CN104075875A - 一种测量微纳器件延迟特性的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量微纳器件延迟特性的测量装置和测量方法，该测量装置包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器、第一3dB光纤耦合器、可调光延迟线、外接光纤、第二3dB光纤耦合器、光纤聚焦透镜、分束系统、凸透镜、非线性晶体、小孔光阑、柱透镜、CCD光谱仪、控制终端、待测微纳器件耦合系统以及用于控制非线性晶体进行转动的电动角位移台，外接光纤包括第一外接光纤和第二外接光纤，非线性晶体安装在电动角位移台上。本发明可以进行时域-频域二维探测，可以直接测量得到微纳器件的延迟时间，测量成本低、效率高而且准确度高，可广泛应用于微纳器件延迟特性的测量领域中。

Description

一种测量微纳器件延迟特性的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种测量微纳器件延迟特性的测量装置和测量方法。

背景技术

信号在电子器件、微纳光学器件等器件的传输过程中存在一定的延时，通过实验测量获取器件的准确的延迟时间，对分析器件在电路或光路中的性能来说是至关重要的。对于延迟时间在纳秒或微秒以上的器件来说，可以通过将待测信号和参考信号一同接入双通道示波器，直接测量得到器件的延迟时间。但是，对于微纳光学器件(本发明中简称微纳器件)来说，器件中产生的时间延迟多半来源于器件中光子与结构的共振耦合，此时延迟时间的数量级为皮秒(10^-12s)或飞秒(10^-15s)，因为延迟时间很小，无法采用现有示波器直接进行测试的方法测量出来。而微纳器件主要应用于通信领域或光电领域，获知微纳器件的延迟时间同样至关重要。例如，将微纳器件制作成光缓存器时，微纳器件的延迟时间将影响光缓存器的延迟位数。由于现有技术中没有办法直接测量得到微纳器件如此小数量级的延迟时间，为了分析微纳器件的工作特性，只能借助高速示波器、条纹相机等昂贵、体积庞大的设备，通过间接的方法进行多次实验，从而估算出微纳器件的延迟时间。不仅效率低下，测量成本高，而且准确度低。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，本发明的另一目的是提供一种测量微纳器件延迟特性的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器、第一3dB光纤耦合器、可调光延迟线、外接光纤、第二3dB光纤耦合器、光纤聚焦透镜、分束系统、凸透镜、非线性晶体、小孔光阑、柱透镜、CCD光谱仪、控制终端、待测微纳器件耦合系统以及用于控制非线性晶体进行转动的电动角位移台；

所述外接光纤包括第一外接光纤和第二外接光纤；所述非线性晶体安装在电动角位移台上；

所述飞秒激光器发出的脉冲激光束通过波长调谐器进行脉冲中心波长调节后，经光纤耦合器耦合后通过单模光纤传输到第一3dB光纤耦合器后分为两束激光脉冲，其中一束激光脉冲通过可调光延迟线入射到第二3dB光纤耦合器，另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤、待测微纳器件耦合系统及第二外接光纤产生延时后入射到第二3dB光纤耦合器，第二3dB光纤耦合器将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，光纤聚焦透镜将双脉冲激光进行扩束、准直后入射到分束系统处，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，通过凸透镜会聚照射到非线性晶体上，非线性晶体产生和频信号光束，和频信号光束通过小孔光阑照射到柱透镜后会聚入射到CCD光谱仪，CCD光谱仪采集和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端；

两束激光脉冲中通过可调光延迟线入射到第二3dB光纤耦合器的激光脉冲所传输的光程与直接通过第一外接光纤和第二外接光纤入射到第二3dB光纤耦合器的激光脉冲所传输的光程相等。

进一步，所述分束系统包括直角棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜及第六反射镜；

所述直角棱镜将准直入射的双脉冲激光分成反向传播的两束双脉冲激光，其中第一束双脉冲激光依次通过第一反射镜及第二反射镜反射后反向平行地返回，并经第三反射镜反射后得到第一快门脉冲；其中第二束双脉冲激光依次通过第四反射镜及第五反射镜反射后反向平行地返回，并经第六反射镜反射后得到第二快门脉冲；所述第一快门脉冲和第二快门脉冲均与入射的双脉冲激光平行且同方向，而且第一快门脉冲和第二快门脉冲不在同一直线上；

所述第一束双脉冲激光从直角棱镜传播到第三反射镜处的光程和第二束双脉冲激光从直角棱镜传播到第六反射镜处的光程相等。

进一步，所述待测微纳器件耦合系统包括待测微纳器件和样品台，所述待测微纳器件安装在样品台上，所述第一外接光纤和第二外接光纤分别垂直地耦合到待测微纳器件两端的耦合光栅上。

进一步，所述非线性晶体采用BBO晶体。

进一步，所述飞秒激光器采用飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过第一3dB光纤耦合器将其分为两束激光脉冲，将其中一束激光脉冲通过可调光延迟线输入到第二3dB光纤耦合器，将另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤及第二外接光纤后输入到第二3dB光纤耦合器，调节可调光延迟线，使得两束激光脉冲的光程一致；

S2、将待测微纳器件耦合系统直接耦合到第一外接光纤和第二外接光纤之间，待测微纳器件耦合系统对传输的激光脉冲产生延时后再输入到第二3dB光纤耦合器；

S3、采用第二3dB光纤耦合器将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，将双脉冲激光扩束、准直后入射到分束系统，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，将两束快门脉冲会聚照射到非线性晶体上；

S4、根据快门脉冲的波长以及快门脉冲照射到非线性晶体上的入射夹角，计算获得非线性晶体的相位匹配角；

S5、根据获得的相位匹配角，采用电动角位移台调整非线性晶体的角度，使得非线性晶体满足相位匹配条件从而产生和频信号光束，并将和频信号光束进行横向压缩会聚入射到CCD光谱仪；

