高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪

摘要

一种高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪，包括沿光路依次放置的盘式可变倍率反射式衰减器、第一反射镜以及五五分光镜，该五五分光镜将入射光一分为二，一路透射光经过第二反射镜和第三反射镜组成的延迟器之后，再经过第四反射镜进入相关晶体；另一路反射光经过第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜之后同样进入相关晶体，并将相关信号成像到探测器中，最后通过计算机处理相关信号，得到被测飞秒激光脉冲的宽度。本发明可以对被测脉冲进行自动衰减，从而保证相关晶体和探测器的安全以及测量结果的准确性；同时消除了由于入射光束发散度对测量结果的影响，非常方便地满足了超短飞秒激光系统中对飞秒激光脉冲宽度精确测量的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光系统中高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪。

背景技术

超短脉冲激光系统中最终物理打靶的激光脉冲宽度是一项非常重要的技术参数，决定了激光脉冲与物质相互作用时的实时功率。脉宽宽度越短，要求测量到的激光脉冲宽度的精度更高。

超短激光脉冲宽度测量的经典办法为自相关法，在皮秒或亚皮秒的超短脉冲宽度测量中，测量精度在50fs-100fs就足够了，此时对于测量系统由于衰减等引入的材料色散以及输入光束的发散度等对测量脉宽的影响很小，可以忽略。而对于小于50fs的激光脉冲宽度测量来说，这些因素对于测量结果的影响都非常大。假设进入飞秒激光脉冲宽度测量仪的飞秒脉冲为无啁啾的，经过透射式衰减片等色散元件后，脉冲宽度将被展宽，展宽后的脉冲宽度可以由下式计算得到：

式中t_p为展宽后的脉冲宽度，t₀为初始脉冲宽度，为色散元件的二阶色散。

根据公式(1)，对于10fs的测量脉冲宽度来说，当采用1mm厚透射式K9玻璃衰减片时，测量到的脉冲宽度为：15.8fs；当采用2mm厚透射式K9玻璃衰减片时，测量到的脉冲宽度为：26.4fs，显然，被测结果与实际值产生了很大偏差。

在实际的工程应用中，为了得到每发超短激光脉冲宽度数据，必须根据每发的能量大小进行恰当的衰减，通常来说，为了不影响测量光路的方向，其衰减片为透射式，但是这样会使测量结果失真。如果采用计算的办法将飞秒激光脉冲宽度测量仪中透射式衰减片引入的色散剔除，其结果不具有唯一性，因为初始脉冲可能具有：正啁啾、负啁啾和无啁啾，即一个测量结果至少可以计算得到3个不同结果，且很难判断哪个结果是正确的。

另外，对于超短飞秒激光脉冲宽度测量来说，即使被测脉冲的发散度极小，也会使测量结果产生较大误差。而这些对于百飞秒激光脉冲和皮秒激光脉冲宽度测量来说，都是可以忽略的。

同时，为了测量飞秒激光脉冲宽度，测量仪器还必须具有极高的分辨率，而这些在皮秒或者百飞秒脉冲测量中也是不需要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪，该仪器可以实现超短飞秒激光系统中激光脉冲宽度高精度实时测量，克服了由于衰减等材料色散以及被测激光脉冲发散度对测量结果的影响。该测量仪器最小可测激光脉冲时间宽度为6fs，分辨率为1.9fs。

本发明的技术解决方案是：

一种高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪，包括盘式可变倍率反射式衰减器、第一反射镜、五五分光镜、由第二反射镜和第三反射镜组成的延迟器、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、相关晶体、成像系统、第八反射镜、探测器和计算机，该计算机分别与所述的探测器和盘式可变倍率反射式衰减器相连；

沿光路依次放置所述的盘式可变倍率反射式衰减器、第一反射镜以及五五分光镜，该五五分光镜将入射光分为透射光和反射光两路，所述的透射光经过第二反射镜和第三反射镜组成的延迟器之后，再经过第四反射镜之后进入相关晶体；所述的反射光依次经所述的第五反射镜、第六反射镜和第七反射镜之后，射入相关晶体；经所述的相关晶体得到相关信号，该相关信号依次经成像系统、第八反射镜后，成像到探测器中，最后传输到计算机，通过计算机处理相关信号，得到被测飞秒激光脉冲的宽度。

