本發(fā)明涉及一種超短脈沖測量，尤其涉及一種干涉位移測量輔助的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量儀。

背景技術(shù)：

超短激光脈沖的時(shí)域脈沖寬度和相位信息是超短激光脈沖的重要參數(shù)。由于飛秒激光極窄的時(shí)域脈沖寬度，電子器件的響應(yīng)速度完全不足，要測量脈沖的時(shí)域?qū)挾群拖辔恍畔⒕鸵柚鈱W(xué)方法。

對于脈沖相位信息的測量，常見的是頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(frequency-resolvedopticalgating,frog)。1993年，trebino等人提出frog法，被測脈沖被分為兩束，其中一束光經(jīng)過一個時(shí)間延遲會聚在非線性晶體上，并實(shí)現(xiàn)對另一束光的掃描，再對通過非線性晶體的光進(jìn)行光譜分辨，即可得到描跡圖，也就是frog跡。人們提出了很多不同類型的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法，如二次諧波法、偏振開關(guān)法和自衍射法等。其中，最為廣泛應(yīng)用的是二倍頻頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(shg-frog)，如圖1所示。入射的脈沖經(jīng)一個半透半反鏡5分成兩束，其中一束經(jīng)兩個固定的全反射鏡4和3返回，另一束則通過一個可變延遲的反射裝置上的全反射鏡1和2返回，兩束光經(jīng)過半透半反鏡6后為平行出射，經(jīng)過一個透鏡7聚焦在倍頻晶體8上，產(chǎn)生的合頻信號透過小孔9，經(jīng)過透鏡10準(zhǔn)直后被光譜儀11接收。這樣就得到了一系列不同延遲下的合頻信號的光譜，組成frog跡。

基于邁克爾遜干涉儀的脈沖測量都是利用精密的空間位移控制元件來突破電學(xué)時(shí)間測量的極限，這就使得空間位移元件的精度對于超短脈沖的時(shí)間測量有這非常大的影響。

通常用于可變延遲控制的精密位移元件是步進(jìn)電機(jī)和壓電陶瓷。步進(jìn)電機(jī)行程較長，但是精度比較低，通常在微米量級，但是可見光、近紅外的光學(xué)周期為1到3微米，對于只有幾個光學(xué)周期的超短脈沖而言，步進(jìn)電機(jī)的精度顯得不足，如果采用高精度的步進(jìn)電機(jī)會造成成本的明顯上升。壓電陶瓷的精度非常高，通過微小的調(diào)節(jié)電壓，可以使得壓電陶瓷的形變量在，是進(jìn)行精密位移控制的好選擇，但是壓電陶瓷的形變并不是線性的，這使得需要保證每次步進(jìn)距離相同的frog法的測量結(jié)果變得非常不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

邁克爾遜干涉儀配合連續(xù)激光是測量微小位移的傳統(tǒng)方法，而許多frog儀是基于邁克爾遜干涉儀的，這就使得可以利用連續(xù)光來提高frog儀可變延遲的位移精度，繼而提高它們的時(shí)間測量精度。本發(fā)明提出一種干涉位移測量輔助的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量儀,可以用來矯正頻率分辨光學(xué)開關(guān)法信號，從而精確的測量位移元件的形變。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種干涉位移測量輔助的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量儀,所用光學(xué)器件包括一個可變延遲的反射裝置、兩個固定的全反射鏡、兩個半透半反鏡、三個透鏡、一個倍頻晶體、一個光電二極管、孔板、光譜儀和用于同步接收信號的計(jì)算機(jī)，所述可變延遲的反射裝置由第一全反射鏡和第二全反射鏡構(gòu)成，兩個固定的全反射鏡分別記為第三全反射鏡和第四全反射鏡，兩個半透半反鏡分別記為第一半透半反鏡和第二半透半反鏡，三個透鏡分別記為第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；所述可變延遲的反射裝置與一個位移元件相連，同時(shí)入射頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量的脈沖信號和矯正用的紅光，通過對頻率分辨光學(xué)開關(guān)法的信號光光路進(jìn)行掃描后得到頻率分辨光學(xué)開關(guān)法信號，與此同時(shí)，通過紅光的矯正光路產(chǎn)生紅光干涉信號，同步記錄后，根據(jù)紅光干涉信號來確定所述位移元件的位移量，從而矯正頻率分辨光學(xué)開關(guān)法信號；所述頻率分辨光學(xué)開關(guān)法的信號光光路是：入射的脈沖信號光入射后，45°射到所述第一半透半反鏡的a點(diǎn)上并分成兩束，其中一束依次經(jīng)過第一全反射鏡和第二全反射鏡的反射后射向第二半透半反鏡的b點(diǎn)，另一束依次經(jīng)過第四全反射鏡和第三全反射鏡反射后射向所述第二半透半反鏡的d點(diǎn)；兩束光分別經(jīng)過第二半透半反鏡的b點(diǎn)和d后平行出射，隨后經(jīng)過第一透鏡聚焦在倍頻晶體上，所產(chǎn)生的合頻信號透過孔板上的孔由第二透鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)過光譜儀掃描后得到一系列不同延遲下的合頻信號的光譜，從而形成頻率分辨光學(xué)開關(guān)法跡。所述紅光的矯正光路是：矯正用的紅光入射后，45°射到第二半透半反鏡的b點(diǎn)上并被分成兩束，其中一束依次經(jīng)過第二全反射鏡和第一全反射鏡的反射后射向第一半透半反鏡的a點(diǎn)，另一束依次經(jīng)過第第三全反射鏡和四全反射鏡的反射后射向第一半透半反鏡的c點(diǎn)；兩束光分別經(jīng)過第一半透半反鏡的a點(diǎn)和c后平行出射，隨后平行入射第三透鏡產(chǎn)生紅光干涉信號，由光電二極管接受。合頻信號的光譜同紅光干涉信號為計(jì)算機(jī)同步接受。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中具有頻率分辨光學(xué)開關(guān)法的信號光光路和紅光的矯正光路，根據(jù)紅光的矯正光路產(chǎn)生的紅光干涉信號來確定所述位移元件的位移量，從而矯正頻率分辨光學(xué)開關(guān)法信號；可以精確的測量位移元件的形變。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的shg-frog裝置基本構(gòu)成示意圖；

