CN104121995A - 一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置及方法，该装置包括飞秒激光器、波长调谐器、第一小孔光阑、分束镜、参考光调节系统、信号光调节系统、非线性晶体、第二小孔光阑、光电探测器、锁相放大器、信号处理模块、控制终端、用于控制非线性晶体进行转动的电动角位移台以及用于控制参考光束调节系统进行移动的电动位移台。本装置将脉冲激光束通过分束镜分为两束一样的脉冲激光束，分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上使其产生和频信号光束，然后采集和频信号光束并进行信号处理后发送到控制终端测量得到脉冲激光束的时域宽度。本发明测量效率高而且测量成本低，可广泛应用于飞秒脉冲时域宽度的测量领域中。

Description

一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置和方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，特别是一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置和方法。

背景技术

随着激光的诞生，激光脉冲的测量技术随之出现。其中，对脉冲激光的单脉冲时域宽度的测量尤为重要。在激光出现之前，对微小时间间隔的准确测量能力非常有限，一般不到10纳秒(10^-9s)。1960年，世界上第一台红宝石激光器产生的激光脉冲宽度约数毫秒(10^-3s)，一年之后采用新技术生成的脉冲的宽度达到了数十纳秒(10^-8s)。因此，时间间隔的测量可以利用光电探测器加上普通的电子示波器直接测量来实现。虽然目前光电探测器的响应时间可达到皮秒量级，但因为多种因素的影响，即使采用如此高响应时间的探测器,光电直接测量的时间间隔测量能力仍然只有数百皮秒量级。而对于更小的时间间隔或者时域上更短的光、电信号，需要使用特殊的快响应光电探测器结合快响应示波器等先进设备来测量。

但是，随着脉冲激光技术的进步，脉冲宽度快速缩短，原有的测量方法远不能满足要求。美国的科技公司泰克等开发出大型的测量设备，如高速示波器、条纹相机，测量精度分别达到了10ps和1ps(10^-12s)量级，但是这些设备的极大缺点是：体积庞大、造价昂贵、安装和维护非常复杂，导致对微小时间间隔的测量效率低下且测量成本高。

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用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，本发明的另一目的是提供一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、第一小孔光阑、分束镜、参考光调节系统、信号光调节系统、非线性晶体、第二小孔光阑、光电探测器、锁相放大器、信号处理模块、控制终端、用于控制非线性晶体进行转动的电动角位移台以及用于控制参考光束调节系统进行移动的电动位移台，所述飞秒激光器还包括计时延迟发生器；

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，依次通过第一小孔光阑及分束镜后分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束，所述参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠照射到非线性晶体上使得非线性晶体产生和频信号光束，和频信号光束通过第二小孔光阑照射到光电探测器上，光电探测器在和频信号光束的照射下产生光电流并输入到锁相放大器的电流输入端，所述飞秒激光器的计时延迟发生器的同步信号输出端与锁相放大器的参考信号输入端连接，所述锁相放大器的输出端通过信号处理模块与控制终端连接；

所述电动位移台及电动角位移台均与控制终端连接。

进一步，所述电动位移台包括驱动控制模块和移动主体，所述驱动控制模块分别与移动主体及控制终端连接，所述参考光调节系统包括第三小孔光阑、第三反射镜以及安装在移动主体上的第一反射镜及第二反射镜；

所述信号光调节系统包括第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜，所述用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置还包括第八反射镜；

所述参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑、第一反射镜及第二反射镜后反向平行地返回并经第三反射镜反射后得到的脉冲光束，以及所述信号脉冲光束依次经第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜反射后得到的脉冲光束均照射到第八反射镜并经第八反射镜反射后交叠入射到非线性晶体上。

进一步，所述第一小孔光阑和分束镜中间还依次设置有半波片及格兰棱镜。

进一步，所述光电探测器采用硅基探测器，所述信号处理模块采用数字万用表。

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。

进一步，所述电动位移台是采用丝路咖精机公司的高分辨步进电机驱动的。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过分束镜将其分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束；

S2、将参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上；

S3、根据参考脉冲光束和信号脉冲光束的波长以及参考脉冲光束和信号脉冲光束入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；

S4、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照射到光电探测器上；

S5、按照预设扫描速度参数驱动电动位移台进行移动从而驱动参考光束调节系统在参考脉冲光束的入射方向上来回移动，同时按照预设采样时间间隔实时地采集光电探测器在和频信号光束的照射下产生的光电流；

