CN101799332A - 基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超快激光科学与精密测量技术领域，具体指的是一种基于分子排列取向的用于测量超短脉冲振幅和相位的方法。该方法利用一束激光脉冲实现气体分子的排列取向，并利用此分子排列取向信号作为快门脉冲，基于分子排列取向的弱光偏振探测方法，由计算机精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，测量不同时间延时下待测激光脉冲经过所述排列取向的气体分子的透射二维图形，进而获得待测激光脉冲的振幅和相位和频率特性。本发明的优点是不需要使用非线性晶体，一方面节省了成本，也使得这种方法不需要考虑非线性过程中需要满足的相位匹配条件、波长匹配条件及匹配光强等限制性因素。

Description

基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种用于测量超短脉冲振幅和相位的基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法。

背景技术

超短激光脉冲的诊断，包括脉冲的振幅和相位的测量，是超快激光科学中一个非常关键的技术问题。传统的自相关方法只能测量脉冲的宽度或振幅但不能测量脉冲具体的相位或啁啾信息，因此无法对超短激光脉冲给出一个较为准确的了解。而相位是描述激光脉冲的一个极其重要的参数，掌握飞秒激光脉冲的相位信息，使得人们可以了解超短脉冲激光啁啾特性，从而可以进行脉冲诊断并进行有效地相位补偿，在超短脉冲激光的产生和应用中有重要意义。为了实现对超短脉冲的全方位诊断，经过多年的探索，人们先后提出了诸如频率分辨光学门法(FROG)以及光谱相位相干电场重建法(SPIDER)等不同的测量方法。

FROG是用于超短激光脉冲的诊断的较为成熟的方法之一。FROG技术主要包括两部分：基于非线性过程产生被测光脉冲FROG图形以及从测得的FROG图形中提取被测脉冲幅值和相位信息的相位迭代算法。SPIDER是继FROG之后基于光谱错位原理提出的超短脉冲的诊断方法。SPIDER方法的主要原理是在时域上有延时的相同特性的两束脉冲与经过展宽的啁啾脉冲在非线性晶体中混频，经傅里叶变换导出脉冲的光谱相位。因此在实验上要把待测脉冲分裂成为两个时间延时τ的同特性脉冲，与经过展宽的啁啾脉冲(脉宽>>τ)在非线性晶体中和频，然后两束和频光进行干涉，由光谱仪测得干涉图样。虽然相比FROG相对繁琐的相位迭代，SPIDER的脉冲重建算法简单快速，但是SPIDER的光谱重建的准确性取决于干涉图样的间隔，必须使用分辨率较高的光谱仪。同时其装置较为复杂，需要精确获取两束时间延时为τ的同特性脉冲。为保证干涉图样的稳定性，SPIDER需要非常高的力学稳定性，同时要求待测脉冲有着非常好的光束质量。待测脉冲在进入非线性晶体前要进行分束和展宽，使得SPIDER的灵敏度不高。另外，SPIDER在测量过程需要单独测量待测光脉冲光谱，操作相对较为复杂。

对于上述两种较为成熟的超短脉冲诊断技术，即FROG和SPIDER技术，在测量过程中都需要涉及到非线性光学频率转换，因而存在以下几个方面的不足。首先，通常情况下非线性过程要求被测量光脉冲必需具有足够的光场强度，这样对于非常微弱的光脉冲的测量就显得比较无奈。其次，非线性过程还要受到非线性晶体相位匹配带宽的限制，因此能够精确测量的脉冲带宽是非常有限的。另外，非线性晶体波长适用范围有限，即对于一块特定切割角的晶体只能用于特定波长的激光脉冲的诊断，对于不同的波长的激光脉冲的诊断，则必需要更换不同类型或者不同方式加工处理的晶体。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，应用激光脉冲转动拉曼激发，气体分子将沿着激光场偏振方向排列取向。由于分子沿其轴向的折射率大于垂直于其轴向的折射率，将对被测量的激光脉冲形成一个双折射效应。结合弱光偏振光谱检测技术，即基于分子排列取向双折射效应对被测光脉冲偏振的旋转及其透射光谱的测量，实现待测线偏振激光脉冲的振幅和相位的完整诊断。

本发明的目的实现由以下技术方案完成：

一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，本方法利用一束激光脉冲实现气体分子的排列取向，并利用此分子排列取向信号作为快门脉冲，基于分子排列取向的弱光偏振探测方法，由计算机精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，测量不同时间延时下待测激光脉冲经过所述排列取向的气体分子的透射二维图形，进而获得待测激光脉冲的振幅和相位和频率特性。

