用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪

摘要

本发明公开了一种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，包括温度控制器、光源、准直与会聚单元、分光与延迟单元、非线性效应单元和信号探测单元；其中，温度控制器用于控制作为光源的激光器的温度，解决激光器激射波长易漂移的问题，并可整体调整，实现光路调节；激光器作为光源，其出射光依次经过准直与会聚单元中的自聚焦透镜、分光与延迟单元、准直与会聚单元中的平凸透镜，以及非线性效应单元，进入信号探测单元，实现对激光器出射光的测量。本发明将激光器温度稳定在0.2°以内，并通过改变温度调节半导体激光器的输出波长，扩大可测试的波长范围，提高测试灵敏度，从而满足对红光半导体激光器产生超短脉冲进行测试的需要。

权利要求

1.一种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，该自相关测量仪包括温度控制器、光源、准直与会聚单元、分光与延迟单元、非线性效应单元和信号探测单元；

其中，温度控制器用于控制作为光源的激光器的温度，解决激光器激射波长易漂移的问题，并可整体调整，实现光路调节；

光源类型为半导体激光器，该半导体激光器出射光依次经过准直与会聚单元中的自聚焦透镜、分光与延迟单元、准直与会聚单元中的平凸透镜，以及非线性效应单元，进入信号探测单元，实现对激光器出射光的测量。

2.根据权利要求1所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述温度控制器包括散热片(12)、夹片(13)和半导体制冷片(14)，其中，在散热片(12)底部有两块夹片(13)，通过该夹片(13)上的螺孔将整个温度控制器固定在调节架上。

3.根据权利要求1所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述光源包括L型管壳(15)和半导体激光器(16)，其中L型管壳(15)通过螺孔固定在温度控制器上，既保证导热与光学元件对准，又通过短臂上的圆孔固定注入电信号的接头。

4.根据权利要求1所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述准直与会聚单元包括自聚焦透镜(3)和平凸透镜(7)；光源的出射光通常为发散光束，通过自聚焦透镜(3)准直成为平行光束，再通过平凸透镜(7)稍稍会聚，以提高通过非线性晶体的光密度，从而提高倍频效率。

5.根据权利要求4所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述自聚焦透镜(3)的规格适合于准直红光波段的光，其入射波长范围650nm至670nm；所述平凸透镜(7)的焦距范围为10cm至20cm。

6.根据权利要求4所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述自聚焦透镜(3)和平凸透镜(7)均镀以光学薄膜对红光波段进行增透。

7.根据权利要求1所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述分光与延迟单元包括可动反射镜(4)、固定反射镜(5)和分光镜(6)；由自聚焦透镜出射的平行光束，以45°角入射分光镜(6)，被分为两束，其中一束经固定反射镜(5)反射返回，其光程固定不变；另一束经过可动反射镜(4)反射返回，通过可动反射镜(4)的移动可使两束光之间产生光程差，从而形成时间延迟；两束光出射后在空间域上重合，在时域上延迟，连续移动可动反射镜(4)可形成一束光对另一束光的扫描。

8.根据权利要求1所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述非线性效应单元包括长波通滤波片(8)、非线性晶体(9)和短波通滤波片(10)；由平凸透镜出射的光束经过长波通滤波片(8)滤掉基频波段以外的光波，以减少杂散信号的产生；基频光经过非线性晶体(9)后产生倍频信号，再通过短波通滤波片(10)将透过的基频光以及杂散光滤掉，以提高探测效率。

9.根据权利要求8所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述长波通滤波片(8)为红光波段可透，可透红光的带宽为645nm至675nm；所述短波通滤波片(10)为紫外光可透，可透紫外光的带宽为315nm至345nm；所述非线性晶体(9)为BBO，基频波长范围650nm至670nm，与长波通滤波片(8)相近的一端镀以基频波增透膜，与短波通滤波片(10)相近的一端镀以倍频波增透膜，以满足红光测试的需要。

10.根据权利要求1所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述信号探测单元为可探测紫外光的光探测器(11)，由短波通滤波片(10)出射的倍频信号是与延迟时间相关的，移动可动反射镜(4)来连续改变延迟时间，可在光探测器(11)上得到自相关波形，通过计算机对此波形进行记录和处理，得到入射光脉冲的脉宽信息。

