CN102998006A

CN102998006A - 飞秒激光脉冲形状的测量装置

Info

Publication number: CN102998006A
Application number: CN2012104497264A
Authority: CN
Inventors: 刘军; 李方家; 刘奇福; 张素侠; 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: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-03-27

Abstract

一种飞秒激光脉冲形状的测量装置，构成包括沿待测飞秒激光脉冲光束前进方向依次的四小孔板、介质延迟片、部分区域镀膜反射镜、抛物面反射镜、三阶非线性介质片、小孔光阑、聚焦透镜、凹面反射镜和高精度光谱仪，该高精度光谱仪的输出端接计算机的输入端。本发明装置具有结构简单实用，调节方便，数据采集与数据处理迅速的特点，并且可以适应不同脉冲宽度和不同波长的飞秒激光脉冲宽度和脉冲形状的测量和实时监测。

Description

飞秒激光脉冲形状的测量装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲测量，特别是一种飞秒激光脉冲形状的测量装置。

背景技术

随着飞秒激光脉冲在科研、生物、医疗、加工、通信、国防等社会各个领域的应用的拓展与深入。飞秒激光器与相应飞秒激光技术的研究也迅速发展。飞秒激光的脉冲形状与脉冲宽度是一个飞秒激光脉冲应用中的重要的光学参量，对它的测量或实时监测在很多实验和应用中十分必要。因此，一种结构简单，实用和调节方便的激光脉冲宽度测量与实时监测的装置对于推动飞秒激光的应用非常重要。

最近，一种基于交叉偏振波（cross-polarized wave, 简称XPW）[参见文献1：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)]用作参考光的自参考光谱干涉（self-referenced spectral interferometry, 简称SRSI）方法[参见文献2：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).]被用来测量激光脉冲。在此方法中，仅仅需要3次简单迭代计算就可以很快获得测量激光的光谱和光谱相位。这是目前为止最为简单方便并可以进行脉冲宽度单发测量的方法。然而，该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，这样也就限制了这一方法只能在特定光谱范围内应用。偏振光学元件的色散也使其对10fs以下短脉冲测量的有限制。我们最近也提出一种基于自衍射效应的SRSI方法，这种方法不受色散限制，但是目前此方法结构有些复杂[参见文献3：J. Liu, Y.L. Jiang, T. Kobayashi, R. X. Li, and Z. Z. Xu, “Self-referenced spectral interferometry based on self-diffraction effect,” J. Opt. Soc. Am. B 29(1):29-34(2012)]。

发明内容

本发明是一种基于透明介质中的瞬态光栅效应[参见文献4：J. Liu, K. Okamura, Y. Kida, and T. Kobayashi, “Femtosecond pulses cleaning by transient-grating process in Kerr-optical media,” Chin. Opt. Lett. 9(5): 051903 (2011)]的自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量方法，提供一种飞秒激光脉冲形状的测量装置。该装置具有结构简单实用，调节方便，数据采集与数据处理迅速的特点，并且可以适应不同脉冲宽度和不同波长的飞秒激光脉冲宽度和脉冲形状的测量和实时监测。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光脉冲形状的测量装置，特点在于其构成包括沿待测飞秒激光脉冲光束前进方向依次的四小孔板、介质延迟片、部分区域镀膜反射镜、抛物面反射镜、三阶非线性介质片、小孔光阑、聚焦透镜、凹面反射镜和高精度光谱仪，该高精度光谱仪的输出端接计算机的输入端，所述的三阶非线性介质片置于所述的抛物面反射镜的焦点上，所述的待测飞秒激光脉冲光束经四小孔板后分成四束激光入射所述的部分区域镀膜反射镜，在所述的四小孔板和部分区域镀膜反射镜之间的四束激光中的一束激光的光路上设置所述的介质延迟片，经该介质延迟片的一束激光产生延时称为延时光束，该延时光束入射在所述的部分区域镀膜反射镜的未镀膜区域；其他三束未延时光束入射在所述的部分区域镀膜反射镜的镀膜区域，延时光束和三束未延时光束经所述的抛物面反射镜反射聚焦在所述的三阶非线性介质片上，三束未延时光束产生瞬态光栅效应形成信号光束，该信号光束正好跟所述的延迟光束在一个方向上，利用小孔光阑选取所述的信号光束和所述的延迟光束，经过聚焦透镜或者凹面反射镜和平面高反射镜聚焦到所述的高精度光谱仪中，该高精度光谱仪获得的光谱输入所述的计算机，经数据处理后显示待测飞秒激光脉冲形状。

