CN102937481A - 飞秒激光脉冲完全重建系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光脉冲完全重建系统和方法，所述系统包括激光器、光纤、萨格奈克环形干涉仪以及探测设备，所述方法包括：测量所述激光器发出的飞秒激光脉冲的宽度；设定所述飞秒激光脉冲重建系统的系统采样频率、系统带宽和萨格奈克环形干涉仪的时延的范围；标定所述飞秒激光脉冲重建系统的“频率-时间映射”函数；记录所述飞秒激光脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪后产生的激光干涉脉冲的光强度谱，根据该光强度谱计算正交萨格奈克干涉仪的时延；测量所述飞秒激光脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪后产生的激光干涉脉冲的时域干涉条纹，使用“频率-时间映射”函数将其转化为频域干涉条纹；对上一步骤产生的频域干涉条纹进行逆傅立叶变换，得到时域干涉条纹。然后将该时域干涉条纹的旁瓣信号向前平移所述时延，由此重建所述激光脉冲信号。

Description

飞秒激光脉冲完全重建系统和方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及飞秒激光脉冲的重建系统和方法，特别是一种基于实时色散傅立叶变换的飞秒激光脉冲完全重建系统和方法。 

背景技术

在超短脉冲产生和应用中，必须精确知道脉冲在产生、传输和变换过程中的振幅与相位特性，才能确定待测脉冲的脉宽和色散补偿方式，进一步压缩脉冲。因此，在飞秒激光脉冲宽度变得越来越窄的同时，如何测量飞秒激光脉冲的强度和相位成为极大挑战。目前，被广泛应用的测量方法主要包括相关法、频率分辨光学开关法和光谱位相干涉直接电场重构法，各种方法都有成熟的仪器产品。下面分明介绍 

一、强度自相关方法 

$S_{\mathrm{intAc}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}I\left(t\right)I(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

公式(1)是强度自相关函数，其为脉冲强度和其时延复制脉冲强度乘积的时间积分，是时延τ的函数，即用一个延时脉冲扫描原脉冲。强度自相关函数在零延时时最大且总是偶对称函数。这非常容易通过干涉仪实现。倍频晶体和双光子吸收半导体管可以产生一个正比于两个脉冲强度乘积的信号，从而通过非线性方法实现两个脉冲的空间重叠量的测量。 

强度自相关方法只能粗略估计脉冲宽度，因为不同形状的脉冲可以有相同的强度自相关结果。在已知脉冲形状前提下，可以根据强度自相关方法输出脉冲宽度计算脉冲宽度。 

如果I₁(t)已经测定，就可以用来扫描并测定未知脉冲，即互相关方法， 

$S_{\mathrm{intCC}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}_1\left(t\right)I_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(2\right)$

对于同轴结构，自相关函数可以表示为 

$S_{\mathrm{AC}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{[E\left(t\right)+E(t+\mathrm{\τ})]}^2\mathrm{dt}=2[{\∫}_{-\∞}^{\∞}I\left(t\right)\mathrm{dt}+{\∫}_{-\∞}^{\∞}E\left(t\right)E(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}]---\left(3\right)$

由Wiener-Khintchine定理，自相关函数的傅立叶变换给出谱函数，这也正是傅立叶光谱学的基础。这些自相关方法都有一个致命的弱点，就是自相关法虽能给出脉宽信息，却不能给出相位信息，而且需要以假设脉冲的形状为前提，对随机脉冲的实际形状也是没法测量的。 

二、频率分辨光学开关法 

频率分辨光学开关法(FROG，frequency-resolved optical gating)最早是由D.Kane和R.Trebino提出的，它能给出如光谱结构、脉冲形状及相位等信息。其光路结构与自相关方法相似，其基本方法是将入射光脉冲分为两束，分别作为探测光和开关光，对开关光束引入一个时间延迟，然后再让两束光通过非线性晶体产生相互作用。经光谱仪光谱展开后，用CCD记录相互作用后的光强信息。利用脉冲迭代算法得到入射光脉冲的光谱强度和相位信息。FROG技术有很多衍生的方法，包括二次谐波光开关法(SHG-FROG)、偏振开关法(PG-FROG)、自衍射光开关(SD-FROG)、瞬态光栅开关法(TG-FROG)和三次谐波光开关法(THG-FROG)。二次谐波光开关法利用的是二阶非线性效应，对脉冲光强要求相对其它方法较低。在三阶非线性相互作用中，拉曼效应引起的有限时间响应将会影响小于20fs的光脉冲的测量。 

