一種超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及到多束超短脈沖之間時(shí)間同步的測(cè)量裝置和測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)的研制引起了人們極大的興趣，超相對(duì)論強(qiáng)度水平(>1023 W/cm2)的激光系統(tǒng)可用來(lái)研究各種現(xiàn)象，如激光-等離子電子、離子加速、硬X射線、相對(duì)論自聚焦等。受限于放大器和壓縮元件的尺寸、損傷閾值、熱效應(yīng)以及非線性效應(yīng)，當(dāng)前單路激光系統(tǒng)的峰值強(qiáng)度記錄為2*1022W/cm2。若采用相干組束則有望進(jìn)一步提高激光系統(tǒng)的峰值強(qiáng)度，而超短脈沖的高效相干組束對(duì)脈沖間的時(shí)間同步提出了極高的要求，飛秒脈沖的有效相干疊加要求各路脈沖的相對(duì)時(shí)間抖動(dòng)為亞飛秒量級(jí)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量方法主要有:光譜干涉法(參見(jiàn)PlasmaPhysics and Controlled Fus1n, 2008, vol.50, 124045)、光學(xué)互相關(guān)法(參見(jiàn)Applied Physics B, 2009, vol.97，445)等。其中，光譜干涉法的時(shí)間同步精度較低，通常為數(shù)十飛秒。最為常用的是光學(xué)互相關(guān)法，但光學(xué)互相關(guān)法的測(cè)量精度與脈沖寬度有關(guān)，脈沖寬度越窄，測(cè)量精度越高。對(duì)于亞飛秒乃至百阿秒量級(jí)的時(shí)間同步測(cè)量精度則鮮有報(bào)道。
[0004]中國(guó)發(fā)明專利號(hào)為201410264530.7的《多束超短脈沖時(shí)間同步和相位同步的診斷裝置及診斷方法》，其采用的是皮秒脈沖光源，測(cè)量方法是光學(xué)互相關(guān)方法測(cè)量時(shí)間同步，即將兩待測(cè)脈沖線聚焦到晶體中，其采用觀測(cè)焦斑形態(tài)的方法判斷相位同步。由于他采用的是皮秒光源，所以他的同步精度較低，只能是百飛秒量級(jí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種新的用于超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。本發(fā)明的測(cè)量裝置及測(cè)量方法在采用在光學(xué)互相關(guān)測(cè)量時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，采取電學(xué)能量平衡法進(jìn)一步提升時(shí)間同步測(cè)量精度，使得時(shí)間同步測(cè)量精度達(dá)到亞飛秒量級(jí)。
[0006]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明專利提供的技術(shù)方案如下:
一種超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置，其特征在于，該測(cè)量裝置包括有光學(xué)延遲線、第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第一反射鏡、透鏡、非線性晶體、小孔光闌、第一光電二極管、半波片、合束器、四分之一波片、偏振分束器、第二光電二極管、第三光電二極管和減法器；所述的光學(xué)延遲線由兩塊反射鏡組成并設(shè)置在精密平移臺(tái)上，該兩塊反射鏡垂直放置，所述的精密平移臺(tái)沿光束入射方向前后移動(dòng)；
兩束待測(cè)的超短脈沖激光平行入射，第一束待測(cè)超短脈沖依次經(jīng)過(guò)光學(xué)延遲線和第一半透半反鏡，經(jīng)所述的第一半透半反鏡透射后垂直地入射至所述的透鏡，第二束待測(cè)超短脈沖先經(jīng)第二半透半反鏡反射后再經(jīng)第一反射鏡反射垂直地入射至所述的透鏡中，入射至所述透鏡中的第一束待測(cè)超短脈沖和第二待測(cè)超短脈沖相互平行，經(jīng)過(guò)所述透鏡聚焦的兩束待測(cè)超短脈沖入射至所述的非線性晶體，由非線性晶體出射兩束待測(cè)超短脈沖的倍頻光以及和頻光，所述的小孔光闌阻擋住兩束待測(cè)超短脈沖的倍頻光但容許和頻光通過(guò)，兩束待測(cè)超短脈沖的和頻光入射至所述的第一光電二極管中；
