CN102778301A

CN102778301A - 自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置

Info

Publication number: CN102778301A
Application number: CN2012102670653A
Authority: CN
Inventors: 刘军; 李方家; 李儒新
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: CN102778301B

Abstract

一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，通过一个带孔的挡板将激光分为三束，将其中一束进行强度衰减并引入延时作为待测激光，并和其它两束一起聚焦到非线性透明介质上，未加延时和衰减的两束光会在其两侧产生两束一阶自衍射光。选出其中一束参考脉冲与待测激光脉冲在空间上共线并调节重合就可获得它们的激光干涉光谱。通过测量干涉光谱，利用自参考光谱相干方法反演计算获得待测激光的激光光谱和光谱相位，可以测量激光脉冲宽度与脉冲形状。本发明装置结构简单，可以进行脉冲的单次测量，可用于飞秒激光脉冲的实时监测，获得的光谱相位可以反馈到相关的相位补偿装置，优化飞秒激光脉冲输出。

Description

自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲宽度、形状及相位的实时测量。特别是一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，本发明不仅可以适用于兆赫兹重复频率的激光脉冲，同时也适用于单发飞秒激光脉冲宽度与脉冲形状的监测。

背景技术

最近几年随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲在科研、加工、生物、医疗、国防、通信等各个领域中得到了越来越广泛的应用。因此，飞秒激光脉冲宽度作为一个重要的光学参量，对其的测量技术在很多实验中就十分必要了。伴随着激光技术的发展，飞秒激光脉冲测量技术也在不断发展。自相关法作为一种常用的脉宽测量方法，其原理以及结构简单却不能提供飞秒脉冲的相位信息[参考文献1，R. Trebino, Frequency-Resolved Optical Grating: The Measurement of Ultrashort Laser Pulses, (Kluwer Academic Publishers) (2000)]。在目前众多的脉冲测量方法中，能给出脉冲相位信息的两个典型测量方法有频率分辨光学开关法[参考文献2，R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, “Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating,” Rev. Sci. Instrum. 68(9), 3277-3295 (1997)]（frequency-resolved optical gating，简称 FROG）和自参考光谱相干电场重建法（self-referencing spectral phase interferometry for direct electric reconstruction，简称SPIDER）[参考文献3， C.Iaconis and I.A. Walmsley, “Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses,” Opt. Lett. 23(10), 792-794 (1998)]。通常利用FROG测量方法需要比较长的时间，因为它需要进行多次迭代才能找到测量图形近似的解，同时迭代结果和图形比较的方法必然残存误差。在SPIDER方法中，通常需要非线性光学晶体来转换产生测量信号。由于非线性光学晶体的相位匹配条件，这使得每台测量仪器只能适应于不同的光谱范围，从而限制了这种方法在宽频谱范围内的应用。此外，十年前人们就已经提出了利用光谱干涉来测量飞秒脉冲的光谱强度和相位的方法。利用此方法可以对脉冲进行线性、灵敏、准确的测量。但是，这种方法需要一束与待测脉冲相关的参考激光脉冲，同时此参考脉冲拥有比待测脉冲更宽的光谱和已知的光谱相位。通常情况下，满足这种条件的参考脉冲很难获得。是否可以直接从待测的飞秒脉冲获得一个满足以上条件的并与待测脉冲相关的参考脉冲呢？基于这种想法，自参考光谱干涉（self-reference spectral interferometry，简称SRSI）作为一个新的方法得到了发展[参考文献4，T. Oksenhendler, S. Coudreau, N. Forget, V. Crozatier, S. Grabielle, R. Herzog, O. Gobert, and D. Kaplan, “Self-referenced spectral interferometry,” Appl. Phys. B 99(1), 7-12 (2010)]。2010年，有人提出了利用交叉偏振波（cross-polarized wave，简称XPW）[参考文献5，A. Jullien, L. Canova, O. Albert, D. Boschetto, L. Antonucci, Y. H. Cha, J. P. Rousseau, P. Chaudet, G. Cheriaux, J. Etchepare, S. Kourtev, N. Minkovski, and S. M. Saltiel, “Spectral broadening and pulse duration reduction during cross-polarized wave generation: influence of the quadratic spectral phase,” Appl. Phys. B 87(4), 595-601 (2007)]作为参考光的自参考光谱干涉方法用来测量脉冲。这种方法简单方便，只需要3次迭代计算就能给出激光脉冲的光谱强度和相位。然而，基于XPW的SRSI测量方法需要光学偏振元件。由于偏振光学元件也只对特定激光波长有效，并且有一定的光谱带宽限制，这样也就限制了这一方法和仪器只能在特定光谱范围内应用。同时偏振光学元件引入的色散也限制其难以精确测量10fs以下的超短激光脉冲。最近，自衍射（self-diffraction，简称SD）效应[参考文献6，J. Liu, K. Okamura, Y. Kida, and T. Kobayashi, “Temporal contrast enhancement of femtosecond pulses by a self-diffraction process in a bulk Kerr medium”, Opt. Express 18(21), 22245-22254 (2010)]过程中的一阶自衍射光被用作参考光来进行SRSI测量激光脉冲[参考文献7，J. Liu, Y. Jiang T. Kobayashi, R. Li and Z. Xu，“Self-referenced spectral interferometrybased on self-diffraction effect JOSA B, Vol. 29, Issue 1, pp. 29-34（2012）]。与XPW-SRSI相比，由于SD-SRSI中并没有光学偏振元件，因此其对待测光的光谱范围及脉冲宽度具有较小的限制。但在以前原理性验证的实验中，测量光路结构复杂，并且参考光和待测光需要精确调节来使其在空间上重合共线。

