CN104697647A - 超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置，包括第一耦合镜、第二耦合镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、互相关晶体、二倍频晶体、第四反射镜、第五反射镜、衍射元件、光电探测器和计算机；采用了互相关方法来实现超短脉冲的前沿和后沿的高分辨率测量，得到其时间波形和脉冲宽度；还采用了与时间轴正交的衍射元件实现超短脉冲的光谱测量，得到其光谱宽度，从而能够基于脉冲宽度和光谱宽度，得到被测脉冲的啁啾率，非常方便地满足物理实验对于时间波形的测量需求，以及超短脉冲激光系统对啁啾率的测量需求。

Description

超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及超短脉冲的时间波形和啁啾率测量装置及测量方法，包括皮秒量级和飞秒量级的单次超短脉冲。

背景技术

超短脉冲的时间波形是物理实验中的一项重要技术参数，决定了超短脉冲与物质相互作用时的实时功率。啁啾率是超短脉冲激光系统的研制与调试中的一项重要技术参数，决定了脉冲宽度展宽和压缩的可行性。

传统的激光脉冲的时间波形测量方法，有示波器和条纹相机两种。当采用16GHz的高速示波器进行脉宽测量时，综合考虑快响应光电管、屏蔽电缆线、以及相应的接口电路元器件的带宽，其上升沿响应为71.5ps，即时间分辨率大于71.5ps。当采用条纹相机时，其时间分辨率为2.85ps。当采用单次自相关仪时，极限分辨率能够达到7fs左右，能够用于皮秒级(10^-12秒)和飞秒级(10^-15秒)超短脉冲的脉冲宽度分析和测量。但是单次自相关仪在时间轴上关于中心位置呈对称结构，无法分辨脉冲的前沿和后沿，不具有时间波形测量能力。近年来基于自相关方法发展的频率分辨光学开法(Frequency-resolved Optical Gating，FROG)也无法分辨脉冲的前沿和后沿，因此也不具有时间波形和啁啾率测量能力。

夏彦文在2009年申请了专利“一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法”(申请号：CN200910215304)，用于纳秒级(10^-9秒)时间波形测量，通过降低示波器的使用数量来降低成本。曹婧在2010年申请了专利“高功率激光器多路光纤采样时间波形测量装置”(申请号：CN201010129603)，也用于纳秒级(10^-9秒)时间波形测量。吴正香在2013年申请了专利“超快光脉冲时间波形的测量装置”，(申请号：CN201310103586)采用了基于光波导的折射率偏转技术用于皮秒量级的时间波形测量。孙志红在2014年申请了专利“一种激光脉冲波形测量装置”，(申请号：CN201410115538)采用了基于光波导的多次反射技术用于皮秒量级的时间波形测量。牛振国在2014年申请了专利“单次超快脉冲时间波形和信噪比的测量装置”，(申请号：CN201410524967)采用了基于光波导的折射率偏转技术和光纤阵列技术用于皮秒级时间波形测量。

皮秒量级超短脉冲的光谱宽度大约为1-6nm，飞秒量级超短脉冲的光谱宽度大约为20-50nm。啁啾率为脉冲宽度与光谱宽度的比值。超短脉冲的展宽和压缩过程中脉冲宽度发生变化，但是光谱宽度保持不变，因此啁啾率随着脉冲宽度的变化而变化。当啁啾率为线性时，超短脉冲能够被光栅所展宽和压缩。当啁啾率为非线性时，超短脉冲不能够被光栅所展宽和压缩。因此啁啾率的测量是超短脉冲的研究工作中非常重要的一项技术参数。目前啁啾率的测量手段是分别使用自相关仪测量超短脉冲的宽度、使用光谱仪测量超短脉冲的光谱，间接得到啁啾率。这将使整体光路结构复杂，增加了超短脉冲测量工作的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置，基于互相关方法实现超短脉冲的前沿和后沿的高精度分辨，提供时间波形和脉冲宽度的分辨能力，同时具备光谱分辨能力，能够在同一套测量装置上直接测量超短脉冲的啁啾率。这将有助于快速判断被测脉冲啁啾率的线性程度，评价其是否具有可压缩性。

本发明的技术解决方案是：

一种超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置，其特点在于，包括第一耦合镜、第二耦合镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、互相关晶体、二倍频晶体、第四反射镜、第五反射镜、衍射元件、光电探测器和计算机；

