經(jīng)翰璋 孫彥乾 牛春暉

摘 ?要：一直以來，超長測距系統(tǒng)用途相當(dāng)廣泛，并且在實(shí)際使用中對超長測距系統(tǒng)的要求較高。而自從激光問世以來，其在測距中的應(yīng)用非常廣泛，并為超長測距的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。搭建GCS-PSL實(shí)驗(yàn)典型腔，輸出穩(wěn)定鎖模的激光，通過在腔內(nèi)加入不同規(guī)格的F-P標(biāo)準(zhǔn)具，改變激光脈寬，搭建改良后的邁克爾遜干涉光路，應(yīng)用自相關(guān)法和晶體非線性效應(yīng)的相應(yīng)原理，利用光電探測器測量并研究激光脈寬改變的規(guī)律，得出一般性結(jié)論。為超快激光超長測距系統(tǒng)的研制與實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：GCS-PSL實(shí)驗(yàn)典型腔;F-P標(biāo)準(zhǔn)具;邁克爾遜干涉

中圖分類號：TN249 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0051-03

Development of Ultra-fast Laser Ultra-long Ranging System

JING Hangzhang1，2，SUN Yanqian1，2，NIU Chunhui1，2

（1.Beijing Information Science & Technology University，Beijing ?100192，China;

2.Beijing Institute of Photoelectric Technology，Daheng New Epoch Technology Inc.，Beijing ?100085，China）

Abstract：Ultra-long ranging system has been widely used all the time，and has high requirements for ultra-long ranging system. Since the advent of laser，it has been widely used in ranging，and provides strong support for the realization of ultra-long ranging. The typical cavity of GCS-PSL experiment is built to output stable mode-locked laser. By adding different F-P etalons into the cavity，the laser pulse width is changed，and the improved Michelson interferometric optical path is constructed. Based on the autocorrelation method and the corresponding principle of crystal non-linear effect，the laser pulse width is measured and studied by photoelectric detector，and the general conclusion is drawn. It provides a strong support for the development and implementation of ultra-fast laser ultra-long ranging system.

Keywords：GCS-PSL experimental typical cavity;F-P etalon;Michelson interference

0 ?引 ?言

上世紀(jì)60年代中期，鎖模脈沖激光器被De Maria.等人研制出來。自此以后激光脈沖的寬度已經(jīng)由皮秒（ps）、飛秒（fs）量級，發(fā)展到阿秒（as）量級。當(dāng)激光脈沖時(shí)間寬度小于10-12秒，即達(dá)到皮秒脈沖量級時(shí)就可以稱為超短激光脈沖。

超短激光脈沖由于其特殊性擁有不可替代的作用，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。而應(yīng)用超短脈沖的前提是準(zhǔn)確了解其脈寬相位等信息，因此超短激光脈沖測量技術(shù)同樣非常重要。研究超短激光脈沖測量方法，對超短激光脈沖的時(shí)間寬度等信息進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的觀察和分析，在研究超快激光技術(shù)和超短脈沖的更深層次的應(yīng)用中顯得格外重要。

1 ?研究內(nèi)容

具體研究內(nèi)容如下：

（1）超快激光產(chǎn)生及鎖模原理;

（2）皮秒激光在衛(wèi)星測距領(lǐng)域的應(yīng)用;

（3）窄譜皮秒激光優(yōu)勢及實(shí)現(xiàn)方法。

2 ?實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)

2.1 ?搭建GCS-PSL實(shí)驗(yàn)典型腔

GCS-PSL實(shí)驗(yàn)典型腔的主要參數(shù)如表1所示。

2.1.1 ?構(gòu)建并調(diào)試同波長指示激光束

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行搭建調(diào)試較復(fù)雜的折疊諧振腔之前，需要有一束指示激光作為后續(xù)各個(gè)諧振腔器件的放置和調(diào)節(jié)依據(jù)，具體如下：

泵源通電工作后，將電流旋鈕調(diào)至適中的4A左右，將激光晶體組件安放至預(yù)定位置并固定，晶體前后通光面方向以箭頭為準(zhǔn)，并確保泵浦光居中入射到晶體中。