发明内容

本发明的目的在于提出一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，该装置可以进行脉冲的单次测量，从而可以用于飞秒激光脉冲的实时监测，获得的光谱相位可以反馈到相关的相位补偿装置，优化飞秒激光脉冲输出。

本发明技术解决方案如下：

一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，特点在于其构成包括：在待测光束前进的方向依次是三小孔档板、第一凹面反射聚焦镜、三阶非线性介质、小孔挡板、第二凹面反射聚焦镜、高精度光谱仪和计算机，在所述的三小孔档板和第一凹面反射聚焦镜之间的设有可调中性衰减片，上述元部件的位置关系如下：

所述的待测光束经过在竖直方向上依次有三个小孔的三小孔档板，该三小孔挡板将所述的待测光束在竖直方向上由上而下被分成相互平行的第一光束、第二光束和第三光束，在第三光束的光路上加入所述的可调中性衰减片，用于引入时间延时并对待测激光束进行强度衰减，所述的第一光束、第二光束和第三光束被所述的凹面反射聚焦镜聚焦，在该第一凹面反射聚焦镜的焦平面上垂直所述的光束设置所述的平板形的透明的三阶非线性介质材料，所述的第一光束和第二光束由于时间和空间上自动重合，因此在三阶非线性介质材料上会出现SD效应，并在它们两侧出现一阶SD信号光；

调整所述的三小孔档板的第三小孔的位置，使第三光束透过所述的平板形的透明的三阶非线性介质材料与所述的的一阶SD信号共线重合，最后，调整所述的小孔挡板的小孔位置，滤掉杂散光并将空间共线重合的一阶SD信号和所述的第三光束通过所述的凹面聚焦镜聚焦入射到高精度光谱仪，该高精度光谱仪的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的计算机对采集的数据进行数据处理，具体步骤见图1（参考文献7）。

本发明具有以下显著的特点：

1、本发明自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，结构简单。本装置的分束系统只用了一个竖直方向上带有三个小孔的挡板进行分光，而参考文献7中的光路利用了三个分束片进行分光；而组束系统中，本发明运用凹面反射镜的聚焦特性简单有效的实现了待测光和SD信号光光路的重合。