S6、CCD光谱仪采集和频信号光束的光谱踪迹图像，并记录光谱踪迹值；

S7、采用主元素投影方法，通过迭代计算，计算出待测双脉冲激光的电场表达式，从而获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

进一步，所述步骤S7包括：

S701、设定双脉冲激光的初始电场表达式如下：

$E_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，E₀(t)表示双脉冲激光的电场，a、b表示电场振幅最大值对应项，c₁为与双脉冲激光的脉冲宽度相关的常数，d代表双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔，ω代表脉冲载频；

S702、根据双脉冲激光的初始电场表达式，获得与双脉冲激光对应的快门脉冲的初始电场表达式如下：

$g_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，g₀(t)表示快门脉冲的电场；

快门脉冲双脉冲激光的表达式相同，因此设定双脉冲激光的初始电场表达式后即获得快门脉冲的初始电场表达式；

S703、根据双脉冲激光和快门脉冲的电场表达式计算获得双脉冲激光和快门脉冲的离散化的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{prob}}=[E_1,E_2,E_3,E_4,...,E_N]\\ E_{\mathrm{gate}}=[G_1,G_2,G_3,G_4,...,G_N]\end{array}\right.$

其中，N＝2ⁿ，n为自然数，E_prob表示双脉冲激光的离散化向量表达式，E₁,E₂,...,E_N分别表示E_prob的N个元素，E_gate表示快门脉冲的离散化向量表达式，G₁,G₂,...,G_N分别表示E_gate的N个元素；

S704、将E_prob转秩运算后与E_gate相乘，计算获得双脉冲激光的离散化向量表达式和快门脉冲的离散化向量表达式的外积矩阵I：

$I=\left[\begin{array}{cccccc}{E}_1{G}_1,& E_1{G}_2,& E_1{G}_3,& E_1{G}_4,& ...,& E_1{G}_N\\ E_2{G}_1,& E_2{G}_2,& E_2{G}_3,& E_2{G}_4,& ...,& E_2{G}_N\\ E_3{G}_1,& E_3{G}_2,& E_3{G}_3,& E_3{G}_4,& ...,& E_3{G}_N\\ E_4{G}_1,& E_4{G}_2,& E_4{G}_3,& E_4{G}_4,& ...,& E_4{G}_N\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ E_N{G}_1,& E_N{G}_2,& E_N{G}_3,& E_N{G}_4,& ...,& E_N{G}_N\end{array}\right]$

S705、将外积矩阵I的第k行的所有元素向左移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的右边，得到初始矩阵I₁如下：

其中，k为自然数，取值范围为1～N，τ为整数，取值范围为τ的值表示双脉冲激光相对于快门脉冲的延迟；

然后，将初始矩阵I₁的左右两侧部分移动到矩阵中心，相应地将中间部分移动到矩阵两侧，从而得到时域FROG矩阵I_Time FROG如下：

S706、对时域FROG矩阵I_Time FROG的每一列进行傅里叶变换后，将零频率部分移动到每一列的中心位置，从而得到模拟的FROG频谱踪迹矩阵；

S707、将CCD光谱仪记录的光谱踪迹值进行提取处理后得到一个N*N的测量FROG踪迹矩阵，结合测量FROG踪迹矩阵和模拟的FROG频谱踪迹矩阵计算得到修正矩阵后，根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束；

S708、对强度约束后的模拟的FROG频谱踪迹矩阵的每一列进行傅里叶逆变换后，将零频率部分移动到每一列的上部和下部，得到与模拟的FROG频谱踪迹矩阵对应的时域FROG踪迹矩阵；

S709、将时域FROG踪迹矩阵的第k行的所有元素向右移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的左边，从而得到一新的外积矩阵，并对获得的外积矩阵进行奇异值分解，从而获得双脉冲激光的电场表达式E(t)和快门脉冲的电场表达式g(t)；

S710、返回步骤S703进行迭代计算，直到满足迭代收敛条件后，根据此时获得的双脉冲激光的电场表达式，获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

进一步，所述步骤S710中所述迭代收敛条件为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TF}}={\left[\frac{1}{N^2}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)-I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)]}^2\right]}^{1/2}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{th}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，I_TF(ω_i,τ_j)表示某次迭代计算得到的模拟的FROG频谱踪迹矩阵，I_Measured(ω_i,τ_j)表示测量FROG踪迹矩阵，ε_TF表示将迭代生成的模拟的FROG频谱踪迹矩阵与测量FROG踪迹矩阵的差值平均分配到每一个矩阵元素的误差，ε_th表示预设的误差阈值，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。

进一步，所述S707中所述修正矩阵为：

$G_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}{I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。

进一步，所述步骤S707中所述根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束，其具体为：

将模拟的FROG频谱踪迹矩阵的第i行第j列的元素乘以修正矩阵的第i行第j列的元素后作为该元素的值，从而实现强度约束。

本发明的有益效果是：本发明的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器、第一3dB光纤耦合器、可调光延迟线、外接光纤、第二3dB光纤耦合器、光纤聚焦透镜、分束系统、凸透镜、非线性晶体、小孔光阑、柱透镜、CCD光谱仪、控制终端、待测微纳器件耦合系统以及用于控制非线性晶体进行转动的电动角位移台，通过将飞秒激光器发出的脉冲激光束分别通过可调光延迟线和待测微纳器件耦合系统后进行耦合得到双脉冲激光，然后将双脉冲激光分为两束一样的快门脉冲并照射到非线性晶体上，进而通过CCD光谱仪采集非线性晶体产生的和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端，从而可以进行时域-频域二维探测，可以直接测量得到微纳器件引起的延迟时间，测量成本低、效率高而且准确度高。

本发明的另一有益效果是：本发明的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，通过将飞秒激光器发出的脉冲激光束分别通过可调光延迟线和待测微纳器件耦合系统后进行耦合得到双脉冲激光，然后将双脉冲激光分为两束一样的快门脉冲并照射到非线性晶体上，进而通过CCD光谱仪采集非线性晶体产生的和频信号光束的光谱踪迹图像同时记录光谱踪迹值，然后采用主元素投影方法通过迭代计算，计算获得待测微纳器件耦合系统的延迟时间，本测量方法通过时域-频域二维探测，可以直接测量得到微纳器件引起的延迟时间，测量成本低、效率高而且准确度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置的结构示意图；