所述第二束待測(cè)超短脈沖經(jīng)第二半透半反鏡透射后經(jīng)過(guò)所述的半波片，透過(guò)半波片的第二待測(cè)超短脈沖入射至所述的合束器中，所述的第一束待測(cè)超短脈沖經(jīng)所述的第一半透半反鏡反射后入射至所述的合束器中，經(jīng)過(guò)所述合束器的第一束待測(cè)超短脈沖和第二束待測(cè)超短脈沖再通過(guò)所述的四分之一波片入射至所述的偏振分束器中，經(jīng)偏振合分束器分束后分別入射至所述的第二光電二極管和第三光電二極管，所述的第二光電二極管和第三光電二極管均連接于所述的減法器，由減法器的輸出電壓信號(hào)判斷兩束待測(cè)超短脈沖的時(shí)間同步情況。
[0007]在本發(fā)明超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置中，所述第一束待測(cè)超短脈沖和第二束待測(cè)超短脈沖的光束行進(jìn)方向?yàn)閦軸，X軸為與光束行進(jìn)方向垂直的面內(nèi)的水平軸，所述的半波片的光軸與X軸呈45度，所述的四分之一波片的光軸與X軸呈45度。
[0008]在本發(fā)明超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置中，所述的非線性晶體包括偏磷酸鋇(BBO)、磷酸二氫鉀(KDP)、三硼酸鋰(LBO)。
[0009]在本發(fā)明超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置中，判斷兩束待測(cè)超短脈沖的時(shí)間同步情況的方法為:移動(dòng)光學(xué)延遲線，使得第一光電二極管獲得和頻光信號(hào)的最大值，達(dá)到兩束待測(cè)超短脈沖初步達(dá)到時(shí)間同步；進(jìn)一步調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線，若減法器輸出信號(hào)為0，則兩束超短脈沖達(dá)到高精度時(shí)間同步，兩束所述的待測(cè)超短脈沖的同步精度為300as。
[0010]一種利用上述測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)兩束待測(cè)超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括如下具體步驟:
第一步，組裝完成超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置；
第二步，將第一束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過(guò)光學(xué)延遲線、第一半透半反鏡后垂直地入射到所述的透鏡中，第二束超短待測(cè)脈沖經(jīng)過(guò)第二半透半反鏡和第一反射鏡后垂直地入射到所述的透鏡中，兩束待測(cè)超短脈沖相互平行地入射到所述的透鏡上，經(jīng)所述的透鏡聚焦的兩束待測(cè)超短脈沖入射到所述的非線性晶體中，由非線性晶體出射的光束通過(guò)小孔光闌后再由第一光電二極管接收，通過(guò)移動(dòng)精密平移臺(tái)來(lái)變換光學(xué)延遲線的位置，使得第一光電二極管的和頻光信號(hào)達(dá)到最大值，則此時(shí)兩束待測(cè)超短脈沖初步達(dá)到時(shí)間同步；
第三步，第二束待測(cè)超短脈沖通過(guò)第二半透半反鏡透射，再經(jīng)半波片達(dá)到合束器，第一束待測(cè)超短脈沖通過(guò)第一半透半反鏡反射后達(dá)到所述的合束器，合束后的兩束待測(cè)超短脈沖經(jīng)過(guò)四分之一波片后抵達(dá)偏振分束器，經(jīng)偏振分束器分為反射光和透射光，反射光投射到第二光電二極管上，透射光投射到第三光電二極管上，第二光電二極管和第三光電二極管輸出的信號(hào)均進(jìn)入減法器；
第四步，由減法器輸出的電壓信號(hào)判斷兩束待測(cè)超短脈沖的時(shí)間同步情況，在兩束待測(cè)超短脈沖初步達(dá)到時(shí)間同步后，進(jìn)一步精確調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線的位置，若減法器輸出信號(hào)為0，則兩束待測(cè)超短脈沖到高精密時(shí)間同步，時(shí)間同步精度能夠達(dá)到300as。
[0011]在所述測(cè)量方法的第二步中，調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線，使得和頻光信號(hào)為最大值的一半，檢測(cè)該處和頻光信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間同步穩(wěn)定性的監(jiān)控。
