專利名稱：精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于飛秒激光脈沖，精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散功能的氣體延遲系統(tǒng)。主要采用激光束相干的方法讀取時(shí)間延遲的變化，其時(shí)間延遲精度和測量精度可達(dá)亞阿秒(10-19秒)，可以保證飛秒脈沖經(jīng)過該系統(tǒng)后脈沖寬度不變。
為了使兩束光脈沖在時(shí)間上延遲一定的間隔，以往人們采用的是機(jī)械延遲線和壓電陶瓷延遲器等裝置。由于機(jī)械加工的限制，前者有精度低、振動(dòng)大、穩(wěn)定性差、光路調(diào)節(jié)難度大等缺點(diǎn)；后者因?yàn)楦淖児獬痰某叽缥⑿?，而在使用和調(diào)節(jié)時(shí)受到極大的限制。這兩種光延遲器的價(jià)格都比較昂貴。普通的氣體壓力時(shí)間延遲線克服了上述缺點(diǎn)，在用于寬脈沖激光、非相干激光、連續(xù)激光等的時(shí)間延遲上具有非常理想的特性。但在用于飛秒脈沖時(shí)卻存在著群速度色散問題，同時(shí)氣體壓力的測量精度取決于壓力傳感器的測量精度，往往不能發(fā)揮氣體壓力時(shí)間延遲技術(shù)的最大潛力。氣體延遲線的核心部件為高壓氣體腔，由于高壓氣體腔內(nèi)往往要充20個(gè)大氣壓的高壓氣體，因此它兩端的光學(xué)窗口就必須具有足夠的厚度。當(dāng)飛秒超短脈沖經(jīng)過這樣的光學(xué)窗口時(shí)就會(huì)由于光的群速度色散造成飛秒超短脈沖的寬化，從而改變了光束的質(zhì)量。另外，從原則上講，如果我們不考慮溫度、氣體流動(dòng)等因素的影響，氣體壓力時(shí)間延遲技術(shù)可以達(dá)到的最小延遲量是無限小的。但是，如何去表征和測量這樣微小的氣體壓力變化或時(shí)間延遲量是解決延遲精度問題的關(guān)鍵。
本發(fā)明的目的是提供一種精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、完全無振動(dòng)、調(diào)節(jié)范圍大的用于飛秒(10-15秒)光脈沖的、調(diào)節(jié)精度可達(dá)阿秒(10-18秒)尺度的并具有準(zhǔn)確讀出時(shí)間延遲量的變化和消除群速度色散功能的光學(xué)氣體壓力時(shí)間延遲系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案利用不同的氣體在不同的氣壓和溫度下對(duì)光的折射率不同的原理，通過恒定溫度、改變氣體壓力的方法改變光程，達(dá)到光線時(shí)間延遲的目的。通過延遲激光光束和非延遲激光光束間的干涉效應(yīng)，測量空間上某一點(diǎn)的相干強(qiáng)度變化，得到兩光束間激光脈沖的相對(duì)延遲，即可得到光程的變化。在兩束激光的夾角很小的情況下，相干條紋可以達(dá)到很寬的程度，相鄰的兩個(gè)相干條紋代表了兩束光的光程差為一個(gè)波長的距離，比如使用He-Ne激光作為相干光源，則這樣的光程差為632.8納米，對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲為2.11飛秒；如果將兩條紋間的強(qiáng)度分為1000個(gè)測試級(jí)別，則時(shí)間延遲精度可達(dá)2阿秒(10-18秒)。如果采用266納米的激光(YGA四倍頻諧波)精度可達(dá)1阿秒以下；另外，如果在光學(xué)氣體腔的兩端窗口上加上反射層，使入射的激光在光學(xué)氣體腔中經(jīng)過N次反射后射出，那么激光在光學(xué)氣體腔中所經(jīng)過的光程就為(N+1)倍的光學(xué)氣體腔長度，因此，可以將時(shí)間延遲的測量精度提高(N+1)倍。比如，同樣用He-Ne激光做相干光源，并且使其在光學(xué)氣體腔中反射10次，則時(shí)間延遲精度的測量可達(dá)0.2阿秒。當(dāng)然，對(duì)于不同的充入氣體、不同的光波波長以及不同的溫度，高壓氣體的折射率變化不同，具體的時(shí)間延遲量要隨這些參數(shù)而定。