11.根据权利要求10所述的用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，其特征在于，所述光探测器(11)为光电倍增管，探测波长范围为260nm至900nm。

说明书

技术领域

本发明有关于一种用于测量半导体超短光脉冲半极大全宽度的自相关仪，尤其是适合测量红光超短脉冲，可通过温度控制系统调整半导体激光器的波长，扩大可以测试的波长范围。

背景技术

超短脉冲半导体激光器在光通讯、信息存储、医疗、测试测量等领域有重要的应用，也一直是研究的热点。随着半导体激光器向短波方向发展，红光半导体激光器也已发展成熟，超短脉冲的红光半导体激光器在局域网通讯、电光采样等领域有突出的作用，因而也获得了一定的研究。
随着超短脉冲红光半导体激光器的应用以及研究越来越广泛，对红光超短脉冲测试的需求也越来越多。强度自相关法测量超短脉冲是一种简单、成本低、精度高的方法，在近红外波段已获得成熟的应用。它是将激光器的出射光脉冲分成两束，其中一束经过时间延迟后再与另一束会合，经过非线性晶体后产生强度自相关信号，根据此信号可以推得超短脉冲的半极大全宽度。强度自相关系统测量超短光脉冲的原理是，将对时间的测量转换成对长度的测量。延迟线中可动臂移动的距离ΔL和时间延迟τ的关系为：
$\tau =\frac{2\mathrm{\Delta L}}{c}$
所以只要测得可动臂移动的距离，就可以推算出延迟时间τ，可动臂移动0.15mm相当于τ变化1ps，因而这种方法可以具有很高的测量精度。
但是这种测量方法也存在一些问题：由于非线性效应对入射光波长的要求较高，稍有偏离就可以使非线性信号大大降低，同时半导体激光器又具有激射波长易漂移的特点，这大大限制了仪器可测量的波长范围，降低了测量的灵敏度。
本发明设计了一种适合测量红光超短脉冲的自相关仪，并针对半导体激光器激射波长易漂移的特点，设计了体积小、可安装在调节架上的温度控制器，通过控制温度来调节半导体激光器的激射波长，扩大了可以测试的波长范围，提高了测试灵敏度。

