單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置制造方法
【專利摘要】一種單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，其特點(diǎn)在于：包括同步觸發(fā)器、超短脈沖信號發(fā)生器、耦合柱透鏡、飛秒激光器、鋸齒形通光孔金屬薄板、非球面透鏡、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片、第一非球面柱透鏡、第二非球面柱透鏡、濾色片、衰減片、光纖陣列、光纖束、光纖合束器、光纖、光電轉(zhuǎn)換器和示波器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的特點(diǎn)，可快速測出超高動態(tài)范圍的單次超快光脈沖的時(shí)間波形和信噪比。能快速測量的超快脈沖的時(shí)間跨度達(dá)到百皮秒量級，其時(shí)間分辨率達(dá)到十飛秒量級，測量的動態(tài)范圍與信噪比能達(dá)到105:1。
【專利說明】單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超快脈沖測量，特別是一種單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]超快現(xiàn)象，其持續(xù)時(shí)間小于I μ S，廣泛存在于自然界和相關(guān)的科學(xué)與工程技術(shù)研究中，例如植物的光合作用過程，光材料中的光激發(fā)態(tài)弛豫過程，生物材料的熒光發(fā)射，強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用物理過程，化學(xué)反應(yīng)的分子動力學(xué)過程和受控核聚變中超高功率激光脈沖的產(chǎn)生等時(shí)間尺度多在皮秒至飛秒量級，甚至于阿秒量級范圍內(nèi)(參見[I]Scrinzi A, Ivanov MY，Kienberger R，et al.Attosecond physics.J.Phys.B:At.Mol.0pt.Phys.，2006, 39:R1-R37)。而超短脈沖是超快現(xiàn)象中常見的一種現(xiàn)象，因此超短光脈沖的測量對材料、生物、光物理、光化學(xué)和大功率激光器等科學(xué)與工程研究具有巨大的推動作用和重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]在超短超快脈沖的測量中，表征時(shí)間波形的物理量有時(shí)間分辨率、可測量時(shí)間跨度，動態(tài)范圍和信噪比，其中動態(tài)范圍和信噪比在科學(xué)與工程技術(shù)研究中是十分重要的參數(shù)。動態(tài)范圍和信噪比是相互統(tǒng)一的，只是所表示的側(cè)重點(diǎn)有所不同。高動態(tài)范圍是實(shí)現(xiàn)高信噪比測量的前提。動態(tài)范圍是指裝置可測量到的脈沖信號強(qiáng)度的最大值和最小值之比，而信噪比是描述脈沖本身信號質(zhì)量高低的物理量，它是指脈沖最大強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比。例如在高能激光系統(tǒng)中，由于反射、散射、自發(fā)發(fā)射放大或是不完善的時(shí)域壓縮都可能產(chǎn)生相當(dāng)可觀的脈沖旁瓣，這時(shí)脈沖的信噪比主要是指脈沖峰值光強(qiáng)與本底噪聲或旁瓣之間的比值,它已經(jīng)成為高功率激光系統(tǒng)的最主要的參數(shù)之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，該裝置極大地提高了測量單次超快光脈沖時(shí)間波形時(shí)可測量的動態(tài)范圍及信噪比的可測量范圍。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0006]一種單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，其特點(diǎn)在于:包括同步觸發(fā)器、超短脈沖信號發(fā)生器、耦合柱透鏡、飛秒激光器、鋸齒形通光孔金屬薄板、非球面透鏡、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片、兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡、第二非球面柱透鏡、濾色片、衰減片、光纖陣列、光纖束、光纖合束器、光纖、光電轉(zhuǎn)換器和示波器，整套裝置置于潔凈空氣或真空環(huán)境中，上述元器件的位置關(guān)系如下:
