP片20内相交，两束光的交角～10度。
(6)由45°全反镜13和45°全反镜14构的成直角反射器15可以将从全反镜12入射的光束沿其逆方向反射到全反镜16上，并且直角反射器15可以沿从全反镜12入射的入射光的方向前后移动而保持反射到全反镜16上的光路不变。
(7)挡住一个方向入射到薄反射—透射镜8上的脉冲，只留任意一个单脉冲入射，仔细前后调节直角反射器15的位置，使得从入射到非线性晶体KDP片20上的两束偏振光在非线性晶体KDP片20中产生二次谐波沿两束入射的偏振光的角平分线出射。此时表明从分束器18输出的两路偏振方向相互垂直的两路光束到达非线性晶体KDP片20的光程相同。
(8)将入射到薄反射—透射镜8上的脉冲都放过来，在非线性晶体KDP片20上产生三个空间出射方向不同的二次谐波脉冲，入射到线阵CCD21上。
(9)在示波器9上显示线阵CCD21上采集到的多脉冲信号。
从步骤(1)到步骤(9)与上述步骤完全相同，然后移动直角反射器15改变一路偏振光的光程，移动长度为L，在示波器9上测量入射到线阵CCD21上的二次谐波位置的改变量T0，则示波器9上得到的脉冲间隔ΔT对应的时间t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
移动长度L及其对应的T0可以多次测量取平均值，减小机械和长度测量读数的误差，增加定标的精度。
移动长度L及其对应的T0可以多次测量取平均值，减小机械和长度测量读数的误差，增加定标的精度。
应用如图3所示的结构，在超短脉冲与半导体物质的相互作用实验中，共有两个脉宽为50fs的偏振方向相同的线偏振光超短脉冲在空间汇聚到一点，分别作为泵浦脉冲和探测脉冲，通过薄反射—透射镜8合并为一束双脉冲平行光通过45°全反镜7反射入相关测量仪17中，通过1/4波片11将线偏振光转变为圆偏振光。在非线性晶体KDP片22中产生三束二次谐波输出到线阵CCD23上，在示波器上显示波形见图5。通过定标得到在示波器上读数4ms对应于1125fs，图5中两个相邻脉冲之间间隔为1.432ms，因此测量得到两个脉冲之间的间隔为403fs。
权利要求
1.一种精密测量超短激光脉冲时间同步的装置，其特征在于它主要包括薄反射—透射镜(8)、45°全反镜(7)、由1/4波片(11)和偏振片(10)构成的分束器(18)、全反镜(12)、由45°全反镜(13)和45°全反镜(14)互为直角而构成直角反射器(15)、全反镜(16)、全反镜(19)、非线性晶体KDP片(22)、线阵CCD(21)和示波器9，其位置关系如下薄反射—透射镜(8)置于两个不同方向入射的待测光束的汇聚点，将该两束光脉冲收集成一束平行出射的双脉冲光束，经45°全反镜(7)的反射进入分束器(18)，分束器(18)中的1/4波片(11)用于将入射光变成圆偏振光，经偏振片(10)形成强度基本相等而偏振方向相互垂直的两束激光，其反射光经全反镜(12)、直角反射器(15)和全反镜(16)射到非线性晶体KDP片(22)上，由偏振片(10)透射的偏振光经全反镜(19)反射到非线性晶体KDP片(22)上，该两束偏振方向相互垂直的激光脉冲在晶体中和晶体相互作用产生二次谐波，由线阵CCD(21)探测该二次谐波在空间的位置，示波器(9)连接线阵CCD(21)。
2.根据权利要求1所述的精密测量超短激光脉冲时间同步的装置，其特征是透射光路中，在全反镜(19)和非线性晶体KDP片(22)之间还有反射镜(20、21)。
3.根据权利要求1所述的精密测量超短激光脉冲时间同步的装置，其特征在于所述的直角反射器(15)可以沿入射光方向前后移动。
4.根据权利要求1所述的精密测量超短激光脉冲时间同步的装置的定标方法，其特征在于包括如下具体步骤(1)首先将薄反射—透射镜(8)放置在两待测脉冲光束在空间的交点上，调节薄反射—透射镜(8)的方向，使得一光束入射到薄反射—透射镜(8)部分透过薄反射—透射镜(8)出射，而另一束入射到薄反射—透射镜(8)上的光束部分被薄反射—透射镜(8)反射，并形成共线光束；(2)通过45°全反镜(7)反射进入相关测量仪(17)中的一束平行光，首先调节1/4波片(11)使成为圆偏振光，偏振片(10)将入射的圆偏振光分成强度基本相同的两路偏振方向垂直的反射和透射偏振光；(3)通过偏振片(10)透射出去的一束偏振光经过全反镜(19)反射后，入射到非线性晶体KDP片(22)上；(4)通过偏振片(10)反射的一束偏振光经过全反镜(12)反射进入由45°全反镜(13)和45°全反镜(14)构的成直角反射器(15)，再经全反镜(16)将这束偏振光反射到非线性晶体KDP片(22)上；(5)挡住一个方向入射到薄反射—透射镜(8)上的脉冲，只留任意一个单脉冲入射，仔细前后调节直角反射器(15)的位置，使得从入射到非线性晶体KDP片(22)上的两束偏振光在非线性晶体KDP片(22)中产生的二次谐波沿两束入射的偏振光的角平分线出射；此时表明从分束器(18)输出的两路偏振方向相互垂直的两路光束到达非线性晶体KDP片(22)的光程相同。(6将入射到薄反射—透射镜(8)上的脉冲都放过来，在非线性晶体KDP片(22)上产生三个空间出射方向不同的二次谐波脉冲，入射到线阵CCD(23)上；(7)在示波器(9)上测试线阵CCD(21)上采集到的多脉冲信号。(8)然后移动直角反射器(15)改变一路偏振光的光程，移动长度为L，在示波器(9)上测量入射到线阵CCD(21)上的二次谐波位置的改变量T0，则示波器(9)上得到的脉冲间隔ΔT对应的时间为t＝2LΔT/T0C式中C是真空中的光速。
全文摘要
一种精密测量超短激光脉冲时间同步装置，主要是对空间两个不同方向汇聚于一点的超短激光脉冲，通过一块薄反射－透射镜输出成一束共线激光光束，通过一片1/4波片和偏振片分成强度相近而偏振方向相互垂直的两束激光，入射到一块非线性晶体中，通过在非线性晶体中脉冲间的相互作用，得到一系列二次谐波脉冲，通过一个连接示波器的线阵CCD测量二次谐波脉冲在空间的分布，在示波器上可以得到一系列的脉冲波形，通过测量示波器上脉冲之间的间隔，就可以获得多个超短脉冲之间的相互延时。本发明的装置可以精密测量超短激光脉冲之间的延时，测量精度高，达到fs量级，测量误差小。
文档编号G01J11/00GK1444024SQ0311663
公开日2003年9月24日 申请日期2003年4月25日 优先权日2003年4月25日
发明者邓蕴沛, 冷雨欣, 唐斌, 陆�：�, 林礼煌, 李儒新, 季忠刚 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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