图2是非线性晶体的折射率椭球示意图；

图3是非线性晶体在两束入射光线非共线的情况下的非线性和频过程的动量匹配示意图；

图4是波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为9fs时所形成的高斯双脉冲激光束的电场、电场振幅及光强；

图5是采用本发明的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法对波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为9fs时所形成的高斯双脉冲激光束进行测量时，CCD光谱仪记录的光谱踪迹；

图6是对图5中的FROG光谱踪迹进行多次迭代恢复计算后获得的第一双脉冲激光及第二双脉冲激光的示意图；

图7是波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为15fs时所形成的高斯双脉冲激光束的电场、电场振幅及光强；

图8是采用本发明的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法对波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为15fs时所形成的高斯双脉冲激光束进行测量时，CCD光谱仪记录的光谱踪迹；

图9是对图8中的FROG光谱踪迹进行多次迭代恢复计算后获得的第一双脉冲激光及第二双脉冲激光的示意图。

具体实施方式

为了便于下文的描述，首先给出以下名词解释：

CCD：电荷耦合器件；

FROG：frequency resolved optical gating，频率分辨光学快门；一种测量超短脉冲的方法。

参照图1，本发明提供了一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器1、第一3dB光纤耦合器2、可调光延迟线31、外接光纤32、第二3dB光纤耦合器6、光纤聚焦透镜7、分束系统、凸透镜15、非线性晶体16、小孔光阑17、柱透镜18、CCD光谱仪19、控制终端20、待测微纳器件耦合系统21以及用于控制非线性晶体16进行转动的电动角位移台23；

所述外接光纤32包括第一外接光纤321和第二外接光纤322；所述非线性晶体16安装在电动角位移台23上；

所述飞秒激光器发出的脉冲激光束通过波长调谐器进行脉冲中心波长调节后，经光纤耦合器1耦合后通过单模光纤传输到第一3dB光纤耦合器2后分为两束激光脉冲，其中一束激光脉冲通过可调光延迟线31入射到第二3dB光纤耦合器6，另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤321、待测微纳器件耦合系统21及第二外接光纤322产生延时后入射到第二3dB光纤耦合器6，第二3dB光纤耦合器6将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，光纤聚焦透镜7将双脉冲激光进行扩束、准直后入射到分束系统处，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，通过凸透镜15会聚照射到非线性晶体16上，非线性晶体16产生和频信号光束，和频信号光束通过小孔光阑17照射到柱透镜18后会聚入射到CCD光谱仪19，CCD光谱仪19采集和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端20；两束激光脉冲中通过可调光延迟线31入射到第二3dB光纤耦合器6的激光脉冲所传输的光程与直接通过第一外接光纤321和第二外接光纤322入射到第二3dB光纤耦合器6的激光脉冲所传输的光程相等。

本发明的CCD光谱仪19指加装了CCD的光谱仪，和频信号光束会聚入射到CCD光谱仪19后，经过光谱仪进行分光，然后CCD采集和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端20。

由于光束在通过光纤进行传输时，光纤的色散将会引起脉冲波形展宽，可以采用以下措施消除光纤的色散带来的影响：

一、通过计算已接入的光纤的色散量，增加一定长度的色散补偿光纤(DCF)来使得总的色散量保持为零，避免脉冲时域波形的畸变；

二、直接采用色散位移光纤(DSF)来代替普通光纤，使得光纤色散引起的波形畸变可以忽略。

进一步作为优选的实施方式，所述分束系统包括直角棱镜8、第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜13及第六反射镜14；

所述直角棱镜8将准直入射的双脉冲激光分成反向传播的两束双脉冲激光，其中第一束双脉冲激光依次通过第一反射镜9及第二反射镜10反射后反向平行地返回，并经第三反射镜11反射后得到第一快门脉冲；其中第二束双脉冲激光依次通过第四反射镜12及第五反射镜13反射后反向平行地返回，并经第六反射镜14反射后得到第二快门脉冲；所述第一快门脉冲和第二快门脉冲均与入射的双脉冲激光平行且同方向，而且第一快门脉冲和第二快门脉冲不在同一直线上；

所述第一束双脉冲激光从直角棱镜8传播到第三反射镜11处的光程和第二束双脉冲激光从直角棱镜8传播到第六反射镜14处的光程相等。

进一步作为优选的实施方式，所述待测微纳器件耦合系统21包括待测微纳器件4和样品台5，所述待测微纳器件4安装在样品台5上，所述第一外接光纤321和第二外接光纤322分别垂直地耦合到待测微纳器件4两端的耦合光栅上。一般来说，现有技术的耦合系统还光学面包板、用于固定和夹持光纤的多维耦合调整台、电子目镜及照明光源等部件。本发明的待测微纳器件耦合系统21也可以直接采用现有技术中的任何一种耦合系统的结构。

进一步作为优选的实施方式，所述非线性晶体16采用BBO晶体。

进一步作为优选的实施方式，所述飞秒激光器采用飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过第一3dB光纤耦合器将其分为两束激光脉冲，将其中一束激光脉冲通过可调光延迟线输入到第二3dB光纤耦合器，将另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤及第二外接光纤后输入到第二3dB光纤耦合器，调节可调光延迟线，使得两束激光脉冲的光程一致；

S2、将待测微纳器件耦合系统直接耦合到第一外接光纤和第二外接光纤之间，待测微纳器件耦合系统对传输的激光脉冲产生延时后再输入到第二3dB光纤耦合器；这里，激光脉冲经过待测微纳器件耦合系统21时，待测微纳器件耦合系统21中的待测微纳器件4的光子-结构共振等属性会导致激光脉冲产生延时；