[0007]依次的所述的超短脈沖信號光發(fā)生器、耦合柱透鏡、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片的中心、第一非球面柱透鏡、第二非球面柱透鏡、濾色片、衰減片和光纖陣列共處于第一光軸；依次的所述的飛秒激光器、鋸齒形通光孔金屬薄板、非球面透鏡和光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片處于第二光軸，第二光軸與所述的第一光軸垂直，所述的同步觸發(fā)器的輸出端分別與所述的超短脈沖信號光發(fā)生器的觸發(fā)端和所述的飛秒激光器的觸發(fā)端相連，所述的光纖陣列的光纖束的另一端與所述的光纖合束器的輸入端相連，該光纖合束器的輸出端經(jīng)所述的光纖、光電轉(zhuǎn)換器與所述的示波器的輸入端相連。
[0008]所述的鋸齒形通光孔金屬薄板的鋸齒頂角為5°?15°，鋸齒數(shù)目為50?500個(gè)。
[0009]所述的光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片由單層光折變材料構(gòu)成，厚度為Iym到數(shù)百ym,所述的光折變材料為摻鐵鈮酸鋰晶體或者GaAs半導(dǎo)體材料。
[0010]所述的光纖陣列由多根長度依次遞增的光纖束線性排列而成，相鄰光纖的長度差值大于光電轉(zhuǎn)換器的光電轉(zhuǎn)換時(shí)間和大于示波器的時(shí)間分辨率。
[0011]耦合柱透鏡由一面非球面柱透鏡組成，用來把待測的信號光全部耦合進(jìn)入光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片中。
[0012]所述的飛秒激光器是一個(gè)高功率飛秒脈沖激光光源，其產(chǎn)生的平頂?shù)谋闷止獯┻^具有鋸齒形通光孔的金屬板，經(jīng)過非球面透鏡聚焦成像，照射在波導(dǎo)芯片上形成縮小的鋸齒形光束。
[0013]所述的同步觸發(fā)器是一套高精度的延時(shí)同步觸發(fā)器，能調(diào)節(jié)超短脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號光和飛秒激光器產(chǎn)生的泵浦光之間的延時(shí)和同步，使得信號光剛好完全進(jìn)入光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片時(shí)，泵浦光穿過有鋸齒形通光孔的金屬薄板，經(jīng)過非球面透鏡聚焦成像，形成縮小的鋸齒形光束照射在光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片上，由于光折變效應(yīng)瞬時(shí)產(chǎn)生鋸齒形的棱鏡陣列，保證此時(shí)信號光與鋸齒形棱鏡陣列完全重合。
[0014]光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片是一層具有很強(qiáng)的光折變效應(yīng)的波導(dǎo)芯片(摻鐵鈮酸鋰或砷化鎵)，其尺寸為IcmX lcm(尺寸可根據(jù)實(shí)際所需要滿足的可測量時(shí)間跨度的需求而改變)，鋸齒形光束照射在芯片上的功率密度在達(dá)到lGW/cm2以上時(shí)，由于光折變效應(yīng)致使波導(dǎo)芯片發(fā)生折射率改變，折射率變化Λη > 0.01，這樣就形成了鋸齒形的棱鏡陣列。
[0015]所述的兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡、第二非球面柱透鏡的作用是將從光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片偏轉(zhuǎn)出射的光束聚焦在光纖陣列上。
[0016]所述的濾色片用于濾除信號光波長以外的雜散光和日光。所述的衰減片用于衰減過于強(qiáng)烈的信號光，所述的光纖陣列用于讀取成像信號，光纖束用于傳導(dǎo)信號光至光纖合束器，光纖合束器用于將每根光纖中的信號光耦合至一根光纖中，光電轉(zhuǎn)換器用于將信號光轉(zhuǎn)化為串行的電信號，由于光纖陣列按位置排列，光纖束中每根光纖的長度按照排列的位置依次遞增，每根光纖中信號光的光程不同，到達(dá)光電轉(zhuǎn)化器的時(shí)間有先后，并且相鄰光纖中其先后的時(shí)間差大于光電轉(zhuǎn)換的時(shí)間且大于示波器的時(shí)間分辨率，這樣就將并行的信號光轉(zhuǎn)化為串行的光信號，再轉(zhuǎn)化為串行的電信號，同時(shí)光電轉(zhuǎn)換器也可調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，即調(diào)節(jié)光轉(zhuǎn)換出的電信號的電壓的高低，所述的示波器讀取并測量轉(zhuǎn)化出的電信號的強(qiáng)度和顯示出時(shí)間波形，由波形可計(jì)算出待測脈沖的信噪比，調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)和示波器相互匹配可測量具有超高信噪比的信號光脈沖。