上述待测光脉冲为可以是弱光，超连续白光以及脉冲序列；气体分子为可实现激光场排列取向的所有气态分子。

上述方法中，利用气体分子的排列取向或者气体分子的周期性恢复作为快门脉冲，来测量时间和透射光谱的二维图形。

上述方法的实施步骤如下：

1)   用一束泵浦激光脉冲实现气体分子的排列取向；

2)   使待测激光脉冲与泵浦激光脉冲在空间和时间上重叠，即在气体介质中存在相互作用；

3)   在待测激光脉冲通过排列取向气体分子后的输出端设置一偏振透射方向与入射的待测激光脉冲偏振方向相互垂直的偏振片；并用光垃圾桶收集泵浦取向光信号以减小噪声；

4)   由计算机程序精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，通过光谱仪测量不同延迟情况下透射过偏振片的待测激光脉冲光谱，获得待测激光脉冲的频谱及相位信息。

本发明的优点是，装置简单，以气体分子作为测量介质，无需要非线性晶体以及非线性频率转换过程，无需考虑非线性晶体的相位匹配带宽、待测激光脉冲光场强度、以及特定晶体加工等方面的限制，因此具有测量波长的普遍适用性。涉及气体分子可以是空气，因此相对于非线性晶体而言，大幅度地降低了此发明的成本。基于分子排列取向的弱光偏振光谱探测技术和灵敏的PMT光谱仪，不仅可以对弱光进行测量，也可以用于超连续白光的测量。本方法也可用于脉冲序列的诊断和应用。由于本发明使用气体分子排列取向信号作为门脉冲信号，因此相对于FROG繁琐的相位迭代，本发明可以较快的迭代出待测光脉冲的幅值和相位信息，是一种基于激光场中分子排列取向交叉相关的新型FROG，即(molecular-alignmentgatedFROG)MG-FROG。另一方面，光谱仪的高分辨率能够保证测量的绝对精度和准确度。

附图说明

附图1为N₂分子的一维取向周期示意图；

附图2本为发明实施例1的结构示意图；

附图3为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

由于排列取向气体分子沿其轴向的折射率大于垂直于其轴向的折射率，将对被测量的激光脉冲形成一个双折射效应。本发明结合弱光偏振光谱检测技术，即基于分子排列取向双折射效应对被测光脉冲偏振的旋转及其透射光谱的测量，实现待测线偏振激光脉冲的振幅和相位的完整诊断。

本发明实施过程中，采用一束泵浦激光脉冲可实现气体分子的排列取向，待测激光脉冲与泵浦激光脉冲在气体分子介质中相互作用，在输出端放置一个偏振透射方向与入射待测激光脉冲偏振方向相互垂直的偏振片。再由计算机程序精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，然后通过测量不同时间延时下待测激光脉冲的透射光谱，获得待测激光脉冲的振幅和相位信息。在分子没有排列取向的情况下，探测光将不能通过透射方向与其偏振相互垂直的偏振片，因而没有信号。只有当待测激光脉冲感应到排列取向的分子时，由于排列取向分子的双折射效应使其偏振发生旋转之后，才会透过偏振片而被测量到。这样，分子超快的排列取向就如同一个光学探针，通过调节其相对于待测激光脉冲的延时，将会使待测激光脉冲不同时刻的频谱成分透过偏振片而光谱仪被测量到，即实现不同时刻频谱成分的扫描，从而获得待测激光脉冲的频谱相位信息，而测量到的整个延时依赖的透射强度则对应于待测激光脉冲的振幅强度，因而可实现待测激光脉冲的振幅和相位的全面诊断。

本发明是通过激光脉冲实现气体分子的排列取向，利用气体分子排列取向信号作为快门脉冲，基于分子排列取向的弱光偏振探测方法，由计算机精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，测量不同时间延时下待测激光脉冲经过所述排列取向的气体分子的透射二维图形，通过特定的演算方法，来获得待测激光脉冲的振幅和相位和频率特性。其中，待测激光脉冲可以是弱光也可以是脉冲序列。

涉及的演算原理叙述如下：

下面以激光场中分子取向排列的周期性回复作为快门脉冲

，待测光脉冲作为探测光

，则两者相互作用后产生的信号脉冲为：

                         (1)

其用光谱仪记录的强度随透射波长和时间延迟变化的二维迹线数学表达式为：

           

            (2)