本发明具有以下显著的特点：

（a）本发明采用了瞬态光栅效应产生的瞬态光栅光波作为参考光，实验证明瞬态光栅光波没有空间啁啾和角色散，因此测量更加准确。瞬态光栅效应是自相位匹配过程和对称结构，因此可以对从深紫外到中红外超宽带光谱范围和周期量级到几百飞秒的激光脉冲的测量。并且瞬态光栅效应需要的入射激光脉冲能量低，可以对纳焦耳量级的振荡器进行测量。

（b）本发明装置结构非常简单，仅仅利用了几个反射镜，两块玻璃片就可以获得信号光与待测激光的干涉光谱。

（c）本发明采用自参考光谱方法（SRSI）来测量激光脉冲， SRSI方法中只需经过约三次的迭代计算就可以获得待测激光脉冲的激光光谱、光谱相位、脉冲形状和脉冲时域相位的信息，响应速度快。

（d）与在先技术相比，本发明显著地提高了飞秒激光脉冲测量的光谱和脉冲宽度的适应范围、并且同时提高了计算速度，可以实时监测激光脉冲形状。可以用作飞秒激光脉冲脉冲宽度的单发测量和实时监测。

（e）利用抛物面反射镜来聚焦激光可以聚焦的更小，系统调节更加方便，并减少了激光入射角度的影响。

（f）利用聚焦透镜、凹面反射镜或抛物面反射镜来聚焦信号到光谱仪可以更加方便和聚焦到更小光斑，提高耦合效率。

附图说明

图1为本发明的一个典型实例装置光路结构图。

图2是利用本发明实例装置图1测量800 nm中心波长37 fs激光脉冲实验结果图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1为本发明的一个典型实例装置光路结构图。由图可见，本发明飞秒激光脉冲形状的测量装置，其构成包括沿待测的飞秒激光脉冲光束前进方向依次的四小孔板2、介质延迟片3、部分区域镀膜反射镜4、抛物面反射镜5、三阶非线性介质片6、小孔光阑7、聚焦透镜8、凹面反射镜9和高精度光谱仪10，该高精度光谱仪10的输出端接计算机11的输入端，所述的三阶非线性介质片6置于所述的抛物面反射镜5的焦点上，所述的待测飞秒激光脉冲光束经四小孔板2后分成四束激光入射所述的部分区域镀膜反射镜4，在所述的四小孔板2和部分区域镀膜反射镜4之间的四束激光中的一束激光的光路上设置所述的介质延迟片3，经该介质延迟片3的一束激光产生延时称为延时光束，该延时光束入射在所述的部分区域镀膜反射镜4的未镀膜区域；其他三束未延时光束入射在所述的部分区域镀膜反射镜4的镀膜区域，四束激光反射后经所述的抛物面反射镜5反射聚焦在所述的三阶非线性介质片6上，其中三束未延时光束产生瞬态光栅效应形成信号光束，该信号光束正好跟所述的延迟光束在一个方向上，利用小孔光阑7选取所述的信号光束和所述的延迟光束，经过聚焦透镜或者凹面反射镜8和平面高反射镜9聚焦到所述的高精度光谱仪10中，该高精度光谱仪10获得的光谱输入所述的计算机11，经数据处理后获得待测的飞秒激光脉冲形状。

图1测量装置的光路走势如下，一束光斑足够大（直径大于5 mm）的入射激光束1经过小孔板2后，小孔板上的四个小孔透过相等口径的四束激光，这四束激光位于正方形四个角，也叫“盒子形状（box）”。其中一束激光透过一块合适厚度的玻璃片，而其它三束激光在空气自由传播，这样这束透过玻璃片的激光与其它三束激光之间具有一定的时间延迟。然后，四束激光经过平面反射镜4，其中延迟的那束激光经过未镀膜的四分之一区域反射，其它三束激光则经过镀有高反膜的四分之三区域反射。经过反射镜4的光以合适的角度入射到抛物面反射镜5上，并被它聚焦到介质玻璃片6上。其中三束未延时光束经过高反射的激光在介质玻璃片6上产生瞬态光栅效应，其产生的信号光波正好跟延迟的那一束待测光波在一个方向上。利用小孔光阑7选取信号光波和延迟的待测光波，经过聚焦透镜或者凹面反射镜8和平面高反射镜9聚焦到高精度光谱仪10中，结合计算机11测得光谱信号。

在装置结构中，小孔板2上的四个小孔大小和间距根据入射光斑大小来选取，以四个光斑互不影响，并且通过能量最大为原则。玻璃片3材料的选取根据入射激光波长来确定，以在激光波长带宽范围透明，色散小为原则。材料的厚度则跟入射激光带宽和中心波长有关，入射激光带宽宽，脉冲宽度短，则玻璃材料要薄，具体根据后面测得的干涉光谱条纹是否可以分辩和精度为原则。4与5的膜根据入射激光中心波长不同可以镀银膜和铝膜等。6的材料选择需要对入射激光透明，三阶非线性系数要高，并且厚度要合适。10为高光谱精度的光谱仪，可以提高测量精度。