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0018]本發(fā)明單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，利用將難以測量的時(shí)間波形轉(zhuǎn)化為很容易測量的空間波形的優(yōu)勢，極大地提高了可測量的時(shí)間分辨率，同時(shí)又結(jié)合了基于光纖陣列將并行的信號光轉(zhuǎn)化為串行的電信號的優(yōu)勢，使得本裝置在保證信號光與泵浦激光精確同步的條件下(同步精度在I飛秒以下時(shí))，能快速實(shí)現(xiàn)單次超快脈沖的十飛秒量級的高時(shí)間分辨率，百皮秒量級的高動態(tài)范圍以及15:1高信噪比的時(shí)間波形的快速測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置結(jié)構(gòu)簡圖
[0020]圖2為飛秒激光器、鋸齒形通光孔金屬薄板、非球面透鏡及光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖:

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施過程對本發(fā)明裝置進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明的單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置結(jié)構(gòu)簡圖，由圖可見，本發(fā)明單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，包括同步觸發(fā)器1、超短脈沖信號發(fā)生器2、耦合柱透鏡4、飛秒激光器7、鋸齒形通光孔金屬薄板8、非球面透鏡9、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5、兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡10、第二非球面柱透鏡11、濾色片12、衰減片13、光纖陣列15、光纖束16、光纖合束器17、光纖18、光電轉(zhuǎn)換器19、示波器20，整套裝置置于潔凈空氣或真空環(huán)境中，上述元器件的位置關(guān)系如下:
[0023]依次的所述的超短脈沖信號光發(fā)生器2、耦合柱透鏡4、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5的中心、兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡10、第二非球面柱透鏡11、濾色片12、衰減片13和光纖陣列15共第一光軸且均在同一平面上)；依次的所述的飛秒激光器7、鋸齒形通光孔金屬薄板8、非球面透鏡9和光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5共第二光軸,第二光軸與第一光軸所在的平面垂直，所述的同步觸發(fā)器I的輸出端分別與所述的超短脈沖信號光發(fā)生器2的觸發(fā)端和所述的飛秒激光器7的觸發(fā)端相連，所述的光纖陣列15的光纖束16的另一端與所述的光纖合束器17的輸入端相連，該光纖合束器17的輸出端經(jīng)所述的光纖18、光電轉(zhuǎn)換器19與所述的示波器20的輸入端相連。