发明内容

(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，以满足对红光超短脉冲的测试需求，解决半导体激光器激射波长易漂移的问题，扩大可以测试的波长范围，提高测试灵敏度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，该自相关测量仪包括温度控制器、光源、准直与会聚单元、分光与延迟单元、非线性效应单元和信号探测单元；
其中，温度控制器用于控制作为光源的激光器的温度，解决激光器激射波长易漂移的问题，并可整体调整，实现光路调节；
光源类型为半导体激光器，该半导体激光器出射光依次经过准直与会聚单元中的自聚焦透镜、分光与延迟单元、准直与会聚单元中的平凸透镜，以及非线性效应单元，进入信号探测单元，实现对激光器出射光的测量。
此外，根据本发明的一个实施例，所述温度控制器包括散热片12、夹片13和半导体制冷片14，其中，在散热片12底部有两块夹片13，通过该夹片13上的螺孔将整个温度控制器固定在调节架上。
此外，根据本发明的一个实施例，所述光源包括L型管壳15和半导体激光器16，其中L型管壳15通过螺孔固定在温度控制器上，既保证导热与光学元件对准，又通过短臂上的圆孔固定注入电信号的接头。
此外，根据本发明的一个实施例，所述准直与会聚单元包括自聚焦透镜3和平凸透镜7；光源的出射光通常为发散光束，通过自聚焦透镜3准直成为平行光束，再通过平凸透镜7稍稍会聚，以提高通过非线性晶体的光密度，从而提高倍频效率。
此外，根据本发明的一个实施例，所述自聚焦透镜3的规格适合于准直红光波段的光，其入射波长范围650nm至670nm；所述平凸透镜7的焦距范围为10cm至20cm。
此外，根据本发明的一个实施例，所述自聚焦透镜3和平凸透镜7均镀以光学薄膜对红光波段进行增透。
此外，根据本发明的一个实施例，所述分光与延迟单元包括可动反射镜4、固定反射镜5和分光镜6；由自聚焦透镜出射的平行光束，以45°角入射分光镜6，被分为两束，其中一束经固定反射镜5反射返回，其光程固定不变；另一束经过可动反射镜4反射返回，通过可动反射镜4的移动可使两束光之间产生光程差，从而形成时间延迟；两束光出射后在空间域上重合，在时域上延迟，连续移动可动反射镜4可形成一束光对另一束光的扫描。
此外，根据本发明的一个实施例，所述非线性效应单元包括长波通滤波片8、非线性晶体9和短波通滤波片10；由平凸透镜出射的光束经过长波通滤波片8滤掉基频波段以外的光波，以减少杂散信号的产生；基频光经过非线性晶体9后产生倍频信号，再通过短波通滤波片10将透过的基频光以及杂散光滤掉，以提高探测效率。
此外，根据本发明的一个实施例，所述长波通滤波片8为红光波段可透，可透红光的带宽为645nm至675nm；所述短波通滤波片10为紫外光可透，可透紫外光的带宽为315nm至345nm；所述非线性晶体9为BBO，基频波长范围650nm至670nm，与长波通滤波片8相近的一端镀以基频波增透膜，与短波通滤波片10相近的一端镀以倍频波增透膜，以满足红光测试的需要。
此外，根据本发明的一个实施例，所述信号探测单元为可探测紫外光的光探测器11，由短波通滤波片10出射的倍频信号是与延迟时间相关的，移动可动反射镜4来连续改变延迟时间，可在光探测器11上得到自相关波形，通过计算机对此波形进行记录和处理，得到入射光脉冲的脉宽信息。
此外，根据本发明的一个实施例，所述光探测器11为光电倍增管，探测波长范围为260nm至900nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，并设计了体积小、可以安装在调节架上进行调节的温度控制器，可以将半导体激光器温度稳定在0.2°以内，解决了半导体激光器激射波长漂移的问题，扩大了可测波长的范围，提高了测量的灵敏度。
2、本发明提供的这种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，针对红光波段设计，所有元件均工作在红光波段，适合于测量红光波段的半导体激光器超短脉冲，很好的满足了对红光脉冲测试的需要。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图作一详细的描述：
图1为本发明提供的红光超短脉冲强度自相关仪的结构示意图；
其中：1、温度控制器；2、光源；3、自聚焦透镜；4、可动反射镜；5、固定反射镜；6、分光镜；7、平凸透镜；8、长波通滤波片；9、非线性晶体；10、短波通滤波片；11、光探测器。
图2为温度控制器的侧视图；
其中：12、散热片；13、夹片；14、半导体制冷片；15、L型管壳；16、半导体激光器。
