一种基于飞秒激光的探测超快现象的共光路干涉装置

摘要

一种基于飞秒激光的探测超快现象的共光路干涉装置。本装置应用于光学干涉探测的领域，可有效解决当前的超快探测方法的装置结构复杂、稳定性差等问题。本发明方案：飞秒光源发射出的超短脉冲沿法线垂直入射双折射晶体后,分为偏振相互垂直、有一定脉冲间隔的两个脉冲。两个线偏振脉冲经过一个1/4波片，偏振态转变为圆偏振光，对第一个脉冲进行泵浦，在后面加一个反射镜，使光路原方向折返。依次通过1/4波片、双折射晶体，偏振片，最后发生干涉，将泵浦信息固定在干涉条纹中,由CCD接收。该方法简便易行，能够消除非共轴光路引起的各种误差。可操作性强。

说明书

技术领域

本发明属于光学超快瞬态过程探测的技术领域，利用飞秒激光极短脉冲宽度，可以对 超快瞬态过程快速采样，在时间尺度上有更精细的时间快门。对样品进行多次重复泵浦， 在不同的探测延迟时间下，对超快过程进行重复采样，最后可将这些多次记录的结果拼接 成超高时间分辨率的动态图像。

背景技术

近几十年来，随着脉冲激光技术的飞速发展，超快脉冲激光被广泛的应用于各种领域， 开辟了新的方向，产生了诸如飞秒光子学、飞秒物理等交叉学科。超快脉冲激光以其极短 的脉冲宽度，可以提供时间分辨率高达飞秒量级的光探针，可以观测记录超快动力学的瞬 态过程，例如化学键的断裂与合成、空气等离子体的激发过程、电子的电离等超快过程。 目前应用最广泛、最有效的技术为飞秒泵浦-探测技术。一般来说，泵浦-探测过程中的泵 浦光和探测光的相对时间延迟是通过平移台的空间运动使两束光产生光程差来实现，实际 上，复杂光路的空间分布以及器件的光程损耗等产生的光程差往往可以大到与延迟线相 比。因此，泵浦光和探测光的准确时间难以精确的控制，无法保证探测超快过程的时间分 辨精度。

发明内容

本发明目的是解决传统泵浦探测超快现象方法的装置结构复杂、稳定性差、光程控制 误差极大等问题，提出一种基于飞秒激光的探测超快现象的共光路干涉简易稳定装置。

本发明提供的基于飞秒激光的探测超快现象的共光路干涉装置包括：

飞秒光源(1)，选择具有较短脉宽宽度的激光源，脉冲光的偏振态与x轴方向一致， 可在光源后加偏振片实现，脉冲光的中心波长为λ；

分光棱镜(2)，设置在飞秒光源的出射光路上，棱镜透反界面与入射光成45°角，是 对该中心波长λ的光强透反比为1:1的消偏振分光棱镜；

双折射晶体(3)，设置在分光棱镜的透射光路上，该双折射晶体的光轴方向与入射光 方向垂直，与双折射晶体表面平行，并且与脉冲光源的偏振态成45°角，单脉冲光经过双 折射晶体后，由于双折射效应，分为两个子脉冲；

λ/4波片(4)，设置在双折射晶体的透射光路上，该λ/4波片的光轴方向与两个子脉冲 的偏振方向成45°角；

泵浦光源(5)，加载在两个子脉冲之间，用于激发超快现象的会聚激光束，泵浦时间 与第二个子脉冲的时间间隔为Δt，Δt可控，重复该过程，可得到具有不同时间延迟的超 快图像，拼接为高时间分辨率的动态图像；

反射镜(6)，设置在λ/4波片的透射光路上，该反射镜的表面垂直于入射光方向，使 入射光按原路折返；

偏振片(7)，设置在分光棱镜的反射光路上，表面垂直于光路，该偏振片的光轴方向 与两个子脉冲的偏振方向分别成45°角，使两个子脉冲在偏振片的光轴方向上有共同的分 量，以便于实现干涉；