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1-飛秒激光器；2-飛秒激光束；3-激光分束器；4-分出的飛秒脈沖光束；5-氣體壓力延遲線的光學(xué)氣體腔；6-光學(xué)氣體腔5的入射窗口；7-光學(xué)氣體腔5的出射窗口；8-光學(xué)氣體腔5與高壓氣室的聯(lián)管；9-高壓氣室；10-由計(jì)算機(jī)控制的電磁充氣閥；11-安全閥；12-溫度調(diào)節(jié)器；13-溫度傳感器；14-由計(jì)算機(jī)控制的電磁放氣閥；15-色散元件，棱鏡或光柵；16-色散元件，棱鏡或光柵；17-具有正的群速度色散的飛秒脈沖激光束；18-經(jīng)過色散補(bǔ)償?shù)娘w秒脈沖激光束；19-復(fù)原的飛秒脈沖激光束；20-相干激光輸出激光器；21-激光分束器；24-光學(xué)氣體腔；22-光學(xué)氣體腔的入射光學(xué)窗口；23-激光分束器；25-光學(xué)氣體腔24的出射光學(xué)窗口；26-光學(xué)氣體腔24與高壓氣室9的連接氣管；27-光學(xué)狹縫；28-光強(qiáng)探測器；29-放大器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換；30-計(jì)算機(jī)及接口電路；31-溫度調(diào)節(jié)器與計(jì)算機(jī)接口控制聯(lián)線；32-溫度傳感器與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)線；33-計(jì)算機(jī)控制電磁放氣閥聯(lián)線；34-激光光強(qiáng)探測器；35-激光光強(qiáng)探測器與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)線；36-恒溫箱；37-溫度調(diào)節(jié)器；38-恒溫箱激光入射窗口；39-恒溫箱激光入射窗口；40-光學(xué)放大裝置；41-計(jì)算機(jī)及接口與電磁充氣閥10的聯(lián)線；42-通向恒溫36外面的排氣管道。
本發(fā)明的恒溫箱36開有入射窗口38和39，飛秒激光器1的飛秒激光束2，從入射窗口39射入，激光器20的激光束從入射窗口38射入。在入射窗口39相對(duì)的位置，飛秒激光器1和光學(xué)氣體腔5之間，安裝有分束器3。光學(xué)氣體腔5和高壓氣室9，通過聯(lián)管8連接，使高壓氣室9中的氣體進(jìn)入光學(xué)氣體腔5中，兩者的氣壓保持相等。在光學(xué)氣體腔5的出射端安有色散元件15和16，兩者對(duì)角放置。在入射窗口38相對(duì)的位置，激光器20和光學(xué)氣體腔24之間，安裝有分束器21。在光學(xué)氣體腔24和光強(qiáng)探測器28之間，有一狹縫27。光強(qiáng)探測器28同放大器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換29相連，而放大器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換29又同計(jì)算機(jī)及接口電路30相連。光學(xué)氣體腔24和高壓氣室9，通過連接氣管26連接，使高壓氣室9中的氣體進(jìn)入光學(xué)氣體腔24中，兩者的氣壓保持相等。在分束器21和光強(qiáng)探測器34之間，安裝有分束器23。光強(qiáng)探測器34，用接口聯(lián)線35同計(jì)算機(jī)及接口電路30連接。高壓氣室9上安裝有安全閥11，溫度調(diào)節(jié)器12，溫度傳感器13，電磁放氣閥14和電磁充氣閥10。電磁充氣閥10，通過聯(lián)線41同計(jì)算機(jī)及接口電路30連接。溫度調(diào)節(jié)器12，通過聯(lián)線31同計(jì)算機(jī)及接口電路30連接。溫度傳器13，通過聯(lián)線32同計(jì)算機(jī)及接口電路30連接。電磁放氣閥14，通過聯(lián)線33同計(jì)算機(jī)及接口電路30相連接。電磁放氣閥14安裝有排氣管道42，排氣管道42通向恒溫箱36的外面。為了使恒溫箱36內(nèi)的溫度恒定，在恒溫箱36內(nèi)安裝有溫度調(diào)節(jié)器37。
