RU2057357C1 - Autocorrelator of light pulses - Google Patents

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: autocorrelator has light beam splitter, line of variable optical delay, unit matching direct and delayed beams optically coupled to registration unit. Light beam splitter, line of variable optical delay and unit matching direct and delayed beams are manufactured in the form of plane-parallel birefringent plate mounted for turning about its axis perpendicular to major plane of plate. Autocorrelator is supplemented with second plane-parallel birefringent plate mounted on optical axis. In this case its major plane coincides or is perpendicular to major plane of first plate. EFFECT: simplified design and adjustment of autocorrelator. 1 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для измерения параметров лазерного излучения. The invention relates to optics, in particular to devices for measuring parameters of laser radiation.

В лазерной технике известны автокорреляторы, предназначенные для измерения длительности сверхкоротких световых импульсов методом регистрации корреляционной функции интенсивности двух импульсов, полученных делением амплитуды исходного импульса, причем один из импульсов следует с регулируемой задержкой [1]
Схема автокоррелятора аналогична схеме интерферометра Майкельсона и содержит делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, вносящую регулируемое запаздывание в один из пучков, узел совмещения прямого и задержанного пучков и приемное устройство, осуществляющее функцию перемножения интенсивностей пучков на основе эффекта генерации второй гармоники в нелинейном кристалле. Известные схемы автокорреляторов различаются устройством линии задержки.In laser technology, autocorrelators are known for measuring the duration of ultrashort light pulses by recording the correlation function of the intensity of two pulses obtained by dividing the amplitude of the initial pulse, and one of the pulses follows with an adjustable delay [1]
The autocorrelator circuit is similar to the Michelson interferometer circuit and contains a light beam divider, a variable optical delay line introducing adjustable delay into one of the beams, a direct and delayed beam combining unit, and a receiving device that performs the function of multiplying beam intensities based on the effect of second harmonic generation in a nonlinear crystal. Known autocorrelator circuits are distinguished by a delay line arrangement.

Недостатком известных автокорреляторов является сложность конструкции и настройки, связанная с необходимостью точной взаимной юстировки всех элементов схемы. A disadvantage of the known autocorrelators is the complexity of the design and configuration associated with the need for accurate mutual alignment of all elements of the circuit.

Наиболее близким к заявляемому устройству является принятый за прототип автокоррелятор [2] Прототип содержит делитель пучка, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, два концевых отражателя, один из которых может поступательно перемещаться, образуя линию переменной оптической задержки, и приемное устройство. Два пучка, полученные после делителя, отражаются от концевых отражателей, совмещаются на полупрозрачном зеркале по сечению и направлению и направляют на приемное устройство. Closest to the claimed device is the autocorrelator adopted as a prototype [2] The prototype contains a beam divider made in the form of a translucent mirror, two end reflectors, one of which can translationally move, forming a line of variable optical delay, and a receiving device. Two beams obtained after the divider are reflected from the end reflectors, combined on a translucent mirror in section and direction, and sent to a receiving device.

Недостатком прототипа, как и других автокорреляторов, является сложность конструкции и юстировки схемы. The disadvantage of the prototype, like other autocorrelators, is the complexity of the design and alignment of the circuit.

Задача, которая решалась при разработке заявляемого устройства, заключалась в том, чтобы разделить исходный пучок на два и внести заданное запаздывание одного пучка относительно другого, оставляя их пространственно совмещенными. Результатом этого явилось бы существенное упрощение конструкции и юстировки автокоррелятора. The problem that was solved during the development of the inventive device was to divide the initial beam into two and introduce a given delay of one beam relative to the other, leaving them spatially aligned. The result would be a significant simplification of the design and alignment of the autocorrelator.

Указанный результат достигается в автокорреляторе световых импульсов, содержащем делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающемся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки, а также в схему введена вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка, установленная на оптической оси, при этом главная плоскость ее совпадает или перпендикулярна главной плоскости первой пластинки. The indicated result is achieved in a light pulse autocorrelator containing a light beam divider, a variable optical delay line, a direct and delayed beam combining unit optically coupled to a recording unit, characterized in that the light beam divider, a variable optical delay line and a direct and delayed beam combining unit made in the form of a plane-parallel birefringent plate installed with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the main plane of the plate, and a second plane-parallel birefringent plate mounted on the optical axis is also introduced into the circuit, while its main plane coincides or is perpendicular to the main plane of the first plate.

Сущность изобретения заключается в том, что деление светового пучка на два и задержка одного пучка относительно другого реализуются в двулучепреломляющей пластинке, при этом один пучок является обыкновенной волной, а другой необыкновенной; каждая из волн распространяется со своей групповой скоростью. Величина относительной задержки равна алгебраической сумме задержек, которые вносят две пластинки, и зависит от угла между оптической осью пластинки и осью пучка в каждой пластинке. The essence of the invention lies in the fact that the division of the light beam into two and the delay of one beam relative to the other are realized in a birefringent plate, while one beam is an ordinary wave and another unusual; each wave propagates at its own group velocity. The value of the relative delay is equal to the algebraic sum of the delays that two plates introduce, and depends on the angle between the optical axis of the plate and the axis of the beam in each plate.