S6、将实时采集的光电流进行滤波、稳频及数字化处理后得到实时数字电压值并发送到控制终端，控制终端结合预设扫描速度参数及预设采样时间间隔获得采样时间标度后，根据实时数字电压值和采样时间标度绘制得到参考脉冲光束和信号脉冲光束之间的自相关曲线并对该自相关曲线进行曲线拟合；

S7、获得拟合后的自相关曲线的宽度，进而根据入射的脉冲激光束的半高全宽与自相关曲线的宽度之间的关系，计算得到脉冲激光束的时域宽度。

进一步，所述电动位移台包括驱动控制模块和移动主体，所述驱动控制模块分别与移动主体及控制终端连接，所述参考光调节系统包括第三小孔光阑、第三反射镜以及安装在移动主体上的第一反射镜及第二反射镜；所述信号光调节系统包括第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜；所述步骤S2，其具体为：

将参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑、第一反射镜及第二反射镜后反向平行地返回并经第三反射镜反射后得到的脉冲光束以及信号脉冲光束依次经第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜反射后得到的脉冲光束均进行反射后再交叠入射到非线性晶体上。

进一步，所述扫描速度参数包括每秒的驱动脉冲数、驱动倍率及单脉冲驱动位移量，所述采样时间标度是根据下式计算获得的：

$T=\frac{{2\mathrm{mNS}}_0{t}_0}{c}$

其中，T表示采样时间标度，m表示每秒的驱动脉冲数，N表示驱动倍率，S₀表示单脉冲驱动位移量，t₀表示预设采样时间间隔，c表示光速。

本发明的有益效果是：本发明的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、第一小孔光阑、分束镜、参考光调节系统、信号光调节系统、非线性晶体、第二小孔光阑、光电探测器、锁相放大器、信号处理模块、控制终端、用于控制非线性晶体进行转动的电动角位移台以及用于控制参考光束调节系统进行移动的电动位移台，本装置通过将脉冲激光束通过分束镜分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束后，分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上使其产生和频信号光束，然后通过光电探测器采集和频信号光束并进行信号处理后发送到控制终端，进而可以测量得到待测的飞秒脉冲激光束的时域宽度。本装置体积小、造价较低、维护方便，测量效率高而且测量成本低，可用于测量各种微小时间间隔。

本发明的另一有益效果是：本发明的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，将脉冲激光束通过分束镜分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束后，分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上使其产生和频信号光束，然后按照预设扫描速度参数驱动电动位移台进行移动从而驱动参考光束调节系统在参考脉冲光束的入射方向上来回移动，同时按照预设采样时间间隔实时地采集光电探测器在和频信号光束的照射下产生的光电流并进行处理后得到参考脉冲光束和信号脉冲光束之间的自相关曲线并对该自相关曲线进行曲线拟合，进而可根据拟合后的自相关曲线的宽度计算得到脉冲激光束的时域宽度，本方法测量效率高且测量成本低，可测量各种微小时间间隔。

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是本发明的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置的结构示意图；

图2是采用本发明的测量飞秒脉冲时域宽度的方法对1550nm的脉冲激光束进行测试时获得的自相关曲线、拟合后的自相关曲线和拟合出的脉冲激光束的示意图；

图3是脉冲激光束的半高全宽与自相关曲线的宽度之间的关系列表；

图4是非线性晶体中的折射率椭球示意图；

图5是非线性晶体在共线情况下的相位匹配条件列表；

图6是非线性晶体在非共线情况下的非线性和频过程的动量匹配示意图；

图7是非线性晶体的相位匹配角的典型值的计算结果。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、第一小孔光阑1、分束镜4、参考光调节系统、信号光调节系统、非线性晶体15、第二小孔光阑17、光电探测器18、锁相放大器21、信号处理模块22、控制终端23、用于控制非线性晶体15进行转动的电动角位移台16以及用于控制参考光束调节系统进行移动的电动位移台，所述飞秒激光器还包括计时延迟发生器24；

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，依次通过第一小孔光阑1及分束镜4后分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束，所述参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠照射到非线性晶体15上使得非线性晶体15产生和频信号光束，和频信号光束通过第二小孔光阑17照射到光电探测器18上，光电探测器18在和频信号光束的照射下产生光电流并输入到锁相放大器21的电流输入端，所述飞秒激光器的计时延迟发生器24的同步信号输出端与锁相放大器21的参考信号输入端连接，所述锁相放大器21的输出端通过信号处理模块22与控制终端23连接；

