CN102353465A - 超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统及其测量方法，超短脉冲全空域中不同空间位置的时间脉宽测量系统包括超短脉冲光源、分束镜、反射镜、光学延迟平台、非线性介质、狭缝、非线性和频晶体、精密探测器，本发明利用泵浦-探测技术实现超短脉冲在非线性传输过程中的整个空域中不同空间位置的时间变化过程精确测量，能够简单、方便、快捷地测量出超短脉冲在传输时整个空域中不同空间位置的时间变化过程，并且测量精度高。

Description

超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体是一种超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统及其测量方法。

背景技术

超短激光脉冲在介质中传输时，其电磁场会诱发介质折射率的改变，而介质折射率的改变又会反作用于光场，从而影响超短脉冲的相关传输特性，导致超短脉冲的空间分布、脉冲形状、偏振态和频谱发生变化，从而导致各种不同的非线性效应发生，例如：自聚焦效应，该效应将会导致光学元器件的损伤甚至破坏。所以精确地测量出超短脉冲在介质中传输过程中的时空变化是非常有必要的，这样就有利于我们操控超短脉冲的传输。

目前，在已有的文献和专利中还未曾报道过有合适的方法来精确测量超短脉冲传输过程中的时空变化。1977年，J.Janszky和G.Corradi(OpticsCommun.，Vol.23，1977，293-298)在提出利用单次自相关(Single ShotAutocorrelator，SSA)来测量超短脉冲的脉宽，该方法主要是将时间的测量转换成空间的测量，通过测量二次谐波倍频光的空间特性来得到基频光的脉冲宽度，该方法的实验装置比较简单方便。在利用SSA测量脉冲宽度时，前提是假设基频光空间上任意一点的脉宽都是相等的，实际上超短脉冲在非线性介质中传输时，由于色散和非线性效应的共同作用，基频光不同空间点上的脉冲宽度是不一样的，所以该方法不能精确地测量超短脉冲传输过程中的时空特性。D.J.Kane和R.Trebino在1993提出的FROG方法(IEEEJ.Quant.Electron，Vol.29，1993，571)，C.Iaconis和I.A.Walmsley在1998提出的SPIDER方法(Opt.Lett.，Vol.23，1998，792)，这两种方法能够测量脉冲的强度和相位特性，可以精确地测量很短的飞秒脉冲的形状，尤其是对小于10fs光脉冲的振幅和相位能实现简单、可靠、严格的实时测量，但未曾报到过该方法可以精确地测量超短脉冲传输过程中的时空特性。在2007年，D.Polli利用泵浦探测技术方法来精确测量超快时间变化过程，2010年Y.B.Deng利用同步的超短脉冲方法来测量长脉冲的时域精细结构(Opt.Commun.，Vol.284，2011，847)。在已有的专利中(专利号：03115175.2)，该专利主要测量纳米结构等材料在超短脉冲激光作用下的超快过程；(专利号：200610041571.5)，该专利主要是结合材料的介电常数和光束极化幅值两方面的探测，实现对转变过程中物性参数的精确测量。由上可知，已有的技术方法可以精确测量光与物质相互作用过程时的超快时间反应和激光脉冲传输过程中的时间变化，但不能精确地测量超短脉冲整个空域中不同空间位置的时间变化过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统及其测量方法，精确地测量超短脉冲整个空域中不同空间位置的时间变化过程。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，包括超短脉冲光源、分束镜、反射镜、光学延迟平台、非线性介质、狭缝、非线性和频晶体、精密探测器，超短脉冲光源产生的超短脉冲经分束镜产生两路光，一路为水平光路上的探测光，另一路为垂直光路上的泵浦光，探测光依次经光学延迟平台、第五反射镜、狭缝入射到非线性和频晶体；泵浦光依次经第三反射镜、第四反射镜、非线性介质入射到非线性和频晶体，非线性和频晶体产生的和频信号送入精密探测器；所述光学延迟平台包括第一反射镜和第二发射镜，第一反射镜和第二反射镜位于同一水平位置上；所述第五反射镜放置在电动旋转平移台上。

所述超短脉冲光源采用钛宝石再生放大激光器。

所述分束镜透射率为90％，反射率为10％。

所述反射镜为前表面镀银反射镜。

所述非线性介质为CS₂。

所述非线性和频晶体为BBO晶体。

所述精密探测器为CCD Camera。

超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统的时间脉宽测量方法的具体步骤为：

1)将可调谐狭缝竖直放置或者横向放置，探测光经过狭缝以后，在空间上产生衍射条纹，用精密探测器探测探测光在非线性和频晶体前表面的空间分布情况，调节狭缝的宽度，使探测光经过狭缝后的中间主条纹空间分布最窄，边上的次级条纹非常弱，并且此时的光强最强；