Первая двулучепреломляющая пластинка вносит переменную задержку, величина которой изменяется при повороте пластинки. The first birefringent plate introduces a variable delay, the value of which changes when the plate is rotated.

Вторая двулучепреломляющая пластинка установлена так, что она вносит фиксированную задержку противоположного знака по сравнению с задержкой, которую вносит первая пластинка. Благодаря этому:
суммарная задержка в двух пластинках может быть как положительной, так и отрицательной; регистрируется полная автокорреляционная функция;
путем выбора величины фиксированной задержки рабочая точка автокоррелятора ( τ₃0) устанавливается на квазилинейном участке зависимости величины задержки от угла поворота первой пластинки.The second birefringent plate is installed so that it introduces a fixed delay of the opposite sign compared to the delay that the first plate makes. Thereby:
the total delay in the two plates can be either positive or negative; full autocorrelation function is recorded;
by choosing the fixed delay value, the working point of the autocorrelator (τ₃ 0) is set in the quasilinear section of the dependence of the delay value on the rotation angle of the first plate.

Вышедшие из пластинок пучки совмещены и имеют заданную относительную задержку; пучки поляризованы в ортогональных плоскостях. В конструкции автокоррелятора отсутствуют сложные юстировочные узлы, линия задержки упрощена, величина задержки может устанавливаться и контролироваться с высокой точностью. Beams emerging from the plates are combined and have a given relative delay; the beams are polarized in orthogonal planes. The design of the autocorrelator lacks complex alignment nodes, the delay line is simplified, the delay value can be set and controlled with high accuracy.

Изобретение будет понято из следующего описания и приложенного к нему чертежа. The invention will be understood from the following description and the attached drawing.

На чертеже показана оптическая схема устройства. The drawing shows an optical diagram of the device.

На схеме и в тексте приняты следующие обозначения:
1 оптическая ось пучка,
2 первая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка,
3 вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка,
4 приемное устройство.The following notation is used in the diagram and in the text:
1 optical axis of the beam,
2 first plane-parallel birefringent plate,
3 second plane-parallel birefringent plate,
4 receiving device.

Устройство состоит из расположенных на оптической оси пучка 1 подвижной двулучепреломляющей пластинки 2, неподвижной двулучепреломляющей пластинки 3 и приемного устройства 4. Пластинка 2 совмещает в себе функции делителя пучка, линии переменной оптической задержки и узла совмещения пучков. Примем для определенности, что пластинки 2 и 3 вырезаны из одного материала, главная плоскость пластинки 2 горизонтальна, главная плоскость пластинки 3 вертикальна. Пластинка 2 может поворачиваться вокруг оси О-О, перпендикулярной к главной плоскости пластинки 2. Плоскость поляризации пучка на входе в устройство наклонена под углом 45^о к главной плоскости пластинки 2.The device consists of a movablebirefringent plate 2 located on the optical axis of the beam 1, a fixed birefringent plate 3 and a receiving device 4. Theplate 2 combines the functions of a beam splitter, a variable optical delay line and a beam matching unit. For definiteness, we assume thatplates 2 and 3 are cut from the same material, the main plane of theplate 2 is horizontal, and the main plane of the plate 3 is vertical. Theplate 2 can rotate around the axis O-O, perpendicular to the main plane of theplate 2. The plane of polarization of the beam at the entrance to the device is inclined at an angle of 45^about to the main plane of theplate 2.

Изобретение осуществляется следующим образом. The invention is as follows.

Падающее на первую пластинку 2 излучение делится в пластинке 2 на две волны обыкновенную и необыкновенную, поляризованные соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Каждая из волн распространяется со своей групповой скоростью. Во второй пластинке 3 волна, бывшая обыкновенной, становится необыкновенной и наоборот. Суммарная задержка одной волны относительно другой после прохождения через пластинки 2 и 3 равна:
τ₃

-

l₁sin²Φ₁-l₂sin

где l₁, l₂ толщины пластинок 2 и 3 вдоль оси пучка 1;
с скорость света;
Δ η η_o η_e разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн;
λ длина волны излучения;
Ф₁ угол между оптической осью Z₁ первой пластинки 2 и осью пучка 1;
Ф₂ угол между оптической осью Z₂ второй пластинки 3 и осью пучка 1.The radiation incident on thefirst plate 2 is divided in theplate 2 into two waves, ordinary and extraordinary, polarized respectively in the vertical and horizontal planes. Each of the waves propagates with its own group velocity. In the second record 3, the wave, which was ordinary, becomes extraordinary and vice versa. The total delay of one wave relative to another after passing throughplates 2 and 3 is equal to:
τ₃

-

l₁ sin² Φ₁ -l₂ sin

where l₁ , l_{2 the} thickness of theplates 2 and 3 along the axis of the beam 1;
with the speed of light;
Δ η η_o η_{e the} difference in refractive indices for the ordinary and extraordinary waves;
λ radiation wavelength;
F_{1 the} angle between the optical axis Z_{1 of the}first plate 2 and the axis of the beam 1;
Ф_{2 the} angle between the optical axis Z_{2 of the} second plate 3 and the axis of the beam 1.