將T=3%（或8%），曲率200的激光輸出鏡組件放置于晶體前約60mm處，鍍膜面朝向晶體。緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)輸出鏡組件，同時(shí)將橘色塑料感光片放置于輸出前方的待出光位置，仔細(xì)搜尋1064nm激光瞬間閃現(xiàn)的光點(diǎn)，慢慢確認(rèn)好輸出鏡的姿態(tài)，將其固定。進(jìn)一步細(xì)調(diào)該輸出鏡的二維俯仰旋鈕，使感光片上看到的激光出射光點(diǎn)從分瓣的形狀逐漸變?yōu)橐粋€(gè)亮斑，更換白色陶瓷倍頻轉(zhuǎn)換片，可以進(jìn)一步清晰看出光斑為亮度集中的綠色圓光點(diǎn)（1064nm波長激光照射在倍頻感光片上可在光斑位置激發(fā)出532nm的綠色熒光，可以清晰判斷光斑位置與形狀）。至此，同為1064nm波長的指示激光構(gòu)建完成。

2.1.2 ?放置M1腔鏡

在預(yù)定位置放置腔鏡M1，確定M1的左右位置時(shí)需要讓指示激光的光斑在其鏡面的中心（上下略偏離中心一些無所謂）。

2.1.3 ?放置M2腔鏡（在本腔型中為正式輸出鏡）

在預(yù)定位置放置腔鏡M2，調(diào)節(jié)M1的俯仰角度，使指示激光束照射到M2的鏡面中心。

2.1.4 ?放置M3腔鏡

在預(yù)定位置放置腔鏡M3，調(diào)節(jié)M2的俯仰角度，使指示激光束照射到M3的鏡面中心。

2.1.5 ?放置SESAM

在本鎖模激光腔型中，SESAM作為最后一片腔鏡，而且被放置在電控平移臺(tái)上，這就需要在電控臺(tái)的有效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，SESAM都在指示光束中，因此M3反射出的指示激光束需要通過調(diào)節(jié)M3的俯仰，使指示激光束沿電控臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向位于SESAM中心。

大范圍前后移動(dòng)電控臺(tái)，確定指示激光束均位于SESAM的中心位置。

反過來再調(diào)節(jié)SESAM的俯仰，使指示激光束再返回至M3的光束出射位置。

2.1.6 ?撤去臨時(shí)輸出鏡，進(jìn)一步微調(diào)諧振腔

將感光片置于M2（輸出鏡）后，觀察兩束輸出光的光點(diǎn)，微調(diào)SESAM的俯仰，使輸出光斑均為圓光斑（基橫模）。

2.1.7 ?對輸出的兩束激光分別測量功率及脈沖波形

由于兩束出射激光距離很近，只能使其中一束直接入射到功率探頭中，另一束經(jīng)過反射鏡反射至探測器的入光孔中。

2.1.8 ?結(jié)合功率讀數(shù)與波形圖樣，進(jìn)一步優(yōu)化（示波器需要百兆帶寬以上）

首先需要將快速探測器的信號輸出線通過50Ω的匹配阻抗與數(shù)字示波器連接（如果示波器自帶50Ω電阻，可以不用接外置匹配阻抗），探測器“on/off”選擇到“on”，示波器調(diào)節(jié)至“直流耦合”檔。進(jìn)一步加大泵源的工作電流，觀察示波器上的激光脈沖波形和功率計(jì)的讀數(shù)。

看到波形后，調(diào)節(jié)示波器的“時(shí)間旋鈕”到ns量級，需要看到頂端平齊穩(wěn)定梳狀脈沖波形。調(diào)節(jié)示波器的“時(shí)間旋鈕”到12μs，波形會(huì)變密集，甚至無法分辨每一個(gè)“脈沖峰”，但是仍然為平整的邊緣。

擁有穩(wěn)定的鎖模脈沖波形后，讀取功率計(jì)讀數(shù)，隨著泵源電流的加大，穩(wěn)定鎖模的平均功率應(yīng)可以達(dá)到500MW以上。如果不能達(dá)到，少量改變L4（腔鏡M3到SESAM的距離），并配合SESAM的俯仰，直到滿足上述要求為止。

2.1.9 ?讀取重復(fù)頻率，與量取的諧振腔長度通過公式比對

此時(shí)讀取示波器上得到的脈沖峰的重復(fù)頻率u，用刻度尺量取諧振腔的總長度L（L1+L2+L3+L4），通過公式u=C/2L，計(jì)算出的重頻與示波器讀取是否吻合，如果吻合，整個(gè)的鎖模激光諧振腔調(diào)節(jié)完成。

2.2 ?自相關(guān)法測量超短激光脈沖

自相關(guān)是指一個(gè)激光脈沖在不同時(shí)刻強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為時(shí)域的相關(guān)性。自相關(guān)法測量超短激光脈沖寬度需要用到邁克爾遜干涉光路，晶體的倍頻效應(yīng)以及激光脈沖自相關(guān)的一些基本原理。

