用于单次相关测量仪时间分辨率的精密标定方法

摘要

一种用于单次相关测量仪时间分辨率的精密标定方法，首先将分划板安装到第一相关光束或者第二相关光束中，使其垂直于光束传输方向；然后通过角度尺测量相关光束的夹角；最后通过光电探测器检测分划板在相关信号上的投影，并计算得到时间分辨率。本发明方法对于标定脉冲的脉宽不敏感，能够在标定脉冲的脉宽接近或大于自相关仪、顶部变化平缓导致相关信号的脉冲峰值辨认困难的情况下得到具有较小误差、较高准确性的时间分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及单次自相关和单次互相关仪，特别是一种用于单次相关测量仪时间 分辨率的精密标定方法。

背景技术

传统的激光脉冲的脉冲宽度测量方法，有示波器和条纹相机两种。当采用 16GHz的高速示波器进行脉宽测量时，考虑到快响应光电管、屏蔽电缆线、以及相 应的接口电路元器件的带宽，其上升沿响应为71.5ps，即时间分辨率大于71.5ps。 当采用条纹相机时，其时间分辨率为2.85ps。为了能够实现<10ps、甚至飞秒级的 脉冲宽度的测量，科学家们发展了相关测量原理。

R.A.Ganeev在1995年提出了自相关方法实现超短脉冲时间波形测量的原始方 案（参见Optics Communications，Vol.114，1995，432～434）。M.Raghuramaiah在 2001年完善了自相关方法测量超短脉冲的脉冲宽度的理论分析方法（参见 SADHANA-ACADEMY PROCEEDINGS IN ENGINEERING SCIENCES，Vol.26， 2001，603～611）。L.Zheng在1995年通过互相关方法实现了脉冲的时间波形，包 括脉宽及其前后沿分辨能力（参见Optics Letters，Vol.20，1995，407～409）。与自 相关过程相比较，互相关过程的优势在于能够实现脉冲的前后沿分辨，缺点在于工 作介质中的互相关转换效率非常低。在常规的脉冲宽度测量需求中，自相关方法得 到了广泛的应用。

基于以上研究基础，美国相干公司(Coherent Inc.)的研制了商用的飞秒级脉宽测 量仪SSA-P，测量范围为30-300fs，其标称分辨率为5fs。上海光学精密机械研究所 研制了皮秒级脉宽测量仪PsWidth20，测量范围为1-18ps，其标称分辨率为0.1ps。

为了标定和验证自相关测量仪的时间分辨率，本人在2012年基于自标定方法 开展了皮秒级脉宽测量仪的标定工作（参见《中国激光》，Vol.39，2012，0408003-1～ 0408003-4）。

自标定方法的缺点在于，由于标定实验中脉冲（以下简称标定脉冲）自身的脉 宽限制，得到的时间分辨率不可能小于标定脉冲的脉宽。而且，当标定脉冲的脉宽 接近或大于自相关仪的测量范围时，顶部比较平缓，无法准确地观测到峰值的移动 量，得不到准确的时间分辨率。为了使时间分辨率小于标定脉冲的脉宽，实现更精 密、更准确的脉冲宽度测量，需要考虑对标定脉冲的脉宽不敏感的技术方案。

发明内容

本发明所要解决的问题在于提供一种用于单次相关测量仪时间分辨率的精密 标定方法，以解决现有技术的不足，提高相关测量原理中的时间分辨率，从而提高 测量结果的可靠性和准确性。

本发明的技术解决方案是：

一种用于单次相关测量仪时间分辨率的精密标定方法，其特点在于该方法包括 以下步骤：

①将分划板安装到第一相关光束或者第二相关光束中，使其垂直于光束传输方 向，分划板的尺寸表示为x；

②将光电探测器的探测面平行于第一相关光束和第二相关光束的相关工作面， 检测分划板在相关信号上的投影y；

③测量相关的第一相关光束和第二相关光束的夹角为φ；

④按下列公式计算单次自相关或互相关测量仪的时间分辨率ρ：

ρ=2z/cy=2x×tan(φ/2)/cy

式中，c为光速。

所述的分划板为带刻度的透明材料、具有固定间距和图样的透明材料或不透明 材料。

所述的第一相关光束、第二相关光束为：任意百分比分光镜的反射光和透射光、 任意百分比分光镜的反射光经过非线性晶体所产生的信号和透射光、任意百分比分 光镜的反射光和透射光经过非线性晶体所产生的信号。