CCD(8)，设置在偏振片的透射光路上，用于记录两个子脉冲发生干涉后的干涉条纹。

本发明的优点和积极效果：

本发明装置与传统的泵浦探测装置相比，具有结构简单、系统稳定等优点。

附图说明

图1基于飞秒激光的探测超快现象的共光路干涉装置。

图中：(1)飞秒光源，(2)分光棱镜，(3)双折射晶体，(4)λ/4波片，(5)泵浦源， (6)反射镜，(7)偏振片，(8)CCD。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，为基于飞秒激光的探测超快现象的共光路干涉装置的原理图，该装置包 括：

飞秒光源(1)，选择具有较短脉宽宽度的激光源，脉冲光的偏振态与x轴方向一致， 可在光源后加偏振片实现，脉冲光的中心波长为λ；

分光棱镜(2)，设置在飞秒光源的出射光路上，棱镜透反界面与入射光成45°角，是 对该中心波长λ的透反比为1:1的消偏振分光棱镜；

双折射晶体(3)，设置在分光棱镜的透射光路上，该双折射晶体的光轴方向与入射脉 冲光方向垂直，与双折射晶体表面平行，并且与脉冲光源的偏振态成45°角，根据晶体的 双折射效应可知，当脉冲垂直于双折射晶体的光轴方向入射且晶体光轴平行于晶体表面 时，那么任意偏振状态的光入射至双折射晶体时，在双折射晶体内分束为共线传输的o光 和e光，o光和e光由于在晶体内有不同的折射率，在晶体内有不同的传播速度，会产生 两个能量相等脉冲间隔一定，偏振方向垂直的子脉冲；

λ/4波片(4)，设置在双折射晶体的透射光路上，该λ/4波片的光轴方向与两个子脉冲 的偏振方向分别成45°角；

泵浦光源(5)，加载在两个子脉冲之间，用于激发超快现象的会聚激光束，泵浦时间 与第二个单脉冲的时间间隔为Δt，Δt可控，重复该过程，可得到具有不同时间延迟的超 快图像，拼接为高时间分辨率的动态图像；

反射镜(6)，设置在λ/4波片的透射光路上，该反射镜的表面垂直于入射光方向，使 入射光按原路折返；

偏振片(7)，设置在分光棱镜的反射光路上，表面垂直于光路，该偏振片的光轴方向 与两个子脉冲的偏振方向分别成45°角，使两个子脉冲在偏振片的光轴方向上有共同的分 量，以便于实现干涉；

CCD(8)，设置在偏振片的透射光路上，用于记录两个子脉冲发生干涉后的干涉条纹。

本发明装置的工作过程详述如下：

(1)以脉冲的出射方向作为z轴方向建立xyz三维直角坐标系；

(2)飞秒光源1发出的单脉冲的偏振态为沿x轴方向上的线偏振光；

(3)经过光轴与x轴正方向成45°角的双折射晶体3之后，在双折射晶体内分束为 共线传输的o光和e光，o光和e光在传输方向上有一定的时间延迟，分为两个子脉冲， 两个子脉冲能量相等偏振态垂直；第一个子脉冲的偏振方向与x轴正方向成45°角，第二 个子脉冲的偏振方向与x轴的正方向成135°角；

(4)两个子脉冲经过λ/4波片4后成为圆偏振光，λ/4波片的光轴沿y方向；

(5)在两个子脉冲之间加载泵浦光，泵浦光与第二个子脉冲间隔Δt；

(6)两个子脉冲经反射镜6折返后，沿原光路再次进入λ/4波片，第一个子脉冲的 偏振方向由圆偏振光变为与x轴的正方向成135°角，第二个子脉冲的偏振方向由圆偏振光 变为与x轴正方向成45°角；

(7)两个子脉冲再次经过双折射晶体3，由于两个偏振方向的相对折射率不同，故 最终出射的两个子脉冲重合在一起，偏振态分别为与x轴正方向成45°角和与x轴的正方 向成135°角；

(8)两个子脉冲进入分光棱镜，将其反射至y方向光路中；

(9)由分光棱镜将子脉冲反射至y方向光路，经过光轴沿x轴方向的偏振片7后， 两个子脉冲的偏振态变得与偏振片光轴方向一致，并发生干涉；

(10)由CCD8记录干涉条纹。

该装置的器件均为同轴放置，对各器件的间距无严格要求。