S3、采用第二3dB光纤耦合器将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，将双脉冲激光扩束、准直后入射到分束系统，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，将两束快门脉冲会聚照射到非线性晶体上；

S4、根据快门脉冲的波长以及快门脉冲照射到非线性晶体上的入射夹角，计算获得非线性晶体的相位匹配角；

S5、根据获得的相位匹配角，采用电动角位移台调整非线性晶体的角度，使得非线性晶体满足相位匹配条件从而产生和频信号光束，并将和频信号光束进行横向压缩会聚入射到CCD光谱仪；

S6、CCD光谱仪采集和频信号光束的光谱踪迹图像，并记录光谱踪迹值；

S7、采用主元素投影方法，通过迭代计算，计算出待测双脉冲激光的电场表达式，从而获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S7包括：

S701、设定双脉冲激光的初始电场表达式如下：

$E_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，E₀(t)表示双脉冲激光的电场，a、b表示电场振幅最大值对应项，c₁为与双脉冲激光的脉冲宽度相关的常数，d代表双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔，ω代表脉冲载频；

S702、根据双脉冲激光的初始电场表达式，获得与双脉冲激光对应的快门脉冲的初始电场表达式如下：

$g_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，g₀(t)表示快门脉冲的电场；

S703、根据双脉冲激光和快门脉冲的电场表达式计算获得双脉冲激光和快门脉冲的离散化的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{prob}}=[E_1,E_2,E_3,E_4,...,E_N]\\ E_{\mathrm{gate}}=[G_1,G_2,G_3,G_4,...,G_N]\end{array}\right.$

其中，N＝2ⁿ，n为自然数，E_prob表示双脉冲激光的离散化向量表达式，E₁,E₂,...,E_N分别表示E_prob的N个元素，E_gate表示快门脉冲的离散化向量表达式，G₁,G₂,...,G_N分别表示E_gate的N个元素；

S704、将E_prob转秩运算后与E_gate相乘，计算获得双脉冲激光的离散化向量表达式和快门脉冲的离散化向量表达式的外积矩阵I：

$I=\left[\begin{array}{cccccc}{E}_1{G}_1,& E_1{G}_2,& E_1{G}_3,& E_1{G}_4,& ...,& E_1{G}_N\\ E_2{G}_1,& E_2{G}_2,& E_2{G}_3,& E_2{G}_4,& ...,& E_2{G}_N\\ E_3{G}_1,& E_3{G}_2,& E_3{G}_3,& E_3{G}_4,& ...,& E_3{G}_N\\ E_4{G}_1,& E_4{G}_2,& E_4{G}_3,& E_4{G}_4,& ...,& E_4{G}_N\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ E_N{G}_1,& E_N{G}_2,& E_N{G}_3,& E_N{G}_4,& ...,& E_N{G}_N\end{array}\right]$

S705、将外积矩阵I的第k行的所有元素向左移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的右边，得到初始矩阵I₁如下：

其中，k为自然数，取值范围为1～N，τ为整数，取值范围为τ的值表示双脉冲激光相对于快门脉冲的延迟；

然后，将初始矩阵I₁的左右两侧部分移动到矩阵中心，相应地将中间部分移动到矩阵两侧，从而得到时域FROG矩阵I_Time FROG如下：

S706、对时域FROG矩阵I_Time FROG的每一列进行傅里叶变换后，将零频率部分移动到每一列的中心位置，从而得到模拟的FROG频谱踪迹矩阵；

S707、将CCD光谱仪记录的光谱踪迹值进行提取处理后得到一个N*N的测量FROG踪迹矩阵，结合测量FROG踪迹矩阵和模拟的FROG频谱踪迹矩阵计算得到修正矩阵后，根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束；

S708、对强度约束后的模拟的FROG频谱踪迹矩阵的每一列进行傅里叶逆变换后，将零频率部分移动到每一列的上部和下部，得到与模拟的FROG频谱踪迹矩阵对应的时域FROG踪迹矩阵；

S709、将时域FROG踪迹矩阵的第k行的所有元素向右移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的左边，从而得到一新的外积矩阵，并对获得的外积矩阵进行奇异值分解，从而获得双脉冲激光的电场表达式E(t)和快门脉冲的电场表达式g(t)；

S710、返回步骤S703进行迭代计算，直到满足迭代收敛条件后，根据此时获得的双脉冲激光的电场表达式，获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

进一步，所述步骤S710中所述迭代收敛条件为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TF}}={\left[\frac{1}{N^2}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)-I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)]}^2\right]}^{1/2}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{th}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，I_TF(ω_i,τ_j)表示某次迭代计算得到的模拟的FROG频谱踪迹矩阵，I_Measured(ω_i,τ_j)表示测量FROG踪迹矩阵，ε_TF表示将迭代生成的模拟的FROG频谱踪迹矩阵与测量FROG踪迹矩阵的差值平均分配到每一个矩阵元素的误差，ε_th表示预设的误差阈值，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。误差阈值ε_th可以根据用户需求或者多次实验值来设定，一般对于128*128的模拟的FROG频谱踪迹矩阵来说，误差阈值ε_th可以设定为1％。

进一步，所述S707中所述修正矩阵为：

$G_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}{I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。

进一步，所述步骤S707中所述根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束，其具体为：

将模拟的FROG频谱踪迹矩阵的第i行第j列的元素乘以修正矩阵的第i行第j列的元素后作为该元素的值，从而实现强度约束。

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例一

参照图1，一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器1、第一3dB光纤耦合器2、可调光延迟线31、外接光纤32、第二3dB光纤耦合器6、光纤聚焦透镜7、分束系统、凸透镜15、非线性晶体16、小孔光阑17、柱透镜18、CCD光谱仪19、控制终端20、待测微纳器件耦合系统21以及用于控制非线性晶体16进行转动的电动角位移台23；