所述的相关过程工作面，为非线性晶体的前表面，所述的非线性晶体包括但不 限于BBO、LBO、KDP、PPLN。

所述的光电检测器为CCD、光电二极管或快响应光电管。

上述步骤的要点是：

（1）分划板应当尽可能垂直于光束传输方向，减小角度偏差导致的分划板在 相关信号上的投影的长度偏差。

（2）尽可能使用高精度的角度尺测量相关光束的夹角，比如组合角度尺、万 能角度尺；

（3）为了提高光电探测器的检测精度，需要采用光学成像系统，使相关过程 工作面与光电探测器之间满足物像关系。

本发明的技术效果如下：

本发明自相关仪的时间分辨率的标定过程对标定用脉冲的脉宽的敏感度大幅 度地下降，即可以在脉宽连续变化的情况下，实时地得到时间分辨率，即使是在脉 宽接近或者大于自相关仪的测量范围时。

本发明在具有展宽和压缩功能的啁啾脉冲激光系统中具有理想的应用前景。例 如，对于大型皮秒拍瓦激光系统中的1-50ps的脉宽调节范围，可以在20ps或者更 宽的脉冲条件下完成时间分辨率的标定实验。从而可以在脉宽的压缩过程中实时地 提供脉宽测量的可靠结果，特别是当脉冲宽度处于1-10ps范围内时也具有较小的 误差和较高的可靠性。对于调节范围在30fs～300fs的飞秒级脉冲也具有同样的效 果。

附图说明

图1是本发明用于单次相关测量仪时间分辨率的精密标定方法实施例1的结构 简图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。

先请参阅图1，图1是本发明用于单次相关测量仪时间分辨率的精密标定方法 实施例1的结构简图。第一相关光束1表示为图1中3根粗实线，第二相关光束2 表示为图1中3根粗虚线，两者之间构成一个夹角φ，为相关光束夹角3，相关过 程工作面4为实线AO所在的平面。第一相关光束1的中心线与第二相关光束2的 中心线在相关过程工作面4上的交点为O点。第一相关光束1的中心所在的等相位 面5与其自身的传播方向垂直，第二相关光束2的中心所在的等相位面6与其自身 的传播方向垂直。标定实验中用到的分划板7位于第一相关光束1中。分划板7在 相关信号中的投影8，点划线表示的相关信号9和光电探测器10均位于相关过程工 作面4之后。

在相关过程中所采用的第一相关光束1、第二相关光束2在纸面所在的平面内 均具有一定的宽度，是无数个细光束的集合。当第一相关光束1的中心、第二相关 光束2的中心同时到达相关工作面4（AO所在的平面）时，O点处的相关作用时间 最长，为整个脉宽宽度，因此能够得到最强的相关信号。即相关信号的峰值位于O 点。

由于相关光束夹角3的存在，在直线AO上，沿着从O点向A点的方向，第一 相关光束1中的细光束到达相关过程工作面4的光程L_1A，逐渐小于中心处细光束的 光程L_1O，第二相关光束2中的细光束到达相关过程工作面4的光程L_2A，逐渐大于 中心处细光束的光程L_2O，。以A点处为例，第一相关光束1中通过A点的细光束， 与通过O点的细光束所在的等相位面5相比，光程少了-z。同样，第二相关光束2 中通过A点的细光束，与通过O点的细光束所在的等相位面6相比，光程多了+z。 即有以下等式成立：

L_1O-z=L_1A              （1）

L_2O+z=L_2A              （2）

L_1O=L_2O                 （3）

在自标定方法中，如果要使得相关信号的峰值从O点移动到A点，移动距离表 示为y，则需要使A点处的第一相关光束1中的细光束与第二相关光束2中的细光 束的光程相等。在自标定方法中，是将第一相关光束1的光程L_1A改变为L’_1A，即 L’_1A=L_1A-2z，从而使得L’_1A=L_2A。光程变化量2z所对应的时间变化量为Δt=2z/c， c为光速，因此自相关信号峰值的移动量y与时间变化量Δt的关系可以表示为