2.3 ?邁克爾遜干涉光路的設(shè)計(jì)原理

邁克爾遜干涉光路是測量裝置的主體結(jié)構(gòu)，因此邁克爾遜干涉光路的設(shè)計(jì)搭建極為重要。

2.3.1 ?自相關(guān)儀基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

因?yàn)樽韵嚓P(guān)儀屬于精度較高的光學(xué)測量儀器，對激光脈沖空間位置的控制要求很高，因此光路設(shè)計(jì)較為嚴(yán)格。激光脈沖由皮秒脈沖激光器發(fā)出，在分光棱鏡處被均勻地分為兩束傳播方向垂直的脈沖激光，然后各自經(jīng)過多次反射后匯合于一點(diǎn)。因?yàn)榫w的和頻效應(yīng)需要兩束激光精確地匯合于一點(diǎn)，所以激光光路的設(shè)計(jì)在合理地調(diào)節(jié)光路時(shí)也要注意一些技巧。設(shè)計(jì)自相關(guān)儀前應(yīng)最先考慮裝置的整體布局。因?yàn)榧す馄靼l(fā)出的光即使經(jīng)過光路調(diào)整也不會(huì)是嚴(yán)格的水平，所以隨著光路的增長，激光的傾斜量也會(huì)隨之增加，所以光路中各光學(xué)元件分布應(yīng)盡量緊密一些。其次，由于測量光路的調(diào)節(jié)過程十分復(fù)雜，因此應(yīng)盡量減少光學(xué)元件的個(gè)數(shù)。

2.3.2 ?光路搭建與調(diào)整

2.3.2.1 ?確定光路高度

在實(shí)驗(yàn)裝置中，一共有兩個(gè)元件高度是固定的，很難調(diào)節(jié)。一個(gè)是皮秒激光器，皮秒激光器只能直接固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，而激光器出光口很低，離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)距離只有5cm左右;另一個(gè)是引入可變延遲線的平移臺(tái)上的全反射鏡。平移臺(tái)上全反射鏡中心高度約為12cm。由于平移臺(tái)較高，因此確定平移臺(tái)上全反射鏡的中心高度為光路的水平高度平面。

2.3.2.2 ?搭建邁克爾遜干涉光路

本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)光路為鋼桿連接的同軸結(jié)構(gòu)光路，所以光路搭建比較單，只需將各個(gè)元件用合適的鋼桿連接起來固定在立柱上。在立柱上固定時(shí)的高度應(yīng)參考平移臺(tái)上反射鏡的高度，以反射鏡中心高度為光軸高度，整個(gè)光路應(yīng)盡量保持水平。

2.3.2.3 ?將激光調(diào)節(jié)到確定好的高度水平面上

由于激光器出射口較低，不在確定好的高度面上，因此需要用一些折轉(zhuǎn)光路將光路調(diào)高。

2.3.2.4 ?調(diào)節(jié)a路激光與b路激光在同與水平面內(nèi)且相互平行

為保證改變光程差時(shí)兩束光交點(diǎn)位置不變，必須保證兩束光在進(jìn)入正透鏡會(huì)聚之前相互平行，并且在同一水平面內(nèi)。因?yàn)閍路激光需要經(jīng)過一個(gè)平移臺(tái)，相對而言更復(fù)雜，所以應(yīng)該先調(diào)節(jié)a路激光使其水平。調(diào)節(jié)b路激光時(shí)，先按照調(diào)節(jié)a路激光的方法將b路激光調(diào)節(jié)至和a路激光同樣的高度并保持水平，這樣就保證了兩束激光處于同一水平面內(nèi)。

2.3.2.5 ?放置并調(diào)節(jié)晶體

在正透鏡后兩束激光交點(diǎn)處放置非線性晶體。非線性晶體有5個(gè)自由度，分別是3個(gè)位移自由度和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。首先將晶體固定在波片架上，在透鏡后找到兩束激光的交點(diǎn)，將晶體的中心位置調(diào)節(jié)到交點(diǎn)處。此時(shí)可以固定住晶體的高度和水平位置，使晶體只能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);然后旋轉(zhuǎn)晶體，包括繞立柱旋轉(zhuǎn)和波片自行旋轉(zhuǎn)晶體，使和頻光最強(qiáng)。