外接光纤32包括第一外接光纤321和第二外接光纤322；非线性晶体16安装在电动角位移台23上；

飞秒激光器发出的脉冲激光束通过波长调谐器进行脉冲中心波长调节后，经光纤耦合器1耦合后通过单模光纤传输到第一3dB光纤耦合器2后分为两束激光脉冲，其中一束激光脉冲通过可调光延迟线31入射到第二3dB光纤耦合器6，另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤321、待测微纳器件耦合系统21及第二外接光纤322产生延时后入射到第二3dB光纤耦合器6，第二3dB光纤耦合器6将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，光纤聚焦透镜7将双脉冲激光进行扩束、准直后入射到分束系统处，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，通过凸透镜15会聚照射到非线性晶体16上，非线性晶体16产生和频信号光束，和频信号光束通过小孔光阑17照射到柱透镜18后会聚入射到CCD光谱仪19，CCD光谱仪19采集和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端20；

两束激光脉冲中通过可调光延迟线31入射到第二3dB光纤耦合器6的激光脉冲所传输的光程与直接通过第一外接光纤321和第二外接光纤322入射到第二3dB光纤耦合器6的激光脉冲所传输的光程相等。

两束快门脉冲会聚照射到非线性晶体16后，非线性晶体16满足相位匹配条件时产生和频信号光束照射到小孔光阑17处，另外，还有一部分快门脉冲也会照射到小孔光阑17，通过小孔光阑17可以将快门脉冲滤除，只控制和频信号光束透过小孔光阑17，然后通过柱透镜18将和频信号光束沿图1中的竖直方向进行压缩后入射到CCD光谱仪19分光并进行测量。CCD光谱仪19可以采集和频信号光束的光谱踪迹图像，将和频信号光束转换成时间、频率的二维分布。

分束系统可以采用多种实施方案，只要能将双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲即可，这里两束快门脉冲的光程一样，电场表达式也一样。优选的，本实施例的分束系统包括直角棱镜8、第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜13及第六反射镜14；

直角棱镜8将准直入射的双脉冲激光分成反向传播的两束双脉冲激光，其中第一束双脉冲激光依次通过第一反射镜9及第二反射镜10反射后反向平行地返回，并经第三反射镜11反射后得到第一快门脉冲；其中第二束双脉冲激光依次通过第四反射镜12及第五反射镜13反射后反向平行地返回，并经第六反射镜14反射后得到第二快门脉冲；第一快门脉冲和第二快门脉冲均与入射的双脉冲激光平行且同方向，而且第一快门脉冲和第二快门脉冲不在同一直线上；

第一束双脉冲激光从直角棱镜8传播到第三反射镜11处的光程和第二束双脉冲激光从直角棱镜8传播到第六反射镜14处的光程相等。

为了使得第一束双脉冲激光从直角棱镜8传播到第三反射镜11处的光程和第二束双脉冲激光从直角棱镜8传播到第六反射镜14处的光程相等，可以将外接光纤32的端面遮挡，仅让经过可调光学延迟线31的激光脉冲从光纤聚焦透镜出射进入分束系统，固定第一反射镜9及第二反射镜10，将第四反射镜12及第五反射镜13安装在电动位移台22上，通过在图1中所示的双箭头方向上移动电动位移台22从而带动第四反射镜12及第五反射镜13进行移动，结合CCD光谱仪采集的光谱图像判断两束双脉冲激光传输的光程是否相等，当CCD光谱仪采集的光谱图像中的光谱踪迹对称地分布在中心频谱附近时，则判断两束双脉冲激光传输的光程相等。

本实施例中，待测微纳器件耦合系统21包括待测微纳器件4和样品台5，待测微纳器件4安装在样品台5上，第一外接光纤321和第二外接光纤322分别垂直地耦合到待测微纳器件4两端的耦合光栅上。

非线性晶体16用于产生倍频、和频、三倍频等信号，本实施例中采用的是非线性晶体16产生的和频信号，本实施例中，非线性晶体16优选采用BBO晶体。

飞秒激光器采用飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器，一般用于产生4W、800nm的高功率飞秒激光束。波长调谐器用于对飞秒激光器发射的脉冲激光束进行脉冲中心波长调制，即进行波长变换，从而得到特定波长的飞秒激光脉冲，以适应不同待测微纳器件4的需求。

本实施例中第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜13及第六反射镜14共六个反射镜均采用低色散飞秒专用反射镜。实施例二

一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过第一3dB光纤耦合器将其分为两束激光脉冲，将其中一束激光脉冲通过可调光延迟线输入到第二3dB光纤耦合器，将另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤及第二外接光纤后输入到第二3dB光纤耦合器，调节可调光延迟线，使得两束激光脉冲的光程一致。

S2、将待测微纳器件耦合系统直接耦合到第一外接光纤和第二外接光纤之间，待测微纳器件耦合系统对传输的激光脉冲产生延时后再输入到第二3dB光纤耦合器。

S3、采用第二3dB光纤耦合器将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，将双脉冲激光扩束、准直后入射到分束系统，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，将两束快门脉冲会聚照射到非线性晶体上；

分束系统的具体光学结构及光路调整方式可以参照实施例一以及图1，这里不再详细论述。

S4、根据快门脉冲的波长以及快门脉冲照射到非线性晶体上的入射夹角，计算获得非线性晶体的相位匹配角。

S5、根据获得的相位匹配角，采用电动角位移台调整非线性晶体的角度，使得非线性晶体满足相位匹配条件从而产生和频信号光束，并将和频信号光束进行横向压缩会聚入射到CCD光谱仪；

本发明的非线性晶体指非线性光学晶体，当脉冲激光束通过非线性晶体时，非线性晶体的内部极化场的非线性响应会对光波产生反作用，并能产生频率在入射光波的和频(即二次谐波)、差频处的谐波等高次谐波信号出射，非线性晶体的折射率椭球示意图如图2所示，非线性晶体在两束入射光线非共线的情况下的非线性和频过程的动量匹配如图3所示。