在所述的相关晶体中入射的反射光与透射光之间存在一个非共线的夹角使反射光与透射光在相交位置处产生空间上的延迟，该空间延迟通过相关晶体后得到相关信号。

通过调节所述的延迟器的位置，使所述的透射光到达相关晶体的光程与所述的反射光到达相关晶体的光程相等。

被测对象既可以是单次飞秒激光信号，也可以是重复频率的飞秒激光信号。

所述的盘式可变倍率反射式衰减器由一个电动衰减盘和4片不同衰减倍率的反射式衰减片组成，衰减片的反射衰减倍率可以分别为：0.1％，1％，10％，90％等等任意衰减值；通过计算机可以控制衰减器中衰减盘的转动，从而实现对被测脉冲进行灵活衰减，同时不改变进入高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪的光路方向，且不引入材料色散；

所述的相关晶体为非线性晶体，包括BBO、LBO、KDP、YCOB。

本发明的技术效果是：

1)采用盘式可变倍率反射式衰减器对被测信号进行灵活衰减，同时不改变进入高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪的光路方向，且不引入材料色散，保证测量结果的准确性；

2)采用成像系统将相关信号准确的成像在探测器中，消除了由于被测光束发散度对测量结果的影响，非常方便地满足了高功率飞秒激光系统中对飞秒激光脉冲宽度精确测量的需求。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构简图。

图中：1-盘式可变倍率反射式衰减器；2-第一反射镜；3-五五分光镜；4-第二反射镜；5-第三反射镜；6-延迟器；7-第四反射镜；8-第五反射镜；9-第六反射镜；10-第七反射镜；11-相关晶体；12-成像系统；13-第八反射镜；14-探测器；15-计算机。

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。

当被测激光脉冲为飞秒量级(6fs-0.5ps)的超短飞秒激光脉冲时，请参阅图1，图1为本发明实施例的结构简图，用于实现6fs-0.5ps之间飞秒激光脉冲宽度的精确测量和分析需求。被测脉冲首先通过盘式可变倍率反射式衰减器1将被测脉冲进行恰当的衰减，由于该衰减器为反射式衰减，所以不会引入材料色散。经过衰减后被测脉冲进入高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪内部，然后经由第一反射镜2以及五五分光镜3，该五五分光镜3将入射光一分为二，一路透射光经过第二反射镜4和第三反射镜5组成的延迟器6之后，再经过第四反射镜7之后进入相关晶体11；另一路反射光经过第五反射镜8、第六反射镜9、第七反射镜10之后同样进入相关晶体11。经过相关晶体后得到相关信号，该相关信号经过成像系统12成像到探测器14上，且被探测器14接收，然后传输到计算机15进行分析处理，得到被测脉冲的宽度。

反射光与透射光之间存在一个非共线的夹角从而使反射光与透射光在相交位置处产生空间上的延迟，即在相关晶体11上产生空间上的延迟，该空间延迟通过相关晶体11后，得到相关信号。

假设探测器14采用CCD，该CCD每个像素的大小为d，光速为c，与被测脉冲线形的相关系数为k(例如当被测脉冲为双曲正割是，k＝1.53)，成像系统12采用1：1成像，则该探测器的时间分辨率为：

特别地，当被测脉冲的线型为双曲正割，即k＝1.532,光电探测器(CCD)上的像素单元尺寸为8.3um/pixel，分辨率为582×852时，带入公式(2)可以得到此时的分辨率为：1.9fs/pixel，进一步计算可以得到，该探测器能测量的飞秒激光脉冲宽度范围为：6fs-1.6ps。

通过以上的计算可以看出，该飞秒激光脉冲测量仪可以具有极高的分辨率(1.9fs/pixel)；

所述的高分辨率飞秒激光脉冲宽度测量仪由于采用盘式可变倍率反射式衰减器，既可以对被测脉冲进行灵活的衰减，保证测量仪器安全，又不会引入材料色散，保证测量的准确性；

所述的成像系统将相关信号准确的成像在探测器中，消除了由于被测光束发散度对测量结果的影响，非常方便地满足了高功率飞秒激光系统中对飞秒激光脉冲宽度精确测量的需求。