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    【儀器使用技巧】自相關儀的工作原理和調節方法(2)

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    本篇的主要內容基于相干公司(Coherent Inc.針對800nm波長的自相關儀(右圖),闡述其工作原理和調節方法,如下圖1是自相關儀的光路圖:

    圖71.png圖72.jpg

    圖1. Coherent Inc. 的自相關儀SSA的 (a)光路圖和 (b)實際結構圖


    一、準備工作:

    1. 由于待測光的能量較強,所以需要用一個白片將待測光能量減弱。這里需要用一個楔角大的楔板,用其前表面的反射光作為待測光(后表面反射回的光會因為兩次經過楔板材料引入其他色散,造成脈沖形狀和寬度改變)。

    2. 將待測光調成與臺面水平,且光高是波片的中心高度。

    3. 用水平儀將自相關儀SSA的底面調平(如果不是經常搬動SSA,此步可以省略)。


    二、正式測量:

    1. 將待測光通過反射鏡M1導入到SSA中,調節SSA在臺面的角度,使待測光方向垂直于SSA表面方向,用壓塊固定SSA;

    2. 調節反射鏡M1,使待測光依次通過波片λ/2、分束片BS1、延時器DL鏡片的中心,同時待測光會經過M3的中心;經過BS1分束的兩束光暫命名為透射光a和反射光b;

    3. 調節反射鏡M2的角度,使經過BS1反射的反射光b入射到反射鏡M4中心;此時反射光b會通過分束片BS2,若反射光b沒有經過BS2,則移動BS2的位置;

    4. 調節反射鏡M3和M4的角度,使透射光a和反射光b均落在反射鏡M5上,且上下分布,左右一致;如圖2. (a) 所示;

    圖73.jpg
    圖2. (a)反射鏡M5上的兩個光斑; (b)晶體上的兩個光斑; (c)晶體后的和頻信號


    5. 調節反射鏡M5的角度,使透射光a和反射光b以非共線形式入射到非線性晶體BBO上;兩光斑會有一部分重疊,如圖2. (b) 所示;

    6. 驗證,擋住反射光b,調節延時器DL的位置,觀察透射光a在晶體上的位置和方向是否變動;若變動,說明延時器DL需要重新調節,若不變,則繼續下一步;

    7. 用紙片放在BBO后,調節出透射光a和反射光b的和頻信號,如圖2. (c) 所示,即一條銳利的藍線;具體調節方法如下:

    a) 轉動BBO晶體角度至α,使透射光a出現自倍頻,即透射光a變藍,反射光b依然是紅光;

    b) 轉動BBO晶體角度至β,使反射光b出現自倍頻,即反射光b變藍,透射光a依然是紅光;

    c) 轉動BBO晶體角度至(α+β)/2,此時透射光a和反射光b均無自倍頻產生;同時,和頻信號也無法觀察到;此時,移動延時器DL的位置,至晶體BBO后出現和頻信號,如圖2. (c)所示;若該現象無法發生,則可能是兩路光光程相差太多,需重新設計光路(一般自建的測量儀器會發生此種情況);

    8. 出現和頻信號后,如果信號太弱,則轉動半波片λ/2的角度,使和頻信號也變強;

    9. 將和頻信號通過SSA的輸出端口連接到示波器上,若顯示信號光太強——示波器上顯示信號飽和,則可以在BBO晶體后方加衰減片,注意,不可在測量光路中和晶體前加衰減片,因為透射元件會導致兩路光不等同或改變待測光的啁啾或脈寬;

    10. 在示波器上讀取電信號脈沖的寬度(FWHM)如圖3.(a) 中脈沖寬度為152.4 μs;

    圖74.jpg圖75.jpg

    圖3. (a)示波器顯示電脈沖 (b)定標時電信號在時間上的移動


    11. 定標:

    a) 連接觸發線;

    b) 調節延時器的位置L1,使和頻信號移到時間上的最左端,如圖3. (b)中光標a的位置,記下此時的延時器位置L1,用示波器光標記下示波器上脈沖中心位置a;

    c) 調節延時器的位置L2,使和頻信號移到時間上的最右端,如圖3. (b)中光標b的位置,記下此時的延時器位置L2,用示波器光標記下示波器上脈沖中心位置b;

    d) 計算透射光a光程移動位置,計算示波器中電脈沖相應的時間移動

    e) 定比例系數,若輸入脈沖是高斯脈沖,則k=0.707

    圖76.png


    11. 計算光脈沖實際大小


    圖77.png

    12. 若需要壓縮脈沖,則將SSA前的壓縮器的間距進行移動,直至測得的光脈沖脈寬最小(表現為BBO后的和頻藍線信號最細最銳,示波器上顯示的脈沖寬度最小)。



    三、作者提醒:

    標定的結果對脈沖測量影響很大。

    1. 對于不同形狀的脈沖,定標的比例系數不同,如果激光脈沖波形是高斯型、雙曲線正割型、單邊指數型,其變換系數分別為0.707、0.648、0.5;

    2. 如果示波器顯示的電信號脈沖有底座,說明待測脈沖有高階色散;

    3. 標定時,要保證移動延時器DL時,示波器上顯示的電脈沖在時間上移動的量程要超過2ms;

    4. 標定時,要保證示波器上顯示的電脈沖的峰值電平在500mV以上,且電平不飽和;

    5. 測量時,應使全部待測光進入自相關儀。如果待測光斑過大,可以將光斑縮束;


    對于針對其他波長和結構的自相關儀,其結構類似且原理一致,都可以用這種方法進行快速調節。



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