[0012]在所述測(cè)量方法的第三步中，在減法器輸出的信號(hào)為O時(shí)，監(jiān)測(cè)該處輸出信號(hào)在I小時(shí)的穩(wěn)定性，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下I小時(shí)內(nèi)可將同步范圍穩(wěn)定在三個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，若采用閉環(huán)控制，則將時(shí)間同步穩(wěn)定在亞飛秒量級(jí)。
[0013]基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法在超短脈沖時(shí)間同步的操作中取得了如下技術(shù)效果:
1.本發(fā)明采用在光學(xué)互相關(guān)測(cè)量時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，采取電學(xué)能量平衡法進(jìn)一步提升時(shí)間同步測(cè)量精度。
[0014]2.本發(fā)明的時(shí)間同步測(cè)量精度可達(dá)亞飛秒量級(jí)，能夠用于高能皮秒拍瓦激光、飛秒激光等超短脈沖的時(shí)間同步測(cè)量。
[0015]3.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多束超短脈沖的時(shí)間同步測(cè)量與穩(wěn)定性監(jiān)控，對(duì)于實(shí)現(xiàn)超短脈沖高效相干組束具有重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖。
[0017]圖2是采用光學(xué)互相關(guān)法，使得兩束待測(cè)超短脈沖和頻信號(hào)達(dá)到最大值的一半后，監(jiān)測(cè)該處強(qiáng)度值在Ih內(nèi)的時(shí)間穩(wěn)定性曲線。
[0018]圖3是采用電學(xué)能量平衡法，將兩束待測(cè)超短脈沖達(dá)到高精密時(shí)間同步后，減法器輸出信號(hào)在Ih內(nèi)的穩(wěn)定性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面我們結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明超短脈沖之間時(shí)間同步的測(cè)量裝置和測(cè)量方法做進(jìn)一步的詳細(xì)闡述，以求更為清楚明了地理解其具體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，但不能以此來(lái)限制本發(fā)明專利保護(hù)范圍。
[0020]先請(qǐng)看圖1，本發(fā)明首先設(shè)計(jì)制作出了一種超短脈沖時(shí)間同步的測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置包括有光學(xué)延遲線1、第一半透半反鏡2、第二半透半反鏡3、第一反射鏡4、透鏡5、非線性晶體6、小孔光闌7、第一光電二極管8、半波片9、合束器10、四分之一波片11、偏振分束器12、第二光電二極管13、第三光電二極管14和減法器15。
[0021]上述的光學(xué)延遲線I由兩塊反射鏡組成并設(shè)置在精密平移臺(tái)上，所述的精密平移臺(tái)可沿光束入射方向前后移動(dòng)。各45°放置的兩塊反射鏡布置在精密光學(xué)平移臺(tái)上，該兩塊反射鏡呈垂直放置，使得入射的光束經(jīng)過(guò)兩次反射后與入射光平行的方向出射。光學(xué)延遲線I的主要功能是調(diào)節(jié)兩束待測(cè)超短脈沖之間的時(shí)間延遲。
[0022]兩束待測(cè)的超短脈沖激光平行入射，激光光源采用的200fs的光源。第一束待測(cè)超短脈沖依次經(jīng)過(guò)光學(xué)延遲線I和第一半透半反鏡1，經(jīng)所述的第一半透半反鏡I透射后垂直地入射至所述的透鏡5。第二束待測(cè)超短脈沖先經(jīng)第二半透半反鏡3反射后再經(jīng)第一反射鏡4反射，然后垂直地入射至所述的透鏡5中。入射至所述透鏡5中的第一束待測(cè)超短脈沖和第二待測(cè)超短脈沖相互平行，經(jīng)過(guò)所述透鏡5聚焦的兩束待測(cè)超短脈沖入射至所述的非線性晶體6中。所述的非線性晶體包括但不限于偏磷酸鋇(BBO)、磷酸二氫鉀(KDP)、三硼酸鋰(LBO)。由非線性晶體6出射的兩束待測(cè)超短脈沖的倍頻光以及和頻光入射到小孔光闌7上，所述的小孔光闌7阻擋住兩束待測(cè)超短脈沖的倍頻光但容許和頻光通過(guò)，兩束待測(cè)超短脈沖的和頻光入射至所述的第一光電二極管8上，并由第一光電二極管8接收和頻光信號(hào)，以測(cè)定和頻光信號(hào)強(qiáng)度的變化。
[0023]所述第二束待測(cè)超短脈