本發(fā)明的具體工作過程如下由飛秒激光器1發(fā)出的飛秒脈沖激光束2，經(jīng)由恒溫箱36的入射窗口39，由分束器3進(jìn)行分光。分束器3對(duì)飛秒脈沖激光束2的整個(gè)頻譜具有相同的反射率，不會(huì)造成選頻效應(yīng)。分出的飛秒脈沖激光束4由于沒有穿過任何光學(xué)元件而沒有群速度色散的產(chǎn)生，飛秒脈沖激光束4的脈沖寬度沒有發(fā)生改變。飛秒脈沖激光束4在實(shí)際應(yīng)用中可作為另外一束激光，如在四波混頻的實(shí)驗(yàn)中作為非延遲光束。透過分束器3的飛秒脈沖光束穿過光學(xué)氣體腔5的入射窗口6和出射窗口7。在本實(shí)施例中入射窗口6和出射窗口7采用K9玻璃材料或石英玻璃材料，折射率約為1.5。由于出射窗口6、出射窗口7以及分束器3的作用，會(huì)使飛秒脈沖激光束產(chǎn)生正的啾啾(chirp)效應(yīng)，因此，從發(fā)射窗口7出射的飛秒脈沖激光束17寬度已經(jīng)展寬，并發(fā)生了頻率分離。出射的飛秒脈沖激光束17經(jīng)由色散元件15(棱鏡或光柵)將光脈沖按頻率進(jìn)一步分離，使低頻部分超前，高頻部分滯后，脈沖寬度進(jìn)一步展寬變?yōu)轱w秒脈沖激光束18；飛秒脈沖激光束18照射在與色散元件15(棱鏡或光柵)相對(duì)放置的另外一塊色散元件16(棱鏡或光柵)上，產(chǎn)生負(fù)的啾啾(chirp)效應(yīng)，從而使飛秒脈沖激光束的時(shí)間寬度復(fù)原。將氣體壓力延遲線的光學(xué)氣體腔5、24和高壓氣室9通過計(jì)算機(jī)控制的電磁充氣閥10充入高壓氣體，本實(shí)施例采用氮?dú)?，光學(xué)氣體腔5的初始?jí)毫?0個(gè)大氣壓。打開由計(jì)算機(jī)及接口電路30控制的電磁放氣閥14，使光學(xué)氣體腔5和24以及高壓氣室9內(nèi)的氣壓均勻緩慢地降低，放出的氣體經(jīng)由排氣管道42排出恒溫箱36。飛秒激光光束經(jīng)過入射窗口6和出射窗口7穿過氣體壓力延遲線的光學(xué)氣體腔5，由電磁放氣閥14排出的氣體調(diào)整光學(xué)氣體腔5、24內(nèi)的壓力，由此，改變了通過光學(xué)氣體腔5和24的光束的光程。
由激光器20發(fā)出的具有高強(qiáng)度穩(wěn)定性的激光束，本實(shí)施例采用He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器并可考慮加入倍頻器件，穿過恒溫箱36的入射窗口38，由激光分束器21進(jìn)行分光，一束穿過分束器21并通過入射窗口22和出射窗口25穿過光學(xué)氣體腔24照在光學(xué)狹縫27上。本實(shí)施例的狹縫寬度選為0.1-5mm，狹縫寬度的選擇視相干光束間的夾角以及測量精度的要求和光強(qiáng)探測器28的靈敏度而定。由分束器21反射的激光束照在分束器23上再次分光，其中透過部分被光強(qiáng)探測器34接收，本實(shí)施例的光強(qiáng)探測器34采用光電倍增管或二極管接收器件，所得激光強(qiáng)度的信號(hào)做為光強(qiáng)探測器28所測信號(hào)的參比量，以消除由于激光器20輸出不穩(wěn)所帶來的誤差。由分束器23反射的激光束同樣照射在狹縫27上并與經(jīng)過氣體延遲線光學(xué)氣體腔的另外一束激光形成干涉。為了提高測量的精度，使干涉條紋間的空間距離比較大，可在狹縫27的前方放置一個(gè)光學(xué)放大裝置40，使放大后干涉條紋成象在狹縫27上。另外，為了保證干涉條紋具有高的清晰度，選擇分束器21和23的反射率和透過率使得形成相干的兩束激光的強(qiáng)度相同。透過狹縫27的相干強(qiáng)度信號(hào)由光強(qiáng)探測器28接收，本實(shí)施例的光強(qiáng)探測器28采用光電倍增管或二極管接收器件，然后由信號(hào)放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路29進(jìn)行處理，所得數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)及其接口電路30。計(jì)算機(jī)及接口電路30通過聯(lián)線35采集到光強(qiáng)探測器34的激光強(qiáng)度信號(hào)，用它對(duì)由激光強(qiáng)度變化而引起的相干信號(hào)變化進(jìn)行處理，提高測量的信噪。