所述电动位移台及电动角位移台16均与控制终端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述电动位移台包括驱动控制模块19和移动主体20，所述驱动控制模块19分别与移动主体20及控制终端23连接，所述参考光调节系统包括第三小孔光阑5、第三反射镜8以及安装在移动主体20上的第一反射镜6及第二反射镜7；

所述信号光调节系统包括第四小孔光阑9、第四反射镜10、第五反射镜11、第六反射镜12及第七反射镜13，所述用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置还包括第八反射镜14；

所述参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑5、第一反射镜6及第二反射镜7后反向平行地返回并经第三反射镜8反射后得到的脉冲光束，以及所述信号脉冲光束依次经第四小孔光阑9、第四反射镜10、第五反射镜11、第六反射镜12及第七反射镜13反射后得到的脉冲光束均照射到第八反射镜14并经第八反射镜14反射后交叠入射到非线性晶体15上。

进一步作为优选的实施方式，所述第一小孔光阑1和分束镜4中间还依次设置有半波片2及格兰棱镜3。

进一步作为优选的实施方式，所述光电探测器18采用硅基探测器，所述信号处理模块22采用数字万用表。

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。

进一步作为优选的实施方式，所述电动位移台是采用丝路咖精机公司的高分辨步进电机驱动的。

本发明还提供了一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过分束镜将其分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束；

S2、将参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上；

S3、根据参考脉冲光束和信号脉冲光束的波长以及参考脉冲光束和信号脉冲光束入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；

S4、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照射到光电探测器上；

S5、按照预设扫描速度参数驱动电动位移台进行移动从而驱动参考光束调节系统在参考脉冲光束的入射方向上来回移动，同时按照预设采样时间间隔实时地采集光电探测器在和频信号光束的照射下产生的光电流；

S6、将实时采集的光电流进行滤波、稳频及数字化处理后得到实时数字电压值并发送到控制终端，控制终端结合预设扫描速度参数及预设采样时间间隔获得采样时间标度后，根据实时数字电压值和采样时间标度绘制得到参考脉冲光束和信号脉冲光束之间的自相关曲线并对该自相关曲线进行曲线拟合；

S7、获得拟合后的自相关曲线的宽度，进而根据入射的脉冲激光束的半高全宽与自相关曲线的宽度之间的关系，计算得到脉冲激光束的时域宽度。

进一步作为优选的实施方式，所述电动位移台包括驱动控制模块和移动主体，所述驱动控制模块分别与移动主体及控制终端连接，所述参考光调节系统包括第三小孔光阑、第三反射镜以及安装在移动主体上的第一反射镜及第二反射镜；所述信号光调节系统包括第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜；所述步骤S2，其具体为：

将参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑、第一反射镜及第二反射镜后反向平行地返回并经第三反射镜反射后得到的脉冲光束以及信号脉冲光束依次经第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜反射后得到的脉冲光束均进行反射后再交叠入射到非线性晶体上。

进一步作为优选的实施方式，所述扫描速度参数包括每秒的驱动脉冲数、驱动倍率及单脉冲驱动位移量，所述采样时间标度是根据下式计算获得的：

$T=\frac{{2\mathrm{mNS}}_0{t}_0}{c}$

其中，T表示采样时间标度，m表示每秒的驱动脉冲数，N表示驱动倍率，S₀表示单脉冲驱动位移量，t₀表示预设采样时间间隔，c表示光速。

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1，一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，包括飞秒激光器、波长调谐器、第一小孔光阑1、分束镜4、参考光调节系统、信号光调节系统、非线性晶体15、第二小孔光阑17、光电探测器18、锁相放大器21、信号处理模块22、控制终端23、用于控制非线性晶体15进行转动的电动角位移台16以及用于控制参考光束调节系统进行移动的电动位移台，飞秒激光器还包括计时延迟发生器24；

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，依次通过第一小孔光阑1及分束镜4后分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束，参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠照射到非线性晶体15上使得非线性晶体15产生和频信号光束，和频信号光束通过第二小孔光阑17照射到光电探测器18上，光电探测器18在和频信号光束的照射下产生光电流并输入到锁相放大器21的电流输入端，飞秒激光器的计时延迟发生器24的同步信号输出端与锁相放大器21的参考信号输入端连接，锁相放大器21的输出端通过信号处理模块22与控制终端23连接；