图3为温度控制器的正视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，是在强度自相关测量原理上发展而来的。半导体激光器安装在温度控制器上，将温度控制器安装在五维调节架上，出射光经过准直系统后被分成两束，其中一束经过时间延迟后再与另一束重合，进入非线性晶体产生强度自相关信号，信号经过滤波片后被采集系统采集。
本发明主要包括两个方面，一是为了满足短波测试的需要，设计了适合测量红光超短脉冲的自相关仪。第二个方面是由于半导体激光器的激射波长经常发生漂移，设计了可以安装在调节架上的温度控制器，由半导体制冷片、散热片组成。半导体激光器通过管壳固定在温度控制器上，有两块夹片把温度控制器固定在调节架上。
如图1、2和3所示，本发明提供的这种用于测量红光超短脉冲半极大全宽度的自相关测量仪，包括温度控制器、光源、准直与会聚单元、分光与延迟单元、非线性效应单元和信号探测单元等几个部分。其中，温度控制器用于控制作为光源的激光器的温度，解决激光器激射波长易漂移的问题，并可整体调整，实现光路调节；激光器作为光源，其出射光依次经过准直与会聚单元中的自聚焦透镜、分光与延迟单元、准直与会聚单元中的平凸透镜，以及非线性效应单元，进入信号探测单元，实现对激光器出射光的测量。
温度控制器包括散热片12、夹片13和半导体制冷片14，其中，在散热片12底部有两块夹片13，通过该夹片13上的螺孔将整个温度控制器固定在调节架上。
光源包括L型管壳15和半导体激光器16，其中L型管壳15通过螺孔固定在温度控制器上，既保证导热与光学元件对准，又通过短臂上的圆孔固定注入电信号的接头。
准直与会聚单元包括自聚焦透镜3和平凸透镜7；光源的出射光通常为发散光束，通过自聚焦透镜3准直成为平行光束，再通过平凸透镜7稍稍会聚，以提高通过非线性晶体的光密度，从而提高倍频效率。其中，自聚焦透镜3的规格适合于准直红光波段的光，其入射波长范围650nm至670nm；所述平凸透镜7的焦距范围为10cm至20cm。自聚焦透镜3和平凸透镜7均镀以光学薄膜对红光波段进行增透。
分光与延迟单元包括可动反射镜4、固定反射镜5和分光镜6；由自聚焦透镜出射的平行光束，以45°角入射分光镜6，被分为两束，其中一束经固定反射镜5反射返回，其光程固定不变；另一束经过可动反射镜4反射返回，通过可动反射镜4的移动可使两束光之间产生光程差，从而形成时间延迟；两束光出射后在空间域上重合，在时域上延迟，连续移动可动反射镜4可形成一束光对另一束光的扫描。
非线性效应单元包括长波通滤波片8、非线性晶体9和短波通滤波片10；由平凸透镜出射的光束经过长波通滤波片8滤掉基频波段以外的光波，以减少杂散信号的产生；基频光经过非线性晶体9后产生倍频信号，再通过短波通滤波片10将透过的基频光以及杂散光滤掉，以提高探测效率。其中，长波通滤波片8为红光波段可透，可透红光的带宽为645nm至675nm；所述短波通滤波片10为紫外光可透，可透紫外光的带宽为315nm至345nm；所述非线性晶体9为BBO，基频波长范围650nm至670nm，与长波通滤波片8相近的一端镀以基频波增透膜，与短波通滤波片10相近的一端镀以倍频波增透膜，以满足红光测试的需要。
信号探测单元为可探测紫外光的光探测器11，由短波通滤波片10出射的倍频信号是与延迟时间相关的，移动可动反射镜4来连续改变延迟时间，可在光探测器11上得到自相关波形，通过计算机对此波形进行记录和处理，得到入射光脉冲的脉宽信息。光探测器11一般为光电倍增管，其探测波长范围为260nm至900nm。
以上所述各光学元件均通过支架依次固定在底座平台上，并调整使它们的光轴重合。此结构可以通过控制温度来调整激光器的激射波长，体积小巧，调整光路方便，各元件均工作在红光波段，很好的满足了红光超短脉冲的测试需求。
再次参考图1、2、3，本发明的具体实施主要包括如下步骤：
(1)安装温度控制器。将半导体激光器及热沉固定在L型管壳上，在管壳较短的一臂上有一个圆孔用来固定注入电信号的接头。将管壳固定在半导体制冷片上，散热片的最下端有两块夹片，用来将整个温度控制器固定在调节架上，以便进行调节。
(2)调节光路。调节自聚焦透镜，对激光器出射光进行准直，然后依次调节后面的各个光学元件，使它们的光轴都在一条水平线上。
(3)调节光斑。图1中，4、5、6组成光学延迟系统，将激光器的出射光束分成两束，通过可动反射镜使其中一束产生时间延迟。当两束光再次重合时，会产生干涉条纹，相当于两个反射镜之间的空气隙造成了干涉。如果两个反射镜不平行，则形成等倾干涉，干涉条纹为平行条状；如果两个反射镜平行，则形成等厚干涉，干涉条纹为圆环状。两个平行反射镜之间的距离越小时，圆环会越稀疏，直至两个反射镜完全重合时，干涉条纹变成一个光斑或者暗影。通过调节两个反射镜的角度让它们平行且完全重合。
(4)进行扫描。扫描可动反射镜，用探测器接收强度自相关信号，并对采集信号进行处理。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。