在SRSI测量中，被衰减和延迟的待测激光和产生的瞬态光波（之后叫参考光）空间自动重合和共线并被聚焦进入一个高光谱精度的光谱仪。我们首先挡住待测激光利用高精度光谱仪测得参考光的单独光谱，接着我们放开待测激光并挡住三束入射激光的任何一束，利用高精度光谱仪测得待测激光的单独光谱，并且保存数据文件。通过调节入射激光小孔大小或入射光能量，调节参考光的强度比待测激光强度强（通常是强3倍左右），测得干涉光谱，并保存数据。

通过改变插入的延时玻璃片的厚度，我们可以调节参考光与待测激光脉冲之间的延时，当时间延时τ合适，在光谱仪上可以明显看见两束光的光谱干涉条纹。增大延时可以提高光谱干涉条纹密度，从而提高光谱和光谱相位的测量精度，但是这样需要更高精度光谱仪。这里，通常我们调节延时τ使得光谱干涉条纹间隔以配合光谱的光谱测量精度。测得的光谱干涉条纹，利用SRSI的计算方法[参见文献3]，我们可以获得待测激光光谱与光谱相位，激光脉冲形状和脉冲宽度。

采用如图1所示的实验装置，对相干公司的商用飞秒激光脉冲进行了脉冲宽度测量。在具体实施光路中，待测的入射激光光束1的重复频率为1kHz，中心波长为800 nm，光斑大小为8 mm，脉冲能量为3 uJ。光束1通过小孔板2后分成四束激光，其中右下角的那一束经过一片0.5 mm厚的熔石英玻璃片3并入射到部分区域反射镜4上的未镀膜区域反射，其它三束则直接经过镀银膜区域反射。四束反射激光经过焦距为101mm的镀银膜的抛物面反射镜5聚焦在一片500 um厚的熔石英材料上。三束较强激光在熔石英玻璃片上由于瞬时光栅效应在另外一束衰减和延时的光束的方向上产生了瞬时光栅光波。两束重合激光经过小孔光阑7和聚焦透镜8聚焦，再经过平面高反射镜9反射进入高精度光谱仪10测量激光光谱和干涉激光光谱。

图2（a）干涉光谱（细实线）为测得的800 nm激光的干涉光谱。利用测得的干涉光谱数据，采用SRSI方法中的计算流程，可以计算得到待测脉冲的激光光谱与光谱相位。图2（b）实线为光谱仪测得的待测激光光谱，点画线为此方法得到的激光光谱相位。图2（c）实线为光谱仪测得的待测激光的脉冲形状，其对应脉冲宽度为37fs，点线为脉冲对应时域的相位。

Claims

1.一种飞秒激光脉冲形状的测量装置，特征在于其构成包括沿待测的飞秒激光脉冲光束前进方向依次的四小孔板（2）、介质延迟片（3）、部分区域镀膜反射镜（4）、抛物面反射镜（5）、三阶非线性介质片（6）、小孔光阑（7）、聚焦透镜（8）、凹面反射镜（9）和高精度光谱仪（10），该高精度光谱仪（10）的输出端接计算机（11）的输入端，所述的三阶非线性介质片（6）置于所述的抛物面反射镜（5）的焦点上，所述的待测飞秒激光脉冲光束经四小孔板（2）后分成四束激光入射所述的部分区域镀膜反射镜（4），在所述的四小孔板（2）和部分区域镀膜反射镜（4）之间的四束激光中的一束激光的光路上设置所述的介质延迟片（3），经该介质延迟片（3）的一束激光产生延时称为延时光束，该延时光束入射在所述的部分区域镀膜反射镜（4）的未镀膜区域；其他三束未延时光束入射在所述的部分区域镀膜反射镜（4）的镀膜区域，四束激光反射后经所述的抛物面反射镜（5）反射聚焦在所述的三阶非线性介质片（6）上，其中三束未延时光束产生瞬态光栅效应形成信号光束，该信号光波正好跟所述的延迟光束在一个方向上，利用小孔光阑（7）选取所述的信号光束和所述的延迟光束，经过聚焦透镜或者凹面反射镜（8）和平面高反射镜(9)聚焦到所述的高精度光谱仪（10）中，该高精度光谱仪（10）获得的光谱输入所述的计算机（11），经数据处理后获得待测的飞秒激光脉冲形状。