电动位移台及电动角位移台16均与控制终端连接。

优选的，参照图1中所示，本实施例中，电动位移台包括驱动控制模块19和移动主体20，驱动控制模块19分别与移动主体20及控制终端23连接，参考光调节系统包括第三小孔光阑5、第三反射镜8以及安装在移动主体20上的第一反射镜6及第二反射镜7；移动主体20以及安装在移动主体20上的第一反射镜6及第二反射镜7构成可调光学延迟线25，通过调节可调光学延迟线可以调整参考信号光束的延迟时间；

信号光调节系统包括第四小孔光阑9、第四反射镜10、第五反射镜11、第六反射镜12及第七反射镜13，本测量飞秒脉冲时域宽度的装置还包括第八反射镜14；

参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑5、第一反射镜6及第二反射镜7后反向平行地返回并经第三反射镜8反射后得到的脉冲光束，以及信号脉冲光束依次经第四小孔光阑9、第四反射镜10、第五反射镜11、第六反射镜12及第七反射镜13反射后得到的脉冲光束均照射到第八反射镜14并经第八反射镜14反射后交叠入射到非线性晶体15上。通过第八反射镜14将脉冲光束反射后交叠入射到非线性晶体15上，可以在不进行透镜聚焦的情况下实现脉冲光束在非线性晶体15上的交叠，可以大大降低非线性晶体15上的激光功率密度，提高可测量激光功率的阈值。

第一小孔光阑1和分束镜4中间还依次设置有半波片2及格兰棱镜3，半波片2的作用是使得为线偏振光的脉冲激光束的偏振面转动，而格兰棱镜3可以将线偏振光分成两正交偏振光，因此，半波片2及格兰棱镜3配合可以达到调节脉冲激光束的能量的目的。在一般光学实验中，一般是采用衰减片减弱激光束的光强从而调节激光束的能量，但是在飞秒激光尤其是放大后的飞秒激光光路中，衰减片往往会因为飞秒激光的高功率密度而烧坏，甚至损坏光路中其它的光学元件。本实施例中配合使用半波片2和格兰棱镜3对光束能量进行控制，可将多余的光束反射离开光路，不会引起光学元件损伤，提高了可测量脉冲功率。

分束镜4用于将脉冲激光束等比例地分成两束激光，即本实施例中的参考脉冲光束和信号脉冲光束，其中参考脉冲光束的传播方向与分束前的脉冲激光束的传播方向垂直，信号脉冲光束的传播方向与分束前的脉冲激光束的传播方向相同。

第一反射镜6及第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜10、第五反射镜11、第六反射镜12及第七反射镜13及第八反射镜14均采用飞秒专用低色散反射镜，用于改变光束的光路方向，而且可以在较宽的波长范围内保证脉冲色散可忽略，解决了在测量脉宽过程中因为光学材料色散引起的脉冲展宽变形，保证了测量结果正确性。

光电探测器18采用硅基探测器，并针对近红外波段进行了优化，最大程度保证光电探测器18的宽波长范围和高灵敏度。

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脉冲激光束。

非线性晶体15用于产生倍频、和频、三倍频等信号，本实施例中采用的是两束脉冲光束交叠照射到非线性晶体15上时其产生的和频信号，本实施例中，非线性晶体15优选采用BBO晶体。电动角位移台16用于根据控制终端23发送的控制指令做出转动响应，调节非线性晶体15的晶体倾角，使得非线性晶体15满足相位匹配条件。

电动位移台包括驱动控制模块19和移动主体20，其驱动控制模块19与控制终端23连接，用于接收控制终端23的移动指令，并做出位移响应从而移动参考光调节系统，使得参考脉冲光束相对于信号脉冲光束产生变化的延迟量。本实施例中电动位移台是采用丝路咖精机公司的高分辨步进电机驱动的，即驱动控制模块19丝路咖精机公司的高分辨步进电机，采用在无细分情况下电动位移台的分辨率为1um，对应光脉冲延迟分辨能力约为3fs，而在20细分下其分辨率可达0.1um，对应约0.3fs。因此不仅保证了电动位移台的高测量分辨率，还不需要定标测量。