2.3.2.6 ?邁克爾遜干涉光路

從激光器發(fā)出的激光射向消偏振光分光棱鏡、分光棱鏡可以將由激光器射來的光束分成振幅近似相等的反射光a和透射光b。光束a射向平移臺(tái)上的反射鏡組;光束b射向另一組反射鏡組。a路與b路激光經(jīng)多次反射后近似平行射向凸透鏡從而在透鏡焦點(diǎn)處會(huì)聚。由于這兩束光來自光源上同一點(diǎn)，因而是相干光。通過調(diào)節(jié)可移動(dòng)平臺(tái)可以改變兩束光的光程差，繼而引入可變延遲，從而實(shí)現(xiàn)一束光對另一束光的掃描。

2.3.2.7 ?非線性晶體和光電探測器

在本實(shí)驗(yàn)中，晶體的位置姿態(tài)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大，所以必須謹(jǐn)慎考慮如何才能更好地放置與調(diào)整晶體。本實(shí)驗(yàn)中，非線性晶體置于波片架上，因?yàn)椴ㄆ芸衫@光軸旋轉(zhuǎn)，方便調(diào)節(jié)，空間位置也比較好固定和移動(dòng)。光電探測器用的是光電倍增管，其高壓為0～1000V可調(diào)，將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于光電倍增管主要接收和頻信號（和頻信號為532nm的綠光），為了減小環(huán)境光噪聲影響，應(yīng)在光電倍增管前加一綠色濾光片。

2.4 ?晶體的非線性效應(yīng)

倍頻效應(yīng)于1961年被首次首先發(fā)現(xiàn)。人們將波長為694.3nm的紅光射到石英晶體上，在石英晶體后不僅探測到波長為694.3nm的紅光，而且還出現(xiàn)了波長為347.1nm的成分，即產(chǎn)生了頻率加倍的光線，也就是倍頻效應(yīng)。倍頻效應(yīng)即非線性光學(xué)效應(yīng)。當(dāng)光束射入非線性晶體時(shí)cc，在晶體后方不但可以接收到原來的激光波長成分，還可是檢測到波長為1/2入射光波長的成分，即從晶體中透出光的頻率是入射光頻率的兩倍。這種頻率加倍的光學(xué)現(xiàn)象稱作晶體的倍頻效應(yīng)。兩束激光同時(shí)進(jìn)入非線性晶體還會(huì)出現(xiàn)混頻（和頻、差頻）現(xiàn)象。

2.5 ?自相關(guān)法原理

自相關(guān)測量皮秒脈沖激光時(shí)，先將皮秒脈沖激光分為兩束，假設(shè)每個(gè)激光脈沖強(qiáng)度的空間分布均為高斯型，相對時(shí)間延遲為τ，那么它們的時(shí)間強(qiáng)度分布可以用公式表示為：

由于自相關(guān)曲線值從數(shù)學(xué)上描述就是脈沖函數(shù)的卷積，實(shí)際測量中，卷積的過程即時(shí)間差變化的過程是靠改變兩束激光脈沖的光程差來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)兩束光所走過的光程完全相等，也就是由同一個(gè)脈沖被一分為二的兩個(gè)“相關(guān)脈沖”同時(shí)進(jìn)入非線性晶體時(shí)，產(chǎn)生的和頻光最強(qiáng)。當(dāng)延遲線對其中一束光產(chǎn)生延遲，使兩個(gè)脈沖到達(dá)非線性晶體時(shí)產(chǎn)生了微小的“時(shí)間差”，倍頻光就會(huì)隨即減弱。直至延遲量帶來的“時(shí)間差”完全使兩個(gè)“相關(guān)脈沖”錯(cuò)開，和頻光完全消失。這樣即可掃描出和頻光的強(qiáng)度隨延遲空間量變化的曲線，該曲線又可以根據(jù)光速轉(zhuǎn)化成隨時(shí)間量變化，取曲線的半高全寬即為相應(yīng)的脈沖寬度。

3 ?結(jié) ?論

通過在鎖模激光諧振腔中加入不同規(guī)格的F-P標(biāo)準(zhǔn)具，并分別測量相應(yīng)脈寬，進(jìn)行對比得知不加入標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)激光脈沖寬度最小，加入的標(biāo)準(zhǔn)具越寬，激光的脈沖寬度越大，由于激光線寬和脈沖寬度成反比，所以加入F-P標(biāo)準(zhǔn)具可以有效壓縮激光線寬，線寬越小激光的有效傳輸距離越遠(yuǎn)，因此對激光脈寬展寬的研究在激光測距方面有著重要的地位。

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作者簡介：經(jīng)翰璋（1997-），男，漢族，北京人，本科，研究方向：激光測距。