FROG方法由于需要构造完整的相空间，必须测量在不同时刻对应的频谱，组合成延时时间-频率二维空间FROG迹线。由于CCD数据传输速率限制，不能实现脉冲的单脉冲测量，此外对数据还要作复杂的迭代循环处理，耗费大量的计算时间，不能对脉冲的全面信息进行实时测量。 

三、光谱位相相干直接电场重构法 

1998年，C.Dorrer和I.Walmsley提出了光谱位相相干直接电场重构法(SPIDER，Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction)测量位相。该方法是将入射的脉冲复制为两个有微小延时差和频率差的脉冲。将两个镜像脉冲与一个展宽的啁啾脉冲在非线性晶体中进行和频和转换，转换后两个镜像脉冲的中心频率就出现了微小的差别，这个频差称为“光谱剪裁”。这两个脉冲在光谱仪中相干，由干涉条纹可 以提取出两束光的频谱的相位差从而获得脉冲的相位信息。SPIDER技术对仅有几个光学周期的超快脉冲进行了测量。在超短脉冲评价技术中，与FROG技术相比，SPIDER技术没有扫描部件而且避免FROG中大量的迭代计算，因此可达到较快的测量时间。但是SPIDER形成的干涉条纹比较稠密，根据Whittaker-Shanon采样定律，图像采集的分辨率要求更高。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明所要解决的技术问题是现有的测量飞秒激光脉冲的强度和相位的系统结构不够稳定、探测灵敏度不够高以及脉冲实时检测需求成本高的问题。 

(二)技术方案 

本发明提出一种飞秒激光脉冲完全重建系统，包括激光器、光纤、萨格奈克环形干涉仪以及探测设备，所述激光器通过所述光纤与所述萨格奈克环形干涉仪相连接，所述探测设备连接于所述萨格奈克环形干涉仪，所述激光器用于发出飞秒激光脉冲；所述光纤用于将所述飞秒激光脉冲在时域上展开；正交萨格奈克干涉仪的光透过率函数与入射光的偏振态无关，用于对所述飞秒激光脉冲进行干涉，产生一个时域干涉脉冲；所述探测设备用于采集所述时域干涉脉冲，形成时域和频域干涉信号，以重构所述飞秒激光脉冲的波形和相位信息。 

本发明还提出一种5飞秒激光脉冲完全重建方法，该方法基于一个飞秒激光脉冲重建系统，所述系统包括激光器、光纤、萨格奈克环形干涉仪以及探测设备，所述激光器通过所述光纤与所述萨格奈克环形干涉仪相连接，所述探测设备连接于所述萨格奈克环形干涉仪，所述方法包括如下步骤：测量所述激光器发出的飞秒激光脉冲的宽度；设定所述飞秒激光脉冲重建系统的系统采样频率、系统带宽和萨格奈克环形干涉仪的时延的范围；标定所述飞秒激光脉冲重建系统的“频率-时间映射”函数；记录所述飞秒激光脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪后产生的激光干涉脉冲的光强度谱，根据该光强度谱计算正交萨格奈克干涉仪的时延；测量所述飞秒激光 脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪后产生的激光干涉脉冲的时域干涉条纹，使用“频率-时间映射”函数将其转化为频域干涉条纹；对上一步骤产生的频域干涉条纹进行逆傅立叶变换，得到时域干涉条纹。然后将该时域干涉条纹的旁瓣信号向前平移所述时延；重新确定飞秒激光脉冲重建系统的时延；对所述旁瓣信号进行傅立叶变换得到频率强度分布和差分相位分布，对该差分相位分布进行累加得到频域相位分布，根据频率强度分布和频域相位分布得到重建的所述激光脉冲信号的频域分布，所该频域分布信号进行傅立叶变换，得到重建的所述激光脉冲信号时域分布。 

(三)有益效果 

本发明相比于现有技术具有如下有益技术效果： 

1、本发明采用全光纤的光路设计，并且没有包含可移动或需要扫描的设备，具有更好的稳定性和集成度。 

2、本发明首先获得时域干涉条纹，之后利用频率-时间映射函数得到频域干涉条纹，探测的速度快，可以实现脉冲的实时监测。而且，由于本发明基于线性光学，探测灵敏度高，并且，本发明进一步考虑了高阶色散的影响，提高了相位检测的精度。 