在还原初始脉冲的振幅和相位上，借鉴FROG的二维相位恢复的基本算法，即迭代傅里叶变换算法。在已知快门脉冲

的基础上，猜测待测光脉冲电场值

，得到其非线性信号

，然后对其做时间t的傅里叶变换获得频域上的信号表示，然后利用测到的

图的强度值来替代此信号的强度，同时保留其相位不变，得到

即：

                   (3)

再对

做反傅里叶变换，得到新的

，并由此得到新的迭代待测光脉冲电场，作为下一次迭代的初始值，循环进行此过程，直至还原出来的

图误差接近迭代收敛的标准，进而还原出的待测光脉冲的幅值和相位。

实施例1：

本实施例为泵浦取向光和待测光脉冲共线传播，适用于待测光脉冲波长不同于泵浦取向光脉冲的波长，此实例的优点是：共线传输增强了两束光的相互作用，提高了系统的分辨能力和灵敏度，取向泵浦光的噪声可由滤光片去除。本实施例不适用与待测光脉冲与泵浦光波长相近的情况，在此情况下，泵浦光引入的背景无法消除。

附图1为N₂分子的一维取向周期图，拟利用N₂分子取向的3/4周期的取向峰进行测量超连续白光的特性。附图2为本实施例的结构示意图，泵浦取向光和待测光脉冲在分束片BS处合束后共线传输，利用半波片调整待测光的偏振方向和泵浦取向光成45度，经偏振片，由透镜L聚焦至光谱仪。利用泵浦探测光波段的滤光片滤除其影响，M1，M2为镀待测光波段高反膜的反射镜，可以进一步消除泵浦取向光的影响。旋转偏振片使待测光消光，由透镜L聚焦至光谱仪中，由计算机记录其随延时变化的透射光谱图。

实施例2：

本实施例为泵浦取向光和待测光脉冲非共线传播，普遍适用于待测光脉冲波长相近或不同于泵浦取向光脉冲波长的情况，也适用于超连续白光特性的诊断。此实例的优点是：非共线传播可以在空间上分辨泵浦光和待测光，无需使用滤光片，减少了光谱的损失；缺点在于非共线传播减少了两束光的相互作用区域。

附图3为本实施例的结构示意图，泵浦取向光和待测光脉冲在分束片BS处合束后非共线传输，利用半波片调整待测光的偏振方向和泵浦取向光成45度，经偏振片，由透镜L聚焦至光谱仪，泵浦取向光由光垃圾桶B收集。M1，M2为镀待测光波段高反膜的反射镜（如果待测光为超连续白光时，则使用镀金属膜的高反镜）。旋转偏振片使待测光消光，由透镜L聚焦至光谱仪中，由计算机记录其随延时变化的透射光谱图。

在以上实施例中，除了利用N₂取向周期的3/4来探测，也可以用其他的取向周期，例如1/2周期来测量或者在零延时附近。其中所涉及的气体分子包括可以实现激光排列取向的所有气态分子，例如较为常用的H₂、O₂、CO、CO₂、CS₂、NO、C₂H₂等等。

超短脉冲的相位精确确定不仅对光脉冲的压缩、整形有重要意义，在光通讯、光信息处理、光成像技术、光全息术等领域都有着重要的意义。

Claims (5)

1.一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，其特征在于本方法利用一束激光脉冲实现气体分子的排列取向，并利用所述分子排列取向信号作为快门脉冲，基于分子排列取向的弱光偏振探测方法，由计算机精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，测量不同时间延时下待测激光脉冲经过所述排列取向的气体分子的透射二维图形，进而获得待测激光脉冲的振幅和相位和频率特性。

2.根据权利要求1所述的一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，其特征在于所述待测光脉冲为一脉冲序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，其特征在于利用气体分子的排列取向或者气体分子排列取向的周期性恢复作为快门脉冲，来测量时间和透射光谱的二维图形。

4.根据权利要求1所述的一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，其特征在于该方法实施步骤如下：

（1）用一束泵浦激光脉冲实现气体分子的排列取向；

（2）使待测激光脉冲与泵浦激光脉冲在空间和时间上重叠，即在气体介质中存在相互作用；

（3）在待测激光脉冲通过排列取向气体分子后的输出端设置一偏振透射方向与入射的待测激光脉冲偏振方向相互垂直的偏振片；并用光垃圾桶收集泵浦取向光信号以减小噪声；

（4）由计算机程序精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，通过光谱仪测量不同延迟情况下透射过偏振片的待测激光脉冲光谱，获得待测激光脉冲的频谱及相位信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，其特征在于所述气体分子为可实现激光排列取向的所有气态分子。

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