[0024]圖2為飛秒激光器7、鋸齒形通光孔金屬薄板8、非球面透鏡9及光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5的詳細(xì)結(jié)構(gòu)不意圖:光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5為摻鐵銀酸鋰晶體,其Z軸方向?yàn)楣馐鴤鞑シ较?，或者芯片為GaAs，厚度均為Ιμπι?數(shù)百μπι。飛秒激光器7產(chǎn)生平頂?shù)钠叫屑す馐怪毕蛳抡丈滗忼X形通光孔金屬薄板8，其鋸齒狀頂角為5°?15°，數(shù)目為50?300個(gè)。透過鋸齒形通光孔金屬薄板8的激光繼續(xù)傳播，經(jīng)過非球面透鏡9聚焦成像照射在光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5上，像平面就在波導(dǎo)芯片上，在波導(dǎo)芯片上形成鋸齒形光斑，由于光折變效應(yīng)而使得被照射部分的芯片發(fā)生折射率改變，形成鋸齒形棱鏡陣列6。在精確同步(同步精度I飛秒以下)時(shí)，信號光完全進(jìn)入波導(dǎo)芯片5的同時(shí)，瞬時(shí)產(chǎn)生的棱鏡陣列6將信號光分割為許多小部分，信號光繼續(xù)向前傳播，前沿部分的信號光經(jīng)過的棱鏡陣列數(shù)目較少而偏轉(zhuǎn)的角度較小，中間部分的信號光經(jīng)過的棱鏡數(shù)目較多而偏轉(zhuǎn)的角度較大，后沿部分的信號光經(jīng)過的棱鏡數(shù)目最多而偏轉(zhuǎn)的角度最大。這樣就從波導(dǎo)芯片產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)出射的信號光。
[0025]再請參閱圖1，所述的同步觸發(fā)器I產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號，觸發(fā)超短脈沖信號發(fā)生器2產(chǎn)生一個(gè)脈寬為皮秒量級的平行信號光脈沖(波形如圖1中的3所示，橫軸表示時(shí)間t，縱軸表示光強(qiáng)I)，經(jīng)過所述的耦合柱透鏡4被完全耦合進(jìn)入光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5。此信號光就承載著更容易被測量的空間波形(空間波形如圖1中的14所示)。
[0026]同步觸發(fā)器I產(chǎn)生的另外一個(gè)信號觸發(fā)飛秒激光器7，飛秒激光器7產(chǎn)生的泵浦激光透過鋸齒形通光孔金屬薄板8，經(jīng)過非球面透鏡9成像照射到光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5上，在其表面形成鋸齒形的光斑，由于光折變效應(yīng)，瞬時(shí)產(chǎn)生鋸齒狀的棱鏡陣列6 (產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間與泵浦光脈沖的脈寬時(shí)間長度相同，脈寬越短，響應(yīng)時(shí)間越短)。通過精確調(diào)節(jié)同步觸發(fā)器產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖信號的相對延遲(精度達(dá)到I飛秒)，使得信號光在被完全耦合進(jìn)入光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片的同時(shí)，泵浦激光照射到光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片上瞬間產(chǎn)生棱鏡陣列。棱鏡陣列(其弛豫時(shí)間為納秒量級，大于信號光完全經(jīng)過光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片的時(shí)間)將脈沖信號光分割為一百左右數(shù)目(被分割數(shù)目的多少與信號光和鋸齒狀棱鏡重合的數(shù)目相同)的小部分。脈沖前沿部分由于經(jīng)過的棱鏡數(shù)目較少而方向偏轉(zhuǎn)的角度較小，中間部分經(jīng)過的棱鏡數(shù)目較多而方向偏轉(zhuǎn)的角度較大，后沿部分經(jīng)過的棱鏡數(shù)目最多而方向偏轉(zhuǎn)的角度最大。經(jīng)由光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片5出射的信號光繼續(xù)傳播，經(jīng)過兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡10、第二非球面柱透鏡11、濾色片12 (用于將與信號光無關(guān)的日光和其他雜光濾除掉)和衰減片13 (對高強(qiáng)度信號光脈沖進(jìn)行衰減)之后將偏轉(zhuǎn)后的圖像成像在緊密排列的光纖陣列15上，此時(shí)信號光完成了由時(shí)間波形(波形如圖中的3所示，坐標(biāo)橫軸為時(shí)間t，縱軸為光強(qiáng)I)向空間波形(波形如圖中的14所示，坐標(biāo)橫軸為位置X，縱軸為光強(qiáng)I，位置X與時(shí)間t 一一對應(yīng))的轉(zhuǎn)換，空間波形14更容易被讀取和測量，且不受時(shí)間的限制，這樣讀出的空間波形14就完全再現(xiàn)了時(shí)間波形3。