2)启动电动旋转平移台，使从第五反射镜反射出来的探测光左右或者上下扫描泵浦光；

3)启动精密探测仪器，探测泵浦光和探测光在非线性和频晶体中产生的和频信号，测量超短脉冲经过介质传输后，其左右空间域或上下空间域中的时间变化过程。

本发明的工作原理是：从激光器出来的超短脉冲经过分束镜后分成探测光和泵浦光，假设这两路光的时空分布都为高斯型：

$I_{\mathrm{pump}}(r,t)=I_{01}\exp [-{\left(\frac{r}{D_1}\right)}^2]\exp [-{\left(\frac{t}{T}\right)}^2],---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{probe}1}(r,t)=I_{02}\exp [-{\left(\frac{r}{D_1}\right)}^2]\exp [-{\left(\frac{t}{T}\right)}^2],---\left(2\right)$

其中，I₀₁和I₀₂分别表示泵浦光和探测光的初始光强，D₁表示泵浦光和探测光的光斑直径，T表示泵浦光和探测光的脉冲宽度(半高全宽)。由于探测光和泵浦光是由同束光通过分光镜后所得到的，因此他们的时空分布是一样，只是光强不一样而已。I_pump(r，t)和I_probel(r，t)分别表示探测光和泵浦光的光强，

表示x，y空间，t表示时间。

当探测光经过竖直可调谐狭缝后，光斑的空间分布沿x方向就会发生变化，再在自由空间中传输距离L后到达非线性和频晶体，由菲涅尔衍射积分可得探测光的空间分布：

$I_{\mathrm{probe}2}(r,L)=I_{02}\frac{\exp \left(\mathrm{ikL}\right)}{\mathrm{i\λL}}\exp \left[i\frac{k}{2L}(x^2+y^2)\right]\×$

${\∫}_{-d_0}^{d_0}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\left\{I_{\mathrm{probe}1}\left(r\right)\exp \right[i\frac{k}{2L}({\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2)\left]\right\}\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λL}}(\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η})]\mathrm{d\ξd\η},---\left(3\right)$

式中d₀表示狭缝的半宽度，通过调节狭缝的宽度使得探测光的中间主条纹在空间分布上最窄，边上的次级条纹非常的弱，并且主条纹的光强也很强。I_probe2(r，L)表示探测在自由空间中传输距离L后的光强、I_probel(r)表示L＝0时的探测光强、k表示波数、l表示波长。

泵浦光和探测光在非线性和频晶体中相互作用时产生一个和频信号C(r，t)，这个和频信号C(r，t)可以表示为：

C(r，t)＝∫∫I_pump(ε，τ)I_probe2(r-ε，τ-τ)dτdξ＝I_pump(r，t)*I_probe(r，t).

                                                                           (4)

根据文献Optics Commun.，Vol.23，1977，293-298可知，通过测量二次谐波信号的空间特性就可以反映基频光的时间特性。所以通过不同的时空延迟，和频信号表达式方程(4)的空间特性就可以反映基频光在非线性传输过程中的不同空间点上的时间特性。

由方程(3)和(4)可知，狭缝的宽度就决定本发明的空间测量精度，探测光的脉冲宽度就决定本发明的时间测量精度。另外，随着超快激光技术的发展，中红外激光技术已经变得越来越热门，同时也引发了对于中红外脉冲的测量问题，现有的测量仪器主要针对可见光和近红外，对于中红外的非常少，在本发明中，可以利用可见光的飞秒脉冲作为探测光来探测中红外脉冲的时空特性。

本发明利用泵浦-探测技术，实现超短脉冲在非线性传输过程中的整个空域中不同空间位置的时间变化过程精确测量，与传统的泵浦-探测技术相比，本发明的泵浦-探测技术能够简单、方便、快捷地测量出超短脉冲在传输时整个空域中不同空间位置的时间变化过程，并且测量精度高。

附图说明

图1为本发明超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统结构示意图；

图2为本发明超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统的探测示意图；(a)将可调谐狭缝竖直放置时的探测示意图；(b)将可调谐狭缝横向竖直放置时的探测示意图。

其中：

1：超短脉冲光源；2：分束镜；3a～3e：反射银镜；4：光学延迟平台；5：非线性介质；6：可调谐狭缝；7：非线性和频晶体；8：精密探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作具体说明。

如图1所示，本实施例的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，包括超短脉冲光源1、分束镜2、反射镜3a～3e、光学延迟平台4、非线性介质5、可调谐狭缝6、非线性和频晶体7(BBO晶体)和精密探测仪器8。