ρ=Δt/y=2z/cy               （4）

ρ即是标定实验所需要的时间分辨率。

在本发明所述的技术方案中，采用了静态的方法识别光程2z与自相关信号峰 值的移动量y的关系。具体操作步骤为：

①将分划板7安装到第一相关光束1或者第二相关光束2中，使其垂直于光束 传输方向；

②通过光电探测器10检测分划板在相关信号上的投影8；

③通过角度尺测量相关光束的夹角3；

④根据相关光束夹角3的测量值φ、分划板7的测量值x、光电探测器10的测 量值y，计算得到时间分辨率ρ。

在实施例1中，分划板的尺寸表示为x。根据图1中与相关光束夹角3相关联 的三角函数关系可以知道，自相关信号峰值移动量y，光程变化量2z，与第一相关 光束1中的尺寸x构成了一个直角三角形。第一相关光束1中的尺寸x在相关过程 工作面4上的投影为

y=x/cos(φ/2)           （5）

第一相关光束1中的尺寸x在光束传播方向上的投影为：

z=x×tan(φ/2)             （6）

因此，根据公式（4）、（5）、（6）、（7），时间分辨率ρ可以表示为

ρ=2z/cy=2x×tan(φ/2)/cy               （7） 公式（7）中，分划板的尺寸x、相关光束夹角φ均为固定量，可以在由游标卡尺、 组合角度尺等工具测量得到。光速c为常量。分划板7上的尺寸x在相关工作面4 上的投影y需要在标定实验中采用光电探测器，比如CCD，进行测量。因此可以仅 仅通过1个脉冲的1次测量结果就得到时间分辨率ρ。而在自标定方法中，相关信 号移动量y的测量至少需要2个脉冲的2次测量结果进行相减。

下面讨论该发明的标定误差。

分划板7上的空间尺寸由机械加工保证，绝对误差为±5um；皮秒级自相关仪 选用间距为1mm的尺寸时，相对误差为±0.5%；

相关光束夹角3通过组合角度尺进行测量，其角度φ的绝对误差dφ<±1°。 皮秒级自相关仪中，φ=55°，相对误差为tan(55°±1°/2)/tan(55°/2)=±2%；

相关信号9在光电探测器上的移动量由CCD进行测量。皮秒级自相关仪中的CCD 像素尺寸为20um，绝对误差为±20um。脉宽18ps时所对应的光程延迟量为

2z=18×10^-12s×3×10⁸m/s=5400um

由公式（5）、（6）得到相关信号范围：

y=z/sin(φ/2)=5.85×10³um

相对误差为±20um/5.85×10³um=±0.3%；

综上所述，本发明的标定方法，皮秒级自相关仪的标定误差为

$\delta =\pm \sqrt{{0.5}^2+2^2+{0.3}^2}=\pm 2.1\%$

在实施例2中，光路的基本结构和标定步骤与实施例1相同。不同的地方在于 分划板上的尺寸、相关光束的夹角、CCD的像素。

飞秒级自相关仪选用分划板上间距为100um的尺寸时，相对误差为±5%。

飞秒级自相关仪中，φ=10°，相对误差为tan(55°±1°/2)/tan(55°/2)= ±10%；

飞秒级自相关仪中的CCD像素尺寸为8um，绝对误差为±8um。脉宽300fs时所 对应的光程延迟量为

2z=300×10^-15s×3×10⁸m/s=90um

由公式（6）、（7）得到相关信号范围

y=z/sin(φ/2)=516um

相对误差为±8um/516um=±1.6%。

综上所述，飞秒级自相关仪的标定误差为

$\delta =\pm \sqrt{{0.5}^2+{10}^2+{1.6}^2}=\pm 11.3\%$

所以，采用该发明的标定，即使标定用脉冲的脉宽接近或大于自相关仪的测量 范围，顶部变化缓慢，仍然能够得到高可靠性、高精度的时间分辨率，并且只需要 1个脉冲的1次测量结果。这对于发射间隔时长2小时、调试发次有限、脉宽变化 范围大的大型皮秒级拍瓦激光系统来说非常有用。