要使本發(fā)明的時(shí)間延遲精度和測量精度達(dá)到阿秒量級(jí)，溫度恒定、沒有空氣流動(dòng)、沒有振動(dòng)是三個(gè)關(guān)鍵因素。為此，本發(fā)明設(shè)置了具有溫度調(diào)節(jié)器37的恒溫箱36，在本發(fā)明工作時(shí)要恒溫箱蓋好并保持恒溫；同時(shí)為了確保兩個(gè)光學(xué)氣體腔內(nèi)的空氣溫度恒定在±2％攝氏度的范圍，高壓氣體室內(nèi)裝有高靈敏度的溫度傳感器13和溫度調(diào)節(jié)器12。兩者分別通過聯(lián)線32和31與計(jì)算機(jī)及接口30相連，通過計(jì)算機(jī)采集參數(shù)并實(shí)時(shí)控制。
以上所描述的系統(tǒng)，其光程延遲精度取決于充入的氣體、激光波波長以及氣體的溫度，做到阿秒級(jí)的時(shí)間延遲和延遲量的標(biāo)定是本發(fā)明的特色。而機(jī)械延遲線的精度要達(dá)到1飛秒，就意味著超高精度的機(jī)械加工、高精度的步進(jìn)電機(jī)和昂貴的價(jià)格。由于沒有機(jī)械活動(dòng)部分，因此本發(fā)明完全無振動(dòng)，不會(huì)造成光線抖動(dòng)和偏折。相對(duì)于壓電陶瓷的光程延遲方法來說，本發(fā)明具有大的調(diào)節(jié)范圍。該范圍取決于延遲線氣體光學(xué)腔的長度和可充入氣體的最大氣壓。在氣體延遲線的高壓氣體腔的長度為30厘米，充入氣體(氮?dú)?的壓力為20個(gè)大氣壓時(shí)，光程的最大變化為0-6000飛秒。充入氣體的光學(xué)腔長度越長，充氣壓力越大，光程變化范圍也就越大。由于采用的是直接測量相干強(qiáng)度的方法測量光程差，因此比用壓力傳感器測量再換算為光程變化的方法更加直觀和可信。為了消除飛秒脈沖通過氣體延遲線前后窗口時(shí)產(chǎn)生的正的啾啾效應(yīng)，消除群速度色散，用兩塊折射率為1.5的三角棱鏡對(duì)角放置，做色散補(bǔ)償，即產(chǎn)生負(fù)的啾啾效應(yīng)，使飛秒脈沖復(fù)原。因此，本發(fā)明具有精度高、調(diào)節(jié)范圍大、穩(wěn)定性高、無振動(dòng)、無散射、使用方便等特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，是由飛秒激光器(1)，分束器(3)，光學(xué)氣體腔(5)，聯(lián)管(8)，高壓氣室(9)，電磁充氣閥(10)，電磁放氣閥(14)，色散元件(15)和(16)，激光器(20)，分束器(21)和(23)，光學(xué)氣體腔(24)，連接氣管(26)，狹縫(27)，光強(qiáng)探測器(28)和(34)，放大器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換(29)，計(jì)算機(jī)與接口電路(30)，恒溫箱(36)，溫度調(diào)節(jié)器(37)等組成，其特征是在飛秒激光器(1)和光學(xué)氣體室(5)之間，安裝有分束器(3)，光學(xué)氣體腔(5)的出射端有對(duì)角放置的色散元件(15)和(16)；激光器(20)和光學(xué)氣體腔(24)之間，安裝有分束器(21)，光學(xué)氣體腔(24)和光強(qiáng)探測器(28)之間，有狹縫(27)，光強(qiáng)探測器(28)同放大器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換(29)相連，放大器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換(29)又同計(jì)算機(jī)及接口電路(30)相連；在光強(qiáng)探測器(34)和分束器(21)之間有分束器(23)，光強(qiáng)探測器(34)通過接口聯(lián)線(35)，同計(jì)算機(jī)及接口電路(30)相連；高壓氣室(9)通過聯(lián)管(8)同光學(xué)氣體腔(5)相連通，通過連接氣管(26)同光學(xué)氣體腔(24)相連通；高壓氣室(9)上安有電磁充氣閥(10)和電磁放氣閥(14)，電磁充氣閥(10)用聯(lián)線(41)，同計(jì)算機(jī)及接口電路(30)連接，電磁放氣閥(14)用聯(lián)線(33)，同計(jì)算機(jī)與接口電路(30)連