对于非线性晶体来说，当入射到非线性晶体上的光束的波长改变时，需要更换非线性晶体或手动调节非线性晶体，才能满足相位匹配条件，这在实际测量中较为不便。本步骤直接根据入射到非线性晶体上的快门脉冲的入射角、快门脉冲的偏振态、快门脉冲的波长、要产生的和频信号光束的偏振态及波长可以计算出非线性晶体的相位匹配角。本实施例中为了不失一般性，假设快门脉冲的偏振态为水平偏振，在非线性晶体中即成为o光，和频信号光束的偏振态为竖直偏振即e光，根据快门脉冲的波长以及快门脉冲照射到非线性晶体上的入射夹角就可以计算得出非线性晶体的相位匹配角，从而采用电动角位移台根据该相位匹配角调整非线性晶体的倾斜角度，使其满足相位匹配条件。

本实施例，在搭建好光路之后，例如搭建好图1中所示的测试光路后，只要对非线性晶体进行一次校准安装，并将该倾斜角度位置设为非线性晶体的初始位置后，以后每次进行测量就不再需要对非线性晶体进行人工手动调节，克服了手动调节非线性晶体的困难，可以实现自动化测量调整。

S6、CCD光谱仪采集和频信号光束的光谱踪迹图像，并记录光谱踪迹值。

采用本测量方法对波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为9fs时所形成的高斯双脉冲激光束进行测量时，CCD光谱仪记录的光谱踪迹如图5所示，采用本测量方法对波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为15fs时所形成的高斯双脉冲激光束进行测量时，CCD光谱仪记录的光谱踪迹值如图8所示。

S7、采用主元素投影方法，通过迭代计算，计算出待测双脉冲激光的电场表达式，从而获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

采用主元素投影方法来迭代计算待测双脉冲激光的电场表达式，具有收敛快速、抗噪声干扰能力强的特点，步骤S7具体包括：

S701、设定双脉冲激光的初始电场表达式如下：

$E_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，E₀(t)表示双脉冲激光的电场，a、b表示电场振幅最大值对应项，c₁为与双脉冲激光的脉冲宽度相关的常数，d代表双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔，ω代表脉冲载频；

S702、根据双脉冲激光的初始电场表达式，获得与双脉冲激光对应的快门脉冲的初始电场表达式如下：

$g_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，g₀(t)表示快门脉冲的电场；

S703、根据双脉冲激光和快门脉冲的电场表达式计算获得双脉冲激光和快门脉冲的离散化的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{prob}}=[E_1,E_2,E_3,E_4,...,E_N]\\ E_{\mathrm{gate}}=[G_1,G_2,G_3,G_4,...,G_N]\end{array}\right.$

其中，N＝2ⁿ，n为自然数，E_prob表示双脉冲激光的离散化向量表达式，E₁,E₂,...,E_N分别表示E_prob的N个元素，E_gate表示快门脉冲的离散化向量表达式，G₁,G₂,...,G_N分别表示E_gate的N个元素；

S704、将E_prob转秩运算后与E_gate相乘，计算获得双脉冲激光的离散化向量表达式和快门脉冲的离散化向量表达式的外积矩阵I：

$I=\left[\begin{array}{cccccc}{E}_1{G}_1,& E_1{G}_2,& E_1{G}_3,& E_1{G}_4,& ...,& E_1{G}_N\\ E_2{G}_1,& E_2{G}_2,& E_2{G}_3,& E_2{G}_4,& ...,& E_2{G}_N\\ E_3{G}_1,& E_3{G}_2,& E_3{G}_3,& E_3{G}_4,& ...,& E_3{G}_N\\ E_4{G}_1,& E_4{G}_2,& E_4{G}_3,& E_4{G}_4,& ...,& E_4{G}_N\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ E_N{G}_1,& E_N{G}_2,& E_N{G}_3,& E_N{G}_4,& ...,& E_N{G}_N\end{array}\right]$

S705、将外积矩阵I的第k行的所有元素向左移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的右边，得到初始矩阵I₁如下：

其中，k为自然数，取值范围为1～N，τ为整数，取值范围为τ的值表示双脉冲激光相对于快门脉冲的延迟；

然后，将初始矩阵I₁的左右两侧部分移动到矩阵中心，相应地将中间部分移动到矩阵两侧，从而得到时域FROG矩阵I_Time FROG如下：

将初始矩阵I₁的左右两侧部分移动到矩阵中心，相应地将中间部分移动到矩阵两侧的上述移动操作，相当于对初始矩阵I₁的每一列执行MATLAB中的fftshift运算，从而将两侧的延迟时间量τ接近零的列移动到矩阵中心，而将原来位于矩阵中心的对应于延迟时间量τ接近正向和负向最大值的列移动到矩阵的两侧；

S706、对时域FROG矩阵I_Time FROG的每一列进行傅里叶变换后，将零频率部分移动到每一列的中心位置，从而得到模拟的FROG频谱踪迹矩阵；将零频率部分移动到每一列的中心位置实际上可以通过执行MATLAB中的fftshift运算来实现；

S707、将CCD光谱仪记录的光谱踪迹值进行提取处理后得到一个N*N的测量FROG踪迹矩阵，结合测量FROG踪迹矩阵和模拟的FROG频谱踪迹矩阵计算得到修正矩阵后，根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束；

S707中修正矩阵为：

$G_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}{I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间；

根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束，具体为：将模拟的FROG频谱踪迹矩阵的第i行第j列的元素乘以修正矩阵的第i行第j列的元素后作为该元素的值，从而实现强度约束。

S708、对强度约束后的模拟的FROG频谱踪迹矩阵的每一列进行傅里叶逆变换后，将零频率部分移动到每一列的上部和下部，得到与模拟的FROG频谱踪迹矩阵对应的时域FROG踪迹矩阵；将零频率部分移动到每一列的上部和下部实际上相当于执行MATLAB中的ifftshift运算；