2、本发明还可以同时用作SD-FROG方法进行激光脉冲测量，拓展了其应用范围。

附图说明

图1 是飞秒脉冲形状、激光光谱和光谱相位的计算方法流程图。

图2 是本发明装置的一个实例例的光路结构图。

图3 是本发明实施例装置测量中心波长为800nm的激光脉冲的实验结果图。

具体实施方式

先请参阅图2，图2 是本发明装置的一个实例例的光路结构图。由图可见，本发明自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，其构成包括：在待测光束1前进的方向依次是凸型柱面镜2和一个凹形柱面镜3所组成的望远镜系统，三小孔档板4、第一凹面反射聚焦镜6、三阶非线性介质7、小孔挡板8、第二凹面反射聚焦镜14、高精度光谱仪9和计算机15，在所述的三小孔档板4和第一凹面反射聚焦镜6之间的设有可调中性衰减片5，上述元部件的位置关系如下：

所述的待测光束1经过在竖直方向上依次有三个小孔的三小孔档板4，该三小孔挡板4将所述的待测光束1在竖直方向上由上而下被分成相互平行的第一光束10、第二光束11和第三光束12，在第三光束12的光路上加入所述的可调中性衰减片5，用于引入时间延时并对待测激光束进行强度衰减，所述的第一光束10、第二光束11和第三光束12被所述的凹面反射聚焦镜6聚焦，在该第一凹面反射聚焦镜6的焦平面上垂直所述的光束设置所述的平板形的透明的三阶非线性介质材料7，所述的第一光束10和第二光束11由于时间和空间上自动重合，因此在三阶非线性介质材料7上会出现SD效应，并在它们两侧出现一阶SD信号光13；

调整所述的三小孔档板4的第三小孔的位置，使第三光束12透过所述的平板形的透明的三阶非线性介质材料7与所述的的一阶SD信号13共线重合，最后，调整所述的小孔挡板8的小孔位置，滤掉杂散光并将空间共线重合的一阶SD信号13和所述的第三光束12通过所述的凹面聚焦镜14聚焦入射到高精度光谱仪9，该高精度光谱仪9的输出端与所述的计算机15的输入端相连，所述的计算机15对采集的数据进行数据处理。

本实施例中，待测的飞秒激光脉冲1是由商用Ti:sapphire再生放大飞秒激光系统（Spectra Physics公司产品）产生，激光器输出飞秒激光脉冲的单脉冲能量约为0.7 mJ,脉冲宽度约为40 fs，中心波长为800 nm，重复频率为1 kHz, 光斑直径约10 mm。我们利用小孔选出中心区域口径约4 mm的激光。此光束经过一个凸型柱面镜2和一个凹形柱面镜3所组成的望远镜系统在垂直面上进行扩束，然后经过一个在垂直方向上依次有三个相同大小（约1mm口径）小孔的三小孔档板4。经过此挡板的激光在垂直方向上被分成第一光束10、第二光束11、第三光束12。其中，最下面的第三光束12为待测激光，在此束光路上加一厚度约为0.66mm的可调中性衰减片5来引入时间延时并对待测光进行强度衰减。在测量过程中，通常调节衰减片使待测激光强度要比参考光弱来保证干涉光谱的调制精确与分辩参考光与待测光。接着，这三束平行激光被一个焦距为300 mm的凹面反射镜6聚焦到一点，在焦点位置被放上一片厚度为0.5mm的熔石英玻璃片7。上面的两束未经过衰减片的激光束10和11由于时间和空间上自动重合，因此在熔石英玻璃片上会出现SD效应，并在光束两端出现一阶SD信号光13。利用聚焦光束与光轴的夹角随入射光束距凹面反射镜中心光轴的距离的改变而变化，在制作的挡板小孔位置过程中我们确保第三束待测光透过熔石英玻璃片后与其中一侧的一阶SD信号自动地共线重合。最后，通过一个小孔8滤掉杂散光并将空间共线重合的一阶SD信号和待测光利用凹面聚焦反射镜14聚焦入射到高精度光谱仪9（Ocean Optics公司，HR4000），得到光谱干涉信号并将其输入与光谱仪相连的计算机15进行计算。