每根光纖接收到空間波形14的對應(yīng)的一小部分信號光，由于每根光纖中信號光走過的光程不同，到達(dá)光纖合束器17所用的時(shí)間不同，光纖的長度排列是從陣列一端到另一端的長度依次遞增，務(wù)必保證相鄰光纖之間的長度差大于某個(gè)值時(shí)，才會滿足相鄰光纖中的信號光到達(dá)光纖合束器17的時(shí)間差大于光電轉(zhuǎn)換器19的響應(yīng)時(shí)間且大于示波器20的時(shí)間分辨率，這樣空間波形經(jīng)過光纖束16傳輸、光纖合束器17耦合后，將并行的空間波形14轉(zhuǎn)換為串行的信號光，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器19轉(zhuǎn)換為示波器20可測量的串行電信號，電信號由示波器20測量顯示出空間波形，此空間波形就是待測的時(shí)間波形3，由此波形圖上可以計(jì)算或測量出的信號峰值與噪聲峰值，該計(jì)算信號峰值與噪聲峰值之比，得到待測信號光的信噪比。
【權(quán)利要求】
1.一種單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，其特征在于:包括同步觸發(fā)器(1)、超短脈沖信號發(fā)生器(2)、耦合柱透鏡(4)、飛秒激光器(7)、鋸齒形通光孔金屬薄板(8)、非球面透鏡(9)、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片(5)、兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡(10)、第二非球面柱透鏡(11)、濾色片(12)、衰減片(13)、光纖陣列(15)、光纖束(16)、光纖合束器(17)、光纖(18)、光電轉(zhuǎn)換器(19)、示波器(20)，整套裝置置于潔凈空氣或真空環(huán)境中，上述元器件的位置關(guān)系如下: 依次的所述的超短脈沖信號光發(fā)生器(2)、耦合柱透鏡(4)、光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片(5)的中心、兩面聚焦方向相互垂直的第一非球面柱透鏡(10)、第二非球面柱透鏡(11)、濾色片(12)、衰減片(13)和光纖陣列(15)共處于第一光軸；依次的所述的飛秒激光器(7)、鋸齒形通光孔金屬薄板(8)、非球面透鏡(9)和光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片(5)處于第二光軸，第二光軸與所述的第一光軸垂直，所述的同步觸發(fā)器(1)的輸出端分別與所述的超短脈沖信號光發(fā)生器(2)的觸發(fā)端和所述的飛秒激光器(7)的觸發(fā)端相連，所述的光纖陣列(15)的光纖束(16)的另一端與所述的光纖合束器(17)的輸入端相連,該光纖合束器(17)的輸出端經(jīng)所述的光纖(18)、光電轉(zhuǎn)換器(19)與所述的不波器(20)的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，其特征在于:所述的鋸齒形通光孔金屬薄板(8)的鋸齒頂角為5°?15°，鋸齒數(shù)目為50?500個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，其特征在于:所述的光偏轉(zhuǎn)波導(dǎo)芯片(5)由單層光折變材料構(gòu)成，厚度為1 μ m到數(shù)百ym，所述的光折變材料為摻鐵鈮酸鋰晶體或者GaAs半導(dǎo)體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單次超快脈沖時(shí)間波形和信噪比的測量裝置，其特征在于:所述的光纖陣列(15)由多根長度依次遞增的光纖束(16)線性排列而成，相鄰光纖長度的差值滿足信號光在經(jīng)過相鄰光纖長度差值的光程內(nèi)所需的時(shí)間大于光電轉(zhuǎn)換器(19)的光電轉(zhuǎn)換時(shí)間和大于示波器(20)的時(shí)間分辨率。
【文檔編號】G01J11/00GK104280140SQ201410524967
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】牛振國, 范薇, 黃大杰, 潘雪, 李國揚(yáng), 汪小超, 喬治 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所