S709、将时域FROG踪迹矩阵的第k行的所有元素向右移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的左边，从而得到一新的外积矩阵，并对获得的外积矩阵进行奇异值分解，从而获得双脉冲激光的电场表达式E(t)和快门脉冲的电场表达式g(t)；奇异值分解可以采用MATLAB的SVD函数来实现；

S710、返回步骤S703进行迭代计算，直到满足迭代收敛条件后，根据此时获得的双脉冲激光的电场表达式，获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。因为光强为电场的平方，获得双脉冲激光的电场表达式后，即可获得其光强表达式，从而获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

本步骤中迭代收敛条件为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TF}}={\left[\frac{1}{N^2}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)-I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)]}^2\right]}^{1/2}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{th}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，I_TF(ω_i,τ_j)表示某次迭代计算得到的模拟的FROG频谱踪迹矩阵，I_Measured(ω_i,τ_j)表示测量FROG踪迹矩阵，ε_TF表示将迭代生成的模拟的FROG频谱踪迹矩阵与测量FROG踪迹矩阵的差值平均分配到每一个矩阵元素的误差，ε_th表示预设的误差阈值，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。

采用本测量方法对波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为9fs的高斯双脉冲激光束进行测量后获得的FROG光谱踪迹如图5所示，对图5中的FROG光谱踪迹进行多次迭代恢复计算后获得的第一双脉冲激光、第二双脉冲激光的示意图如图6所示，由图6可知获得的第一双脉冲激光和第二双脉冲激光的光强峰值之间的时间差值分别为8.8fs、9.2fs；而采用本测量方法对波长为1550nm、脉宽为10fs、由微纳器件带来的延迟时间为15fs的高斯双脉冲激光束进行测量后获得的FROG光谱踪迹如图8所示，对图8中的FROG光谱踪迹进行多次迭代恢复计算后获得的第一双脉冲激光、第二双脉冲激光的示意图如图9所示，由图9可知获得的第一双脉冲激光和第二双脉冲激光的光强峰值之间的时间差值分别为15fs、15.2fs；由图6和图9可以看出，本测量方法可以精确地测量双脉冲激光的双脉冲峰值之间的时间间隔，即通过实验测量获得待测微纳器件的延迟时间。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，其特征在于，包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器(1)、第一3dB光纤耦合器(2)、可调光延迟线(31)、外接光纤(32)、第二3dB光纤耦合器(6)、光纤聚焦透镜(7)、分束系统、凸透镜(15)、非线性晶体(16)、小孔光阑(17)、柱透镜(18)、CCD光谱仪(19)、控制终端(20)、待测微纳器件耦合系统(21)以及用于控制非线性晶体(16)进行转动的电动角位移台(23)；

所述外接光纤(32)包括第一外接光纤(321)和第二外接光纤(322)；所述非线性晶体(16)安装在电动角位移台(23)上；

所述飞秒激光器发出的脉冲激光束通过波长调谐器进行脉冲中心波长调节后，经光纤耦合器(1)耦合后通过单模光纤传输到第一3dB光纤耦合器(2)后分为两束激光脉冲，其中一束激光脉冲通过可调光延迟线(31)入射到第二3dB光纤耦合器(6)，另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤(321)、待测微纳器件耦合系统(21)及第二外接光纤(322)产生延时后入射到第二3dB光纤耦合器(6)，第二3dB光纤耦合器(6)将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，光纤聚焦透镜(7)将双脉冲激光进行扩束、准直后入射到分束系统处，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，通过凸透镜(15)会聚照射到非线性晶体(16)上，非线性晶体(16)产生和频信号光束，和频信号光束通过小孔光阑(17)照射到柱透镜(18)后会聚入射到CCD光谱仪(19)，CCD光谱仪(19)采集和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端(20)；

两束激光脉冲中通过可调光延迟线(31)入射到第二3dB光纤耦合器(6)的激光脉冲所传输的光程与直接通过第一外接光纤(321)和第二外接光纤(322)入射到第二3dB光纤耦合器(6)的激光脉冲所传输的光程相等。

2.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，其特征在于，所述分束系统包括直角棱镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第三反射镜(11)、第四反射镜(12)、第五反射镜(13)及第六反射镜(14)；

所述直角棱镜(8)将准直入射的双脉冲激光分成反向传播的两束双脉冲激光，其中第一束双脉冲激光依次通过第一反射镜(9)及第二反射镜(10)反射后反向平行地返回，并经第三反射镜(11)反射后得到第一快门脉冲；其中第二束双脉冲激光依次通过第四反射镜(12)及第五反射镜(13)反射后反向平行地返回，并经第六反射镜(14)反射后得到第二快门脉冲；所述第一快门脉冲和第二快门脉冲均与入射的双脉冲激光平行且同方向，而且第一快门脉冲和第二快门脉冲不在同一直线上；

所述第一束双脉冲激光从直角棱镜(8)传播到第三反射镜(11)处的光程和第二束双脉冲激光从直角棱镜(8)传播到第六反射镜(14)处的光程相等。

3.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，其特征在于，所述待测微纳器件耦合系统(21)包括待测微纳器件(4)和样品台(5)，所述待测微纳器件(4)安装在样品台(5)上，所述第一外接光纤(321)和第二外接光纤(322)分别垂直地耦合到待测微纳器件(4)两端的耦合光栅上。

4.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，其特征在于，所述非线性晶体(16)采用BBO晶体。

5.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置，其特征在于，所述飞秒激光器采用飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器。

6.一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，其特征在于，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过第一3dB光纤耦合器将其分为两束激光脉冲，将其中一束激光脉冲通过可调光延迟线输入到第二3dB光纤耦合器，将另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤及第二外接光纤后输入到第二3dB光纤耦合器，调节可调光延迟线，使得两束激光脉冲的光程一致；