3、本发明采用正交萨格奈克光纤环结构，因此光信号利用效率高。 

附图说明

图1是本发明的飞秒激光脉冲重建系统的原理结构图； 

图2是本发明的一个实施例的自相关仪输出信号图； 

图3是本发明的一个实施例的频率-时间映射方程拟合曲线 

图4是本发明的一个实施例的时域干涉条纹(b)向频域干涉条纹(a)的转化图； 

图5是本发明的一个实施例的正交萨格奈克干涉仪的延时时间测量示意图；其中，图5(a)为EDFA自发辐射光源透过干涉仪的光强；图5(b)归一化强度。 

图6(a)是图5(a)的频域干涉条纹的逆傅立叶变换； 

图6(b)是重建的飞秒激光脉冲的频域分布图； 

图6(c)是重建的飞秒激光脉冲的时域分布图；其中实线为光自相关仪测得的高斯脉冲函数。 

图6(d是)不考虑高阶色散时的飞秒激光脉冲时域分布图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 

本发明提出一种基于实时色散傅立叶变换和时域干涉技术的飞秒激光脉冲光重建系统和重建方法，本发明使用基于正交萨格奈克光纤环的全光纤结构。 

图1是本发明的飞秒激光脉冲重建系统的原理结构图。如图1所示，本发明的系统主要包括激光器1、光纤3、萨格奈克(Sagnac)环形干涉仪4以及探测设备。激光器1通过光纤3与萨格奈克环形干涉仪4相连接，探测设备连接于萨格奈克环形干涉仪4。 

所述激光器1用于发出飞秒激光脉冲。飞秒激光脉冲指脉宽在飞秒量级，重复频率高达数Ghz的激光脉冲。根据本发明的具体实施例，其可以是被动锁模光纤激光器。 

所述光纤3用于将飞秒激光脉冲在时域上展开。该光纤3可以是色散补偿光纤。 

本发明采用的萨格奈克环形干涉仪4是一种由单模光纤组成的光纤环形干涉仪，其用于提供一个偏振无关的光学透过率函数，用于对所述飞秒激光脉冲进行干涉。根据本发明的具体实施例，采用保偏耦合器来构成萨格奈克环形干涉仪4，保偏耦合器是一种可以在线偏振光束通过时维持光束偏振方向不变的光纤耦合器件，其包括保偏光纤和两个端口，在此将这两个端口分别为第一端口41和第二端口42，在其第一端口41，保偏光纤的快轴与保偏耦合器的快轴垂直焊接；在其第二端口42，保偏光纤的快轴与保偏耦合器的快轴平行焊接。采用这种焊接的环形干涉仪即为正交萨格奈克干涉仪，正交萨格奈克干涉仪的透过率函数与入射光的偏振态无关，为 

T＝[1-cosδ₁]/2                            (4) 

其中T为正交萨格奈克干涉仪的透过率，δ₁为正交萨格奈克干涉仪的相位因子。 

根据本发明，所述探测设备连接于萨格奈克环形干涉仪4的出口端。探测设备用于采集干涉之后的时域干涉脉冲形成的时域和频域干涉信号，以重构飞秒激光脉冲的波形和相位信息。 

如图1所示，在上述实施例中，探测设备包括光谱仪5、光电探测器6和示波器7。其中，光谱仪5用于根据所述时域干涉脉冲产生频域干涉信号，光电探测器6用于将时域干涉脉冲转化为电信号，示波器7用于读取所述电信号，显示该时域干涉脉冲的时域干涉条纹。 

在该实施例中，在激光器1和光纤3之间还连接有一个衰减器2，该衰减器用于降低飞秒激光脉冲的峰值功率。 

下面说明基于本发明的上述飞秒激光脉冲重建系统进行飞秒激光脉冲重建的方法。本发明的方法包括如下步骤： 

1、测量激光器1发出的飞秒激光脉冲的宽度。 

根据本发明的具体实施例，使用自相关仪(Femtochrome Model FR-103MN)来测量飞秒激光脉冲宽度。将激光器1和自相关仪使用16cm的单模光纤条线连接，飞秒激光脉冲在光纤跳线中的展宽忽略不计，自相关仪输出信号如图2所示。 

在该实施例中，假设输出的飞秒激光的脉冲波形为高斯函数分布，自相关曲线半高全宽ΔT和飞秒激光脉冲半高全宽Δt的转换关系为 其中k＝7.5ps/ms是校准因子。根据自相关曲线可以估计飞秒激光脉冲宽度Δt＝394fs。为了避免光学非线性现象，峰值功率33mW。 