锁相放大器21可以通过锁相环的锁相功能，使得电流输入端输入的光电流信号和参考信号输入端输入的飞秒激光器的计时延迟发生器24的同步信号的相位保持恒定，而且将光电流信号和同步信号通过相乘器和低通滤波器，能够得到稳定的输出，去除噪声干扰，实现特定频率下的光信号的探测，提高信噪比。飞秒激光器的计时延迟发生器24用于为锁相放大器21提供同步频率，例如，飞秒激光器的计时延迟发生器24的同步信号的频率为1000Hz，则锁相放大器21锁定探测频率为1000Hz的光信号所产生的光电流。

信号处理模块22用于将锁相放大器21输出的信号进行数字化处理，可以采用A/D转换器，本实施例中信号处理模块22直接采用数字万用表来实现。

实施例二

一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，包括：

S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过分束镜将其分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束。

S2、将参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上；

本实施例中，电动位移台包括驱动控制模块和移动主体，驱动控制模块分别与移动主体及控制终端连接，参考光调节系统包括第三小孔光阑、第三反射镜以及安装在移动主体上的第一反射镜及第二反射镜；信号光调节系统包括第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜；

本步骤具体为：

将参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑、第一反射镜及第二反射镜后反向平行地返回并经第三反射镜反射后得到的脉冲光束以及信号脉冲光束依次经第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜反射后得到的脉冲光束均进行反射后再交叠入射到非线性晶体上。

S3、根据参考脉冲光束和信号脉冲光束的波长以及参考脉冲光束和信号脉冲光束入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。

S4、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照射到光电探测器上。

S5、按照预设扫描速度参数驱动电动位移台进行移动从而驱动参考光束调节系统在参考脉冲光束的入射方向上来回移动，同时按照预设采样时间间隔实时地采集光电探测器在和频信号光束的照射下产生的光电流。驱动参考光束调节系统在参考脉冲光束的入射方向上来回移动的目的是：使得参考脉冲光束通过参考光束调节系统后到达非线性晶体与信号脉冲光束通过信号光调节系统后到达非线性晶体之间的光程差满足从负到正逐渐变化、多个周期变化的趋势。

S6、将实时采集的光电流进行滤波、稳频及数字化处理后得到实时数字电压值并发送到控制终端，控制终端结合预设扫描速度参数及预设采样时间间隔获得采样时间标度后，根据实时数字电压值和采样时间标度绘制得到参考脉冲光束和信号脉冲光束之间的自相关曲线并对该自相关曲线进行曲线拟合；

扫描速度参数包括每秒的驱动脉冲数、驱动倍率及单脉冲驱动位移量，采样时间标度是根据下式计算获得的：

$T=\frac{{2\mathrm{mNS}}_0{t}_0}{c}$

其中，T表示采样时间标度，m表示每秒的驱动脉冲数，N表示驱动倍率，S₀表示单脉冲驱动位移量，t₀表示预设采样时间间隔，c表示光速。

S7、获得拟合后的自相关曲线的宽度，进而根据入射的脉冲激光束的半高全宽与自相关曲线的宽度之间的关系，计算得到脉冲激光束的时域宽度。

图2是基于本发明的测量飞秒脉冲时域宽度的装置，采用本发明的测量飞秒脉冲时域宽度的方法对1550nm的脉冲激光束进行测试时获得的自相关曲线、拟合后的自相关曲线和拟合出的脉冲激光束的示意图；

本方法是基于光束的强度自相关原理来测量飞秒脉冲的时域宽度的，本方法的一个前提是假设待测飞秒脉冲即本发明中的脉冲激光束的波形是已知的。事实上，绝大多数情况下，脉冲激光束的时域形状是高斯型。本方法首先测量得到在不同延迟时间下的和频信号光束的光电流并进行处理后获得实验测量的自相关曲线，然后对该自相关曲线进行曲线拟合得到脉冲激光束的拟合后的自相关曲线，即它对于不同的延迟时间的函数。由自由空间光传输特性可知，延迟时间的步长即本方法中的采样时间标度为：电动位移台的位移量的2倍*扫描移动的速度*探测器采样时间间隔/自由空间光速c。有了采样时间标度，就可以获得自相关曲线，然后再进行曲线拟合，从而确定自相关曲线的半高全宽FWHM，也就是图3中的△τ，再参照图3的对应关系就可以得到入射的脉冲激光束的半高全宽FWHM即图中的△t，也就完成了脉冲激光束的时域宽度的测量。这里，对自相关曲线进行曲线拟合，根据现有的曲线拟合水平进行曲线拟合即可，例如采用Matlab软件的曲线拟合工具箱或者Origin软件的曲线拟合工具进行曲线拟合。拟合的目的在于修正自相关曲线的波形，例如脉冲激光束的时域形状是高斯型，测量得到其自相关曲线后对其进行曲线拟合，使得拟合后的自相关曲线更接近高斯型。