圖2是本發(fā)明利用紅光校正的frog測量儀構(gòu)成示意圖；

圖3(a)是飛秒脈沖的紅光標(biāo)定后的波形圖；

圖3(b)是飛秒脈沖的線性標(biāo)定后的波形圖；

圖3(c)是飛秒脈沖的紅光標(biāo)定后的頻譜圖；

圖3(d)是飛秒脈沖的線性標(biāo)定后的頻譜圖。

圖中：

1、2、3、4均為全反射鏡，5、6均為半透半反鏡，7、10、12均為透鏡，9為孔板，8為倍頻晶體，12為光電二極管，13為雙光子二極管，11為光譜儀，14為同步記錄。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是，通過在信號光相同的位置反方向的入射一束激光二極管產(chǎn)生的658nm紅光，就可以利用紅光的干涉條紋的明暗變化來確定邁克爾遜干涉儀動臂的位移。此外，紅光激光二極管的成本非常低廉，這就避免了使用高級精密位移元件引起的大量成本代價(jià)。

如圖2所示，本發(fā)明提出的一種干涉位移測量輔助的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量儀,所用光學(xué)器件包括一個可變延遲的反射裝置、兩個固定的全反射鏡、兩個半透半反鏡、三個透鏡、一個倍頻晶體8、一個光電二極管13、孔板9和掃描儀11，所述可變延遲的反射裝置由第一全反射鏡1和第二全反射鏡2構(gòu)成，兩個固定的全反射鏡分別記為第三全反射鏡3和第四全反射鏡4，兩個半透半反鏡分別記為第一半透半反鏡5和第二半透半反鏡6，三個透鏡分別記為第一透鏡7、第二透鏡10和第三透鏡12。

其中的第三全反射鏡3、第四全反射鏡4、第一半透半反鏡5和第二半透半反鏡6均為為固定元件，位移元件選用壓電陶瓷。所述第一全反射鏡1和第二全反射鏡2與壓電陶瓷相連，同時(shí)入射頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量的脈沖信號和矯正用的紅光，通過對頻率分辨光學(xué)開關(guān)法的信號光光路進(jìn)行掃描后得到頻率分辨光學(xué)開關(guān)法信號，與此同時(shí)，通過紅光的矯正光路產(chǎn)生紅光干涉信號，同步記錄后，根據(jù)紅光干涉信號來確定所述位移元件的位移量，從而矯正頻率分辨光學(xué)開關(guān)法信號；

由頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(frog)的信號光光路產(chǎn)生frog信號的過程是：入射的脈沖信號光入射后，45°射到所述第一半透半反鏡5的a點(diǎn)上并分成兩束，其中一束依次經(jīng)過第一全反射鏡1和第二全反射鏡2的反射后，從圖2的左側(cè)射向第二半透半反鏡6的b點(diǎn)，另一束依次經(jīng)過第四全反射鏡4和第三全反射鏡3反射后，從圖2的下側(cè)射向所述第二半透半反鏡6的d點(diǎn)；兩束光分別經(jīng)過第二半透半反鏡6的b點(diǎn)和d后平行出射，兩束光隨后平行入射第一透鏡7，聚焦在倍頻晶體8上產(chǎn)生合頻光信號，所產(chǎn)生的合頻光信號被孔板9上的小孔濾波后由第二透鏡10準(zhǔn)直，被光譜儀1接收掃描得到一系列不同延遲下的合頻信號的光譜，從而形成frog跡。

由紅光的矯正光路產(chǎn)生紅光干涉信號的過程是：矯正用的紅光入射后，45°射到第二半透半反鏡6的b點(diǎn)上，繼而被分成兩束，其中一束依次經(jīng)過第二全反射鏡2和第一全反射鏡1的反射后，從圖2的左側(cè)射向第一半透半反鏡5的a點(diǎn)，另一束依次經(jīng)過第三全反射鏡3和第四全反射鏡4的反射后，從圖2的下側(cè)射向第一半透半反鏡5的c點(diǎn)；兩束光分別經(jīng)過第一半透半反鏡5的a點(diǎn)和c后平行出射，兩束光隨后平行射入第三透鏡12產(chǎn)生紅光干涉信號并被光電二極管13接收，隨后根據(jù)紅光干涉信號來確定位移元件的位移量，繼而矯正frog信號。

利用本發(fā)明紅光校正的frog測量儀進(jìn)行如下測試，使用一個壓電陶瓷來提供位移，對一個脈寬40飛秒脈沖進(jìn)行了測量，然后對比了使用紅光校正和不使用紅光校正的結(jié)果，測試結(jié)果如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)所示。未使用紅光校正的frog結(jié)果為脈寬36.7fs，而是用來紅光校正的frog結(jié)果為40.2飛秒。這種差別是由于壓電陶瓷在加載其上的電壓勻速增加時(shí)不均勻的加速形變造成的，而使用紅光校正的方式有效的消除了這種誤差。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。