2、设定飞秒激光脉冲重建系统的系统采样频率、系统带宽和萨格奈克环形干涉仪4的时延的范围。 

根据本发明的具体实施例，根据Whittaker-Shannon采样定律，计算系统需要的采样频率、萨格奈克光纤环时延以及系统带宽的范围。 

为了完全重建飞秒激光脉冲的光谱和相位分布，信号采样间隔必须小于Nyquist极限：信号周期为T_c＝2πβ₂L/t_D。根据Whittaker-Shannon采样定律，采样频率应符合f_s＞2/T_c，即：采样频率需高于t_D/πβ₂L。时域干 涉条纹实际记录的是差分相位信息 即超短脉冲内相隔频率Δω的纵模分量之间的相位差。在实验中，选择Δω≈3％W₀，W₀是待测飞秒激光脉冲的谱宽。Δω＝t_D/β₂L是时延t_D对应的频率差。同时，时延t_D必须相对飞秒激光脉冲宽度T₀足够大。由此确定时延t_D的大小。最后考虑系统的带宽限制(光电探测器或者实时采样示波器的响应带宽)，根据f_s＞t_D/πβ₂L，可以选择系统群速度色散大小β₂L。 

3、标定所述飞秒激光脉冲重建系统的“频率-时间映射”函数。 

该步骤对飞秒激光脉冲重建系统输出的时域信号和频域信号的峰值数据进行多项式拟合，得出“频率-时间映射”函数。 

在如图1所示的本发明的飞秒激光脉冲重建系统的实施例中，激光器1发出飞秒激光脉冲，使用衰减器2降低飞秒激光脉冲的峰值功率。由于色散作用，飞秒激光脉冲经过光纤3后将在时域展宽。展宽的飞秒激光脉冲输入萨格奈克环形干涉仪4，最后由光谱仪5采集频域信号，经光电探测器6由示波器7采集时域信号，同时记录时域信号和频域信号的干涉条纹，找到时域干涉条纹和频域干涉条纹之间的映射关系，对本发明系统中的色散特性进行校准。 

例如，当正交萨格奈克干涉仪的延时时间t_D＝12.54ps时，分别用光谱仪和示波器记录频域干涉条纹和时域干涉条纹如图3所示。沿着纵轴分布的是频域干涉条纹，沿着横轴分布的时域干涉条纹。 

首先，找到时域和频域对应干涉级的峰值坐标。假定最接近飞秒激光脉冲峰值位置的干涉级为0级，然后左边为-1级，右边为+1级，以此类推。 

激光频率是时间的多项式函数。对图3中的时域和频域干涉条纹的对应峰值采用4阶多项式拟合可得 

f＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³+a₄t⁴                    (5) 

其中，拟合参数为：a₀＝1.942×10¹⁴，a₁＝-7.934×10²⁰，a₂＝7.519×10²⁷，a₃＝9.377×10³⁵，a₄＝-1.105×10⁴⁴。 

4、记录飞秒激光脉冲信号经过所述正交萨格奈克干涉仪后产生的激光干涉脉冲的光强度谱，根据该光强度谱计算正交萨格奈克干涉仪的时延。 

如图5所示，使用EDFA(掺饵光纤放大器)自发辐射光源，记录光信号经过正交萨格奈克干涉仪的光强度。根据本发明，可以根据公式(4)对归一化的强度谱使用正弦函数拟合，可得t_D的精确值，如t_D＝12.54ps。 

5、测量飞秒激光脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪后产生的干激光干涉脉冲的时域干涉条纹，使用“频率-时间映射”函数将其转化为频域干涉条纹。 

将时域干涉条纹向频域干涉条纹转换：如图4所示，使用步骤3中得到的“频率-时间映射”函数将测量得到的时域干涉条纹转化为频域干涉条纹。 

6、对上一步骤产生的频域干涉条纹进行逆傅立叶变换，得到强度和相位分布，即重建的时域干涉条纹。然后选中重建的时域干涉条纹中的旁瓣信号，向前平移所计算的粗时延。 

7、对平移后的旁瓣信号进行傅立叶变换得到频域强度分布和差分相位分布，对频域差分相位分布进行累加得到频域相位分布，根据频率强度分布和频域相位分布得到所述飞秒激光脉冲信号的重建的频域分布，所该频域分布信号进行傅立叶变换，可得到所述飞秒激光脉冲信号的重建的时域分布。 

在上述实施例中，重建的激光脉冲信号的频域分布如图6(b)所示。对图6(b)所示信号进行傅立叶变换，可得时域光强分布和相位分布，如图6(c)所示。 

另外，如果在实验数据处理中不使用时-频转换，而只考虑群速度色散，使用以上相同步骤，获得脉冲波形和相位分布如图6(d)所示。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种飞秒激光脉冲完全重建系统，其特征在于，包括激光器(1)、光纤(3)、萨格奈克环形干涉仪(4)以及探测设备，所述激光器(1)通过所述光纤(3)与所述萨格奈克环形干涉仪(4)相连接，所述探测设备连接于所述萨格奈克环形干涉仪(4)，