本发明依据的原理具体如下：

非线性晶体中只允许光以两个特许偏振态在其中传播，即寻常光o光，偏振方向与光轴-波矢平面垂直和非寻常光e光，偏振方向与光轴-波矢平面共面。本专利中的非线性晶体采用BBOβ相-偏硼酸钡晶体，其具有相位匹配的波段范围宽、可透过波段范围宽、倍频转换效率高等优势。BBO属于负单轴晶体，通过斯涅尔方程来计算o光折射系数n_o、e光折射系数n_e，下式中波长λ的单位为μm：

n_o ²＝2.7359+0.01878/(λ²-0.01822)-0.01354λ²

n_e ²＝2.3753+0.01224/(λ²-0.01667)-0.01516λ²

设定待测脉冲的波长λ，通过上式可以计算出n_o和n_e；如图4所示，此处n_o和n_e指晶体折射率椭球的两轴对应的折射率。实际上，e光的折射率是其波矢与光轴的夹角θ的函数：

$n_e\left(\mathrm{\θ}\right)={[\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{n_o^2}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{n_e^2}]}^{-\frac{1}{2}}$

可以看出，改变波矢量与光轴的夹角θ，就可以改变e光折射率。在共线条件下相位匹配条件如图5所示。另外，参照图6，本专利所采用的非共线条件下情况下的相位匹配条件满足矢量关系：

${\stackrel{\→}{k}}_1+{\stackrel{\→}{k}}_2={\stackrel{\→}{k}}_3$

在本专利中，因为入射光波长相同，故k₁＝k₂，ω₃＝2ω₁。则上式可进一步表示为：

$\stackrel{\→}{k_1}+\stackrel{\→}{k_1}=\frac{\stackrel{\→}{n\left({\mathrm{\ω}}_1\right){\mathrm{\ω}}_1}}{c}+\frac{\stackrel{\→}{n\left({\mathrm{\ω}}_1\right){\mathrm{\ω}}_1}}{c}=\frac{\stackrel{\→}{n\left({\mathrm{\ω}}_3\right){\mathrm{\ω}}_3}}{c}=\stackrel{\→}{k_3}$

上式中，ω对应入射光光频率，c为真空光速。入射光夹角为α时，计算矢量关系时，可利用数学上的余弦定理:

$k_3^2=k_1^2+k_2^2-{2k}_1{k}_2\cos (180-\mathrm{\α})={2k}_1^2-{2k}_1^2\cos (180-\mathrm{\α})$

由入射光频率ω计算出折射率n(ω₁)，进一步得到波矢k₁，代入上式得到出射光波矢k₃，再进一步计算得到n(ω₃)，此时计算出来的e光波矢与光轴之间的夹角θ即相位匹配角。计算出了相位匹配角，也就获得了非线性晶体的安放倾角，可以调整非线性晶体的倾角使得其满足相位匹配条件。

实际上，入射光夹角α、入射光各自的偏振态、入射光波长λ₁，出射光波长λ₂等都会对非线性晶体的相位匹配角产生影响，但是为了方便典型应用，本发明设置部分缺省值，如设定入射光束间夹角α＝5°，入射光均为水平偏振光即o光，出射光为竖直偏振光即e光，因此获得入射光的波长和入射夹角后即可计算得到非线性晶体的相位匹配角。

对应到本发明的装置中，只需要初期进行一次光路调整和非线性晶体校准安装，并将其设定为初始位置后，每次测量前就不再需要人工进行光路调整、晶体相位匹配角度调节等工作，可以实现自动化的实验测量。相位匹配角的典型值的计算结果如图7中所示。

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 (9)

1.一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，其特征在于，包括飞秒激光器、波长调谐器、第一小孔光阑(1)、分束镜(4)、参考光调节系统、信号光调节系统、非线性晶体(15)、第二小孔光阑(17)、光电探测器(18)、锁相放大器(21)、信号处理模块(22)、控制终端(23)、用于控制非线性晶体(15)进行转动的电动角位移台(16)以及用于控制参考光束调节系统进行移动的电动位移台，所述飞秒激光器还包括计时延迟发生器(24)；