S2、将待测微纳器件耦合系统直接耦合到第一外接光纤和第二外接光纤之间，待测微纳器件耦合系统对传输的激光脉冲产生延时后再输入到第二3dB光纤耦合器；

S3、采用第二3dB光纤耦合器将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光，将双脉冲激光扩束、准直后入射到分束系统，分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后，将两束快门脉冲会聚照射到非线性晶体上；

S4、根据快门脉冲的波长以及快门脉冲照射到非线性晶体上的入射夹角，计算获得非线性晶体的相位匹配角；

S5、根据获得的相位匹配角，采用电动角位移台调整非线性晶体的角度，使得非线性晶体满足相位匹配条件从而产生和频信号光束，并将和频信号光束进行横向压缩会聚入射到CCD光谱仪；

S6、CCD光谱仪采集和频信号光束的光谱踪迹图像，并记录光谱踪迹值；

S7、采用主元素投影方法，通过迭代计算，计算出待测双脉冲激光的电场表达式，从而获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

7.根据权利要求6所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

S701、设定双脉冲激光的初始电场表达式如下：

$E_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，E₀(t)表示双脉冲激光的电场，a、b表示电场振幅最大值对应项，c₁为与双脉冲激光的脉冲宽度相关的常数，d代表双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔，ω代表脉冲载频；

S702、根据双脉冲激光的初始电场表达式，获得与双脉冲激光对应的快门脉冲的初始电场表达式如下：

$g_0\left(t\right)=\{a\·\exp (-{\left(\frac{t}{c_1}\right)}^2)+b\·\exp (-{\left(\frac{t-d}{c_1}\right)}^2)\}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

其中，g₀(t)表示快门脉冲的电场；

S703、根据双脉冲激光和快门脉冲的电场表达式计算获得双脉冲激光和快门脉冲的离散化的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{prob}}=[E_1,E_2,E_3,E_4,...,E_N]\\ E_{\mathrm{gate}}=[G_1,G_2,G_3,G_4,...,G_N]\end{array}\right.$

其中，N＝2ⁿ，n为自然数，E_prob表示双脉冲激光的离散化向量表达式，E₁,E₂,...,E_N分别表示E_prob的N个元素，E_gate表示快门脉冲的离散化向量表达式，G₁,G₂,...,G_N分别表示E_gate的N个元素；

S704、将E_prob转秩运算后与E_gate相乘，计算获得双脉冲激光的离散化向量表达式和快门脉冲的离散化向量表达式的外积矩阵I：

$I=\left[\begin{array}{cccccc}{E}_1{G}_1,& E_1{G}_2,& E_1{G}_3,& E_1{G}_4,& ...,& E_1{G}_N\\ E_2{G}_1,& E_2{G}_2,& E_2{G}_3,& E_2{G}_4,& ...,& E_2{G}_N\\ E_3{G}_1,& E_3{G}_2,& E_3{G}_3,& E_3{G}_4,& ...,& E_3{G}_N\\ E_4{G}_1,& E_4{G}_2,& E_4{G}_3,& E_4{G}_4,& ...,& E_4{G}_N\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& ...& .\\ E_N{G}_1,& E_N{G}_2,& E_N{G}_3,& E_N{G}_4,& ...,& E_N{G}_N\end{array}\right]$

S705、将外积矩阵I的第k行的所有元素向左移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的右边，得到初始矩阵I₁如下：

其中，k为自然数，取值范围为1～N，τ为整数，取值范围为τ的值表示双脉冲激光相对于快门脉冲的延迟；

然后，将初始矩阵I₁的左右两侧部分移动到矩阵中心，相应地将中间部分移动到矩阵两侧，从而得到时域FROG矩阵I_Time FROG如下：

S706、对时域FROG矩阵I_Time FROG的每一列进行傅里叶变换后，将零频率部分移动到每一列的中心位置，从而得到模拟的FROG频谱踪迹矩阵；

S707、将CCD光谱仪记录的光谱踪迹值进行提取处理后得到一个N*N的测量FROG踪迹矩阵，结合测量FROG踪迹矩阵和模拟的FROG频谱踪迹矩阵计算得到修正矩阵后，根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束；

S708、对强度约束后的模拟的FROG频谱踪迹矩阵的每一列进行傅里叶逆变换后，将零频率部分移动到每一列的上部和下部，得到与模拟的FROG频谱踪迹矩阵对应的时域FROG踪迹矩阵；

S709、将时域FROG踪迹矩阵的第k行的所有元素向右移动k-1个位置，并将溢出的部分依次移动到该行的左边，从而得到一新的外积矩阵，并对获得的外积矩阵进行奇异值分解，从而获得双脉冲激光的电场表达式E(t)和快门脉冲的电场表达式g(t)；

S710、返回步骤S703进行迭代计算，直到满足迭代收敛条件后，根据此时获得的双脉冲激光的电场表达式，获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。

8.根据权利要求7所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，其特征在于，所述步骤S710中所述迭代收敛条件为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TF}}={\left[\frac{1}{N^2}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)-I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)]}^2\right]}^{1/2}\≤{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{th}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，I_TF(ω_i,τ_j)表示某次迭代计算得到的模拟的FROG频谱踪迹矩阵，I_Measured(ω_i,τ_j)表示测量FROG踪迹矩阵，ε_TF表示将迭代生成的模拟的FROG频谱踪迹矩阵与测量FROG踪迹矩阵的差值平均分配到每一个矩阵元素的误差，ε_th表示预设的误差阈值，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。

9.根据权利要求7所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，其特征在于，所述S707中所述修正矩阵为：

$G_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{Measured}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}{I_{\mathrm{TF}}({\mathrm{\ω}}_i,{\mathrm{\τ}}_j)}}$

其中，i、j均为自然数，取值范围为1～N，ω_i代表纵坐标上的第i个元素的角频率值，τ_j代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。

10.根据权利要求9所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法，其特征在于，所述步骤S707中所述根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束，其具体为：

将模拟的FROG频谱踪迹矩阵的第i行第j列的元素乘以修正矩阵的第i行第j列的元素后作为该元素的值，从而实现强度约束。