所述激光器(1)用于发出飞秒激光脉冲；

所述光纤(3)用于将所述飞秒激光脉冲在时域上展开；

正交萨格奈克干涉仪(4)的光透过率函数与入射光的偏振态无关，用于对所述飞秒激光脉冲进行干涉，产生一个时域干涉脉冲；

所述探测设备用于采集所述时域干涉脉冲，形成时域和频域干涉信号，以重构所述飞秒激光脉冲的波形和相位信息。

2.如权利要求1所述的飞秒激光脉冲完全重建系统，其特征在于，在所述激光器(1)和所述光纤(3)之间连接有一个衰减器(2)，该衰减器(2)用于降低所述飞秒激光脉冲的峰值功率。

3.如权利要求1所述的飞秒激光脉冲完全重建系统，其特征在于，所述光纤(3)是色散补偿光纤。

4.如权利要求1所述的飞秒激光脉冲完全重建系统，其特征在于，所述探测设备包括光谱仪(5)、光电探测器(6)和示波器(7)，其中，

所述光谱仪(5)用于根据所述时域干涉脉冲产生频域干涉信号；

所述光电探测器(6)用于将所述时域干涉脉冲转化为电信号；

所述示波器(7)用于读取所述电信号，显示该时域干涉脉冲的时域干涉条纹。

5.一种飞秒激光脉冲完全重建方法，该方法基于一个飞秒激光脉冲重建系统，所述系统包括激光器(1)、光纤(3)、萨格奈克环形干涉仪(4)以及探测设备，其特征在于，所述激光器(1)通过所述光纤(3)与所述萨格奈克环形干涉仪(4)相连接，所述探测设备连接于所述萨格奈克环形干涉仪(4)，所述方法包括如下步骤：

测量所述激光器(1)发出的飞秒激光脉冲的宽度； 

设定所述飞秒激光脉冲重建系统的系统采样频率、系统带宽和萨格奈克环形干涉仪(4)的时延的范围；

标定所述飞秒激光脉冲重建系统的“频率-时间映射”函数；

记录所述飞秒激光脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪(4)后产生的激光干涉脉冲的光强度谱，根据该光强度谱计算正交萨格奈克干涉仪的时延；

测量所述飞秒激光脉冲经过所述正交萨格奈克干涉仪(4)后产生的激光干涉脉冲的时域干涉条纹，使用“频率-时间映射”函数将其转化为频域干涉条纹；

对上一步骤产生的频域干涉条纹进行逆傅立叶变换，得到时域干涉条纹。然后将该时域干涉条纹的旁瓣信号向前平移所述时延；

对所述旁瓣信号进行傅立叶变换得到频率强度分布和差分相位分布，对该差分相位分布进行累加得到频域相位分布，根据频率强度分布和频域相位分布得到重建的所述激光脉冲信号的频域分布，所该频域分布信号进行傅立叶变换，得到重建的所述激光脉冲信号时域分布。

6.如权利要求5的飞秒激光脉冲完全重建方法，其特征在于，在测量所述飞秒激光脉冲的宽度时，使用自相关仪来测量。

7.如权利要求5的飞秒激光脉冲完全重建方法，其特征在于，在设定所述飞秒激光脉冲重建系统的系统采样频率、系统带宽和萨格奈克环形干涉仪(4)的时延的范围时，满足条件f_s＞t_D/πβ₂L，其中f_s是系统采样频率，t_D是萨格奈克环形干涉仪(4)的时延，β₂L是系统群速度色散大小。

8.如权利要求5的飞秒激光脉冲完全重建方法，其特征在于，在标定所述飞秒激光脉冲重建系统的“频率-时间映射”函数的步骤中，对所述飞秒激光脉冲重建系统输出的时域信号和频域信号的峰值数据进行多项式拟合。

9.如权利要求5的飞秒激光脉冲完全重建方法，其特征在于，

在计算正交萨格奈克干涉仪的时延时，使用掺饵光纤放大器自发辐射光源，记录光信号经过正交萨格奈克干涉仪的光强度，对归一化的强度谱使用正弦函数拟合。 

10.如权利要求9的飞秒激光脉冲完全重建方法，其特征在于，在计算正交萨格奈克干涉仪的时延时，根据T＝[1-cosδ₁]/2对归一化的光强度谱使用正弦函数拟合，其中T为正交萨格奈克干涉仪的透过率，δ₁为正交萨格奈克干涉仪的相位因子。 

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