Две волны, прошедшие пластинки 2 и 3, имеют одинаковую амплитуду, совмещены по сечению и направлению распространения и имеют относительный временной сдвиг τ₃
При вращении пластинки 2 вокруг оси О-О задержка периодически изменяется, что позволяет регистрировать автокорреляционную функцию светового импульса за каждый оборот пластинки 2.Two waves passing throughplates 2 and 3 have the same amplitude, are combined along the cross section and the direction of propagation, and have a relative time shift τ₃
When theplate 2 rotates around the O-O axis, the delay periodically changes, which allows the autocorrelation function of the light pulse to be recorded for each revolution of theplate 2.

Два пучка, прошедшие пластинки 2 и 3, поляризованы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Если в приемном устройстве 4 для генерации второй гармоники используется 2-ой тип взаимодействия, ось нелинейного кристалла ориентируется в вертикальной или горизонтальной плоскостях, если используется 1-ый тип воздействия, ось кристалла ориентируется в плоскости, наклонной под углом 45^о к указанным плоскостям.Two beams passing throughplates 2 and 3 are polarized in the vertical and horizontal planes. If the receiving device 4 for the second harmonic generation using the second type of interaction, the axis of the nonlinear crystal is oriented in a vertical or horizontal plane when using the first type of exposure, the crystal axis is oriented in a plane inclined at an angle of⁴⁵ ° to said plane.

Для измерения длительности спектрально-ограниченных импульсов могут использоваться автокорреляторы с регистрацией корреляционной функции амплитуд (интенсивности интерференции прямого и задержанного импульсов). В этом случае генератор второй гармоники не используется, а для обеспечения интерференции прямого и задержанного импульсов перед приемником излучения устанавливается соответствующим образом ориентированный анализатор. To measure the duration of spectrally limited pulses, autocorrelators can be used to record the amplitude correlation function (the intensity of the interference of direct and delayed pulses). In this case, the second harmonic generator is not used, and to ensure interference between the direct and delayed pulses, an appropriately oriented analyzer is installed in front of the radiation receiver.

По данному техническому решению были проведены расчеты величины относительной задержки между импульсами и уширения импульсов за счет дисперсии групповых скоростей в материале пластинок. Расчеты проводились для группы кристаллов, широко используемых в нелинейной оптике. Расчеты показывают, что при толщине пластинок 2-5 мм (кристаллы ВВО, DKDP) задержка достигает ± 300 Фс, при уширении импульсов менее 10 Фс в диапазоне длин волн 1,1-1,3 мкм. В данном спектральном диапазоне работает фемтосекундный лазер на форстерите с примесью ионов хрома (Cr⁴⁺:Mg₂SiO₄).According to this technical solution, the relative delay between pulses and pulse broadening were calculated due to the dispersion of group velocities in the plate material. The calculations were performed for a group of crystals widely used in nonlinear optics. Calculations show that with a plate thickness of 2-5 mm (BBO crystals, DKDP), the delay reaches ± 300 Fs, with pulse broadening of less than 10 Fs in the wavelength range of 1.1-1.3 μm. A femtosecond forsterite laser with an admixture of chromium ions (Cr⁴⁺ : Mg₂ SiO₄ ) operates in this spectral range.

Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и расчетные характеристики устройства. The experiments carried out confirmed the operability and design characteristics of the device.

Claims (1)

Translated fromRussian

АВТОКОРРЕЛЯТОР СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий делитель светового пучка, линию переменной оптической задержки, узел совмещения прямого и задержанного пучков, оптически сопряженные с узлом регистрации, отличающийся тем, что делитель светового пучка, линия переменной оптической задержки и узел совмещения прямого и задержанного пучков выполнены в виде плоскопараллельной двулучепреломляющей пластинки, установленной с возможностью поворота ее вокруг оси, перпендикулярной главной плоскости пластинки, в схему также введена вторая плоскопараллельная двулучепреломляющая пластинка, установленная на оптической оси, при этом главная плоскость ее совпадает или перпендикулярна главной плоскости первой пластинки. AUTO CORRELATOR OF LIGHT PULSES, comprising a light beam divider, a variable optical delay line, a direct and delayed beam combining unit optically coupled to a recording unit, characterized in that the light beam divider, a variable optical delay line and a direct and delayed beam combining unit are made in the form of plane parallel birefringent plate installed with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the main plane of the plate, the second plane is also introduced into the circuit -parallel birefringent plate is mounted on the optical axis, while its main plane coincides with or is perpendicular to the principal plane of the first plate.

Images