上述各部分的功能分别说明如下：

超短脉冲光源1，用于产生脉宽比较窄的飞秒脉冲；

分束镜2，用于将激光器出来的超短脉冲分成强度不等的两路光，本实施例选用透射率为90％，反射率为10％的分束镜；

反射镜3a～3e，用于超短脉冲的反射，本实施例选用前表面镀银的反射镜；

光学延迟平台4，用于改变探测脉冲的光程，使得探测脉冲和泵浦脉冲到达非线性二倍频晶体的光程相等；

非线性介质5，用于泵浦脉冲的传输，本实施例选用CS2作为非线性介质，因为它的非线性系数比较大；

可调谐狭缝6，用于调节探测脉冲的空间宽度，使得探测脉冲经过狭缝后的空间光斑变得非常窄；

非线性和频晶体7，用于产生一个和频信号，主要是探测脉冲和泵浦脉冲在该晶体中产生一个二倍频信号；

精密探测仪器8，用于探测在非线性二倍频晶体7中产生的二倍频信号，本实施例选用CCD Camera(Coherent公司的LaserCam-HRTM Beamview，其点阵为1280×1024，分辨率约为6.7μm×6.7μm)。

由图1可知，从激光源出来的超短脉冲1经过分束镜2以后，其中一路作为泵浦光10，这路光经过非线性介质5以后入射到非线性和频晶体7，我们对于泵浦光没有作其他的变换，所以到达非线性和频晶体7时的泵浦光10的光斑应该是近似为圆形；经过分束镜2以后的另外一路作为探测光9，这路光经过光学延迟平台4(由反射镜3a和3b组成)和再经过可调谐狭缝6入射到非线性和频晶体7，我们利用可调谐狭缝6对于探测光9进行了空间形状调整，所以到达非线性和频晶体7时的探测光9的光斑应该是近似为很尖的椭圆形(见图2)。

本发明所采用的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统工作过程如下：

利用的激光光源1为Coherent公司生产的商用的钛宝石再生放大激光系统(型号为LibraS)，它输出的最短脉冲宽度约100fs，带宽约为12nm，重复频率为1kHz，中心波长为800nm。由激光光源1产生的超短脉冲，先经过分束镜2，其中一路光作为泵浦光再经过反射镜3c，3d和非线性介质5之后入射到非线性和频晶体7；经过分束镜2之后的另外一路光作为探测光，这路光经过反射镜3a和3b、光学延迟光学延迟平台4(由反射镜3a和3b构成)、反射镜3e和可调谐狭缝6之后也入射到非线性和频晶体7，然后调整光学延迟平台4使得探测光和泵浦光同时到达非线性和频晶体7，并在该晶体中产生一个和频信号光，最后利用精密探测仪器8来测量这个和频信号光。

本实施例利用泵浦-探测技术，实现超短脉冲在非线性传输过程中的整个空域中不同空间位置的时间变化过程精确测量。目前，泵浦-探测技术比较广泛的应用于测量超快过程，由于其成本低和测量精度高，已经被越来越多的研究者接受。与传统的泵浦-探测技术相比，本实施例的泵浦-探测技术能够简单、方便、快捷地测量出超短脉冲在传输时整个空域中不同空间位置的时间变化过程，并且测量精度高。

Claims (8)

1.一种超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，包括超短脉冲光源、分束镜、反射镜、光学延迟平台、非线性介质、狭缝、非线性和频晶体、精密探测器，其特征在于，超短脉冲光源产生的超短脉冲经分束镜产生两路光，一路为水平光路上的探测光，另一路为垂直光路上的泵浦光，探测光依次经光学延迟平台、第五反射镜、狭缝入射到非线性和频晶体；泵浦光依次经第三反射镜、第四反射镜、非线性介质入射到非线性和频晶体，非线性和频晶体产生的和频信号送入精密探测器；所述光学延迟平台包括第一反射镜和第二发射镜，第一反射镜和第二反射镜位于同一水平位置上；所述第五反射镜放置在电动旋转平移台上。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，其特征在于，所述超短脉冲光源采用钛宝石再生放大激光器。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，其特征在于，所述分束镜透射率为90％，反射率为10％。

4.根据权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，其特征在于，所述反射镜为前表面镀银反射镜。

5.根据权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，其特征在于，所述非线性介质为CS₂。

6.根据权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，其特征在于，所述非线性和频晶体为BBO晶体。

7.根据权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统，其特征在于，所述精密探测器为CCD Camera。

8.一种利用权利要求1所述的超短脉冲不同空间位置的时间脉宽测量系统的时间脉宽测量方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

1)将可调谐狭缝竖直放置或者横向放置，探测光经过狭缝以后，在空间上产生衍射条纹，用精密探测器探测探测光在非线性和频晶体前表面的空间分布情况，调节狭缝的宽度，使探测光经过狭缝后的中间主条纹空间分布最窄，边上的次级条纹非常弱，并且此时的光强最强；

2)启动电动旋转平移台，使从第五反射镜反射出来的探测光左右或者上下扫描泵浦光；

3)启动精密探测仪器，探测泵浦光和探测光在非线性和频晶体中产生的和频信号，测量超短脉冲经过介质传输后，其左右空间域或上下空间域中的时间变化过程。