我们将利用SD-SRSI所测的结果如图(3)所示，其所得的半高全宽为38 fs。图3a 中的细实线表示测得的干涉光谱，粗实线表示一阶SD信号光谱，虚线表示待测激光光谱。由图可见，获得的一阶SD信号光谱相对于待测的激光光谱，光谱平滑并且具有更宽的光谱宽度。实验中，一阶SD信号强度比待测激光光谱强度要强，这样在计算中容易分离两个激光脉冲，并且让待测光谱都包括在干涉光谱中，从而减少误差。图3b为SD-SRSI计算得到的激光光谱（实线）以及光谱相位（虚线）。图3c 中的细线表示由SD-SRSI所得的脉冲形状。可见专利中的SD-SRSI装置在近无啁啾的情况下能准确的测量出超短脉冲信号的脉宽、光谱相位及脉冲形状等信息。

Claims

1.一种以自衍射光作为参考光的自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，其构成包括：在待测光束（1）前进的方向依次是三小孔档板（4）、第一凹面反射聚焦镜（6）、三阶非线性介质（7）、小孔挡板（8）、第二凹面反射聚焦镜（14）、高精度光谱仪（9）和计算机（15），在所述的三小孔档板（4）和第一凹面反射聚焦镜（6）之间的设有可调中性衰减片（5），上述元部件的位置关系如下：

所述的待测光束（1）经过在竖直方向上依次有三个小孔的三小孔档板（4），该三小孔挡板（4）将所述的待测光束（1）在竖直方向上由上而下被分成相互平行的第一光束（10）、第二光束（11）和第三光束（12），在第三光束（12）的光路上加入所述的可调中性衰减片（5），用于引入时间延时并对待测激光束进行强度衰减，所述的第一光束（10）、第二光束（11）和第三光束（12）被所述的凹面反射聚焦镜（6）聚焦，在该第一凹面反射聚焦镜（6）的焦平面上垂直所述的光束设置所述的平板形的透明的三阶非线性介质材料（7），所述的第一光束（10）和第二光束（11）由于时间和空间上自动重合，因此在三阶非线性介质材料（7）上会出现SD效应，并在它们两侧出现一阶SD信号光（13）；

调整所述的三小孔档板（4）的第三小孔的位置，使第三光束（12）透过所述的平板形的透明的三阶非线性介质材料（7）与所述的的一阶SD信号（13）共线重合，最后，调整所述的小孔挡板（8）的小孔位置，滤掉杂散光并将空间共线重合的一阶SD信号（13）和所述的第三光束（12）通过所述的凹面聚焦镜（14）聚焦入射到高精度光谱仪（9），该高精度光谱仪（9）的输出端与所述的计算机（15）的输入端相连，所述的计算机（15）对采集的数据进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲的实时测量装置，其特征在于所述的非线性介质（7）为任一透明的三阶非线性介质材料。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲的实时测量装置，其特征在于，所述的待测光束（1）的光斑不能覆盖所述的三小孔档板（4）的三个小孔的时候，在所述的待测光束（1）入射所述的三小孔档板（4）的光路上加入凸型柱面镜（2）和凹形柱面镜（3），所述的待测光束（1）经过所述的凸型柱面镜（2）和凹形柱面镜（3）所组成的望远镜系统在竖直面上进行扩束，使之待测光束（1）的光斑覆盖所述的三小孔档板（4）的三个小孔。

4.根据权利要求1所述的飞秒激光脉冲的实时测量装置，其特征在于，所述的第一凹面反射聚焦镜（6）为球形凹面反射聚焦镜；所述的第二凹面反射聚焦镜（14）为球形凹面反射聚焦镜或抛物面形凹面反射聚焦镜。