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，依次通过第一小孔光阑(1)及分束镜(4)后分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束，所述参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠照射到非线性晶体(15)上使得非线性晶体(15)产生和频信号光束，和频信号光束通过第二小孔光阑(17)照射到光电探测器(18)上，光电探测器(18)在和频信号光束的照射下产生光电流并输入到锁相放大器(21)的电流输入端，所述飞秒激光器的计时延迟发生器(24)的同步信号输出端与锁相放大器(21)的参考信号输入端连接，所述锁相放大器(21)的输出端通过信号处理模块(22)与控制终端(23)连接；

所述电动位移台及电动角位移台(16)均与控制终端连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，其特征在于，所述电动位移台包括驱动控制模块(19)和移动主体(20)，所述驱动控制模块(19)分别与移动主体(20)及控制终端(23)连接，所述参考光调节系统包括第三小孔光阑(5)、第三反射镜(8)以及安装在移动主体(20)上的第一反射镜(6)及第二反射镜(7)；

所述信号光调节系统包括第四小孔光阑(9)、第四反射镜(10)、第五反射镜(11)、第六反射镜(12)及第七反射镜(13)，所述用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置还包括第八反射镜(14)；

所述参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑(5)、第一反射镜(6)及第二反射镜(7)后反向平行地返回并经第三反射镜(8)反射后得到的脉冲光束，以及所述信号脉冲光束依次经第四小孔光阑(9)、第四反射镜(10)、第五反射镜(11)、第六反射镜(12)及第七反射镜(13)反射后得到的脉冲光束均照射到第八反射镜(14)并经第八反射镜(14)反射后交叠入射到非线性晶体(15)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，其特征在于，所述第一小孔光阑(1)和分束镜(4)中间还依次设置有半波片(2)及格兰棱镜(3)。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，其特征在于，所述光电探测器(18)采用硅基探测器，所述信号处理模块(22)采用数字万用表。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，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.根据权利要求1所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的装置，其特征在于，所述电动位移台是采用丝路咖精机公司的高分辨步进电机驱动的。

7.一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，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分束镜将其分为两束一样的脉冲激光束，分别为参考脉冲光束和信号脉冲光束；

S2、将参考脉冲光束和信号脉冲光束分别通过参考光调节系统和信号光调节系统后交叠入射到非线性晶体上；

S3、根据参考脉冲光束和信号脉冲光束的波长以及参考脉冲光束和信号脉冲光束入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；

S4、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照射到光电探测器上；

S5、按照预设扫描速度参数驱动电动位移台进行移动从而驱动参考光束调节系统在参考脉冲光束的入射方向上来回移动，同时按照预设采样时间间隔实时地采集光电探测器在和频信号光束的照射下产生的光电流；

S6、将实时采集的光电流进行滤波、稳频及数字化处理后得到实时数字电压值并发送到控制终端，控制终端结合预设扫描速度参数及预设采样时间间隔获得采样时间标度后，根据实时数字电压值和采样时间标度绘制得到参考脉冲光束和信号脉冲光束之间的自相关曲线并对该自相关曲线进行曲线拟合；

S7、获得拟合后的自相关曲线的宽度，进而根据入射的脉冲激光束的半高全宽与自相关曲线的宽度之间的关系，计算得到脉冲激光束的时域宽度。

8.根据权利要求7所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，其特征在于，所述电动位移台包括驱动控制模块和移动主体，所述驱动控制模块分别与移动主体及控制终端连接，所述参考光调节系统包括第三小孔光阑、第三反射镜以及安装在移动主体上的第一反射镜及第二反射镜；所述信号光调节系统包括第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜；所述步骤S2，其具体为：

将参考脉冲光束依次通过第三小孔光阑、第一反射镜及第二反射镜后反向平行地返回并经第三反射镜反射后得到的脉冲光束以及信号脉冲光束依次经第四小孔光阑、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜及第七反射镜反射后得到的脉冲光束均进行反射后再交叠入射到非线性晶体上。

9.根据权利要求8所述的一种用于测量飞秒脉冲时域宽度的方法，其特征在于，所述扫描速度参数包括每秒的驱动脉冲数、驱动倍率及单脉冲驱动位移量，所述采样时间标度是根据下式计算获得的：

$T=\frac{{2\mathrm{mNS}}_0{t}_0}{c}$

其中，T表示采样时间标度，m表示每秒的驱动脉冲数，N表示驱动倍率，S₀表示单脉冲驱动位移量，t₀表示预设采样时间间隔，c表示光速。