2μm波段自相关仪系统研究
毕业论文关键字： 2微米 自相关 脉冲宽度 超短脉冲激光 Study of 2 μm autocorrelator system Abstract：Nowadays,due to the development of laser technology,all disciplinary fields put importance on the time probe,which plays an vital role in the measurement of pulse width,as the essential researching method.The high sensitivity and resolution make autocorrelation method superior.The traditional autocorrelation method cannot be designed for 2 micron although it contains this band. It is beneficial to optimize every single optical element to adjust to 2 micron band via self building because it can alleviate errors.What is more,people select reflector and corner cube retroreflector to research collinear autocorrelation method as well as non-collinear autocorrelation method together with various time delay structures so that it can meet perse experimental demands.
Keywords: two micrometres autocorrelation pulse width ultra-short pulse laser
目录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅰ
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究内容 3
2 自相关仪的原理及结构 4
2.1 自相关仪的基本原理 4
2.1.1 自相关仪数学原理 4
2.1.2 自相关仪脉宽测量原理 5
2.2 自相关仪的基本光学结构 7
2.3 自相关仪的脉宽测量 8
3 系统分析与设计 10
3.1 测量系统各光学元件分析 10
3.2 自相关仪延时结构分析 13
3.3 自相关仪光线共线分析 17
3.4 自相关仪整体结构搭建和调整 18
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 研究背景及意义 随着激光技术飞速发展，超快激光以脉冲持续时间短、 强度超高以及能以较低的脉冲能量获得极高的峰值功率等优点成为了激光领域研究的热点。目前有以下几个研究方向：（1）研究更短的脉冲产生技术，进一步向阿秒级方向拓展；（2）进一步提升功率强度，实现强场功率拍瓦级量级；（3）拓展研究波段和功能性，丰富工作状态；（4）实现精确的飞秒激光相干控制；（5）超短超强脉冲与物质的相互作用。 当代技术发展和研究总是与实际应用和需求密切相关，为适应各个学科领域的使用和研究，超短脉冲激光技术不断拓展其波长范围，向软 X 射线及中红外、甚至远红外方向扩展。而 2 微米波段激光凭借其对人眼安全、对大气及烟雾穿透性强以及水分子对其强吸收等特点更是有着极高的应用价值。随着技术的不断发展，2微米波段的激光不仅在医疗领域发挥着重要作用，通过使用该波段的光照射手术部位表面，通过光热复合效应能有效的消除病变，并由于水和二氧化碳分子在此波段有着很强的中红外吸收，血液凝结快，术后创面小，且因不直接接触人体，避免了交叉感染等术后风险；同时也在遥感和光通信领域中，它是激光相干测距仪、水蒸气抛面差分吸收激光雷达等系统的理想光源，同时它也是获得某些波段重要光学参量振荡器的最佳抽运源。因此，2 微米激光越来越多的出现在人们的眼前，并成为当今激光领域的研究焦点之一。 超短脉冲激光技术最直接的应用便是作为光源使用，用于能观察瞬态过程并分辨其时间跨度的光谱、泵浦和探测技术，例如时间分辨拉曼光谱、电光测量技术、超快光导探针等。这些超快速信息获取技术是以超短激光脉冲作为探针的，因此信息的超快速获取发展的前提是关于超短脉冲激光的研究。超快速信息获取技术中最重要的是时间分辨率，它的每一次重大提高都会使人们获得更加宽阔的视野，帮助人们开辟新的研究方向，比如当显微镜、扫描隧道显微镜等大大提升空间分辨率的设备诞生后对生物、物理和化学领域带来重大革新一样。超快信息获取的时间分辨率得到质的提升后，人们便可以对微观世界里发生的一系列超快变化的具体过程的认识实现飞跃，由此推动物理、化学、生物、信息等领域微观超快过程的研究，实现各个领域新的突破。因为时间的分辨率是由激光的脉冲宽度决定的，所以脉冲激光的脉冲宽度就成为很重要的特性参数。 为了测量超短激光脉冲的脉宽，一般分为两种方法。 一、直接测量法，即利用已有仪器直接对激光脉宽进行测量。目前主要有两种仪器，高速示波器和条纹相机。 高速示波器是利用上升时间极短的（小于 30ps）光电二极管探头采样，直接得到波形，实现脉宽测量； 条纹相机又称变像管高速扫描像机，是基于时空映射效应的真空变像管技术，超快光信号通过光电阴极转化为电信号，电信号通过按照一定时间规律变化的电场偏转，这样不同时间经过偏转电场的电脉冲信号就会出现不同的空间横向位移，被位置传感器接收，然后利用扫描速度和位移的关系反演出时间信息。条纹相机一般组成包括高压电源、变像管、前端光学输入、电控扫描、像放大器、光学耦合CCD记录系统等。条纹相机工作原理 其工作原理为前端光学输入系统把超短脉冲光学信号转化为一文信号并使之汇集在变像管的光电阴极上变成随时间变化的电子信号，然后通过变像管把其变成随空间变化的光信号，然后通过像放大系统把来自荧光屏的图像信号放大至可记录，然后由光学耦合 CCD 系统接收分析。其中变像管的高压静态电场由高压电源提供，电控扫描系统主要为实现电子信号超快扫描，实现信号从时间到空间的转化。 作为 ps和fs量级超快时间测量的重要技术手段，变像管高速相机有着以下几个优势：1.超高时间分辨率，理论可以达到10-14s 级别；2.较宽的光谱波段响应，超短脉冲 光学信号 前端光学 输入系统 变像管 （光电阴极+扫描电场+荧光屏） 像放大器 光学耦合 CCD 记录系统 高压电源 电控扫描 测量结果大致为0.01nm-1mm，即 X 射线到红外波段范围；3.灵敏度高，通过光增强装置，可以测量低光强信号。 然而不论是用高速示波器还是高速条纹相机，都会受到仪器本身的参数限制（如光电二极管的响应时间），有着测量极限。