接，電磁放氣閥(14)連有通向恒溫箱(36)外面的排氣管道(42)；飛秒激光器(1)發(fā)出的飛秒脈沖激光(2)，經(jīng)由入射窗口(39)，在分束器(3)上分光，分出的反射光為激光束(4)，透過光從入射窗口(6)進(jìn)入光學(xué)氣體腔(5)，出射窗口(7)出射的飛秒脈沖激光束(17)，經(jīng)色散元件(15)，成為飛秒脈沖激光(18)，并照射在色散元件(16)上，產(chǎn)生負(fù)的啾啾效應(yīng)；激光器(20)發(fā)出的激光束，經(jīng)入射窗口(38)，在分束器(21)上分光，分出的透射激光從入射窗口(22)進(jìn)入光學(xué)氣體腔(24)后，從出射窗口(25)射出，分出的反射激光在分束器(23)上再次分光，分出的反射激光在狹縫(27)處，同從出射窗口(25)射出的激光產(chǎn)生干涉，被光強(qiáng)探測器(28)接收，分出的透射激光被光強(qiáng)探測器(34)接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是高壓氣室(9)安裝有溫度調(diào)節(jié)器(12)和溫度傳感器(13)，溫度調(diào)節(jié)器(12)用聯(lián)線(31)，同計(jì)算機(jī)及接口電路(30)連接，溫度傳感器(13)用聯(lián)線(32)，同計(jì)算機(jī)及接口電路(30)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是在光學(xué)氣體腔(24)和狹縫(27)之間有光學(xué)放大裝置(40)，光學(xué)放大裝置(40)使從出射窗口(25)出射的激光和在分束器(23)上反射的激光，放大后干涉條紋成象在狹縫(27)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是狹縫(27)的寬度為0.1mm-5.0mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是入射窗口(6)和(22)，出射窗口(7)和(25)有反射層，使入射激光在光學(xué)氣體腔(5)和(24)內(nèi)經(jīng)過N次反射后射出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是入射窗口(6)和出射窗口(7)采用K9玻璃材料，折射率為1.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是入射窗口(6)和出射窗口(7)采用石英玻璃材料，折射率為1.5。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是光強(qiáng)探測器(28)采用光電倍增管。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散的氣體延遲系統(tǒng)，其特征是光強(qiáng)探測器(28)采用二級(jí)管接收器件。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,是一種用于飛秒激光脈沖,精確讀取時(shí)間延遲量和消除群速度色散功能的氣體延遲系統(tǒng)。利用不同的氣體在不同的氣壓和溫度下對(duì)光的折射率不同的原理,通過恒定溫度、改變氣體壓力的方法改變光程,達(dá)到光線時(shí)間延遲的目的。通過延遲激光束和非延遲激光束間的干涉效應(yīng),測量空間一點(diǎn)的相干強(qiáng)度變化,得到兩光束間激光脈沖的相對(duì)延遲。本發(fā)明具有精度高、調(diào)節(jié)范圍大、穩(wěn)定性高、無振動(dòng)、無散射、使用方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J9/02GK1322939SQ0010428
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2000年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月11日
發(fā)明者秦偉平, 王海宇, 黃世華, 呂少哲, 陳寶玖 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所