上述各部件的位置关系如下：

沿被测超短脉冲方向依次是所述的第一耦合镜、第二耦合镜和分光镜，该分光镜将所述的被测超短脉冲分为反射脉冲和透射脉冲，在所述的反射脉冲方向依次是所述的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和互相关晶体，在所述的透射脉冲方向依次是所述的二倍频晶体、第四反射镜和互相关晶体，在所述的互相关晶体产生的互相关信号方向依次是所述的第五反射镜、衍射元件和光电探测器，该光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。

所述的互相关晶体为非线性晶体，包括BBO、LBO、KDP或YCOB。

所述的衍射元件(12)是光栅或棱镜。

利用所述的测量装置进行超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①利用互相关方法，得到互相关信号的前沿和后沿，然后换算为被测脉冲的前沿和后沿。互相关过程的公式如下：

Ix(τ)＝∫I₁(t-τ)I₂(t)dt＝∫I(t-τ)₁I₁ ²(t)dt   (1)

式中，τ为时间延迟，Ix(τ)为互相关信号，I₁(t)为反射脉冲，I₂(t)为透射脉冲。

在小信号转换条件下，互相关信号中的前沿与被测脉冲的前沿在时间位置和强度上具有一一对应的关系，从而可以根据互相关信号的宽度Δt_x以及关系式Δt_x＝1.225Δt，得到被测脉冲的脉冲宽度Δt和时间波形。

②在垂直于时间轴的方向上为光谱轴，将互相关信号的前沿和后沿按照光谱成分的不同进行分离，并换算为被测脉冲的光谱宽度。由于互相关信号的前沿和后沿具有不同的光谱成分，因而经过衍射元件之后具有不同的衍射角，从而在光电探测器(14)的光谱轴上能够得到互相关信号的光谱宽度Δλ_x，然后根据关系式Δλ_x＝Δλ/15.6，得到被测脉冲的脉冲宽度Δλ。

③基于脉冲宽度和光谱宽度的比值计算得到啁啾率(R＝Δt/Δλ)。

上述步骤的要点是：

1)通过二倍频晶体将透射脉冲变换为二倍频脉冲，在互相关晶体上产生互相关过程，因此被测脉冲的前沿和后沿，在互相关信号中表现为不同的形状，能够实现时间波形的分辨；

2)基于超短脉冲的光谱宽度常见范围，选择衍射元件的工作参数，比如光栅常数d和光栅与光电探测器的间距L，使得互相关信号的前沿和后沿在色散分离后不超出光电探测器的测量范围。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

不仅能够实现超短脉冲的时间波形和脉冲宽度的分析和测量，同时还能够实现啁啾率的直接测量，实现超短脉冲啁啾率的线性程度的快速分析和判断，评估脉冲宽度进一步压缩的可行性。这将非常方便地满足物理实验对于时间波形的测量需求，以及超短脉冲激光系统对啁啾率的测量需求。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构简图，用于实现超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量功能；

图2是本发明实施例2的结构简图，演示了超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

被测脉冲经过第一耦合镜1、第二耦合镜2之后，在分光镜3上一分为二，产生反射脉冲和透射脉冲。反射脉冲经过第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6，到达互相关晶体7。透射脉冲经过二倍频晶体8、第四反射镜9，也到达互相关晶体7。反射脉冲和透射脉冲在互相关晶体7上相互作用，产生互相关信号10。该互相关信号10经过第五反射镜11，并且通过一块衍射元件12之后，得到色散后的互相关信号13。然后使用光电探测器14和计算机15采集并处理色散后的互相关信号13，从而求解出被测脉冲的时间波形和啁啾率等信息。

互相关方法的基本原理可以表示为

Ix(τ)＝∫I₁(t-τ)I₂(t)dt＝∫I(t-τ)₁I₁ ²(t)dt   (1)

公式(1)中，τ为时间延迟，Ix(τ)为互相关信号，I₁(t)为反射脉冲，I₂(t)为透射脉冲。

在互相关晶体7上，反射脉冲和透射脉冲之间的夹角为Φ。倾斜入射的反射脉冲横截面上的不同位置，到达互相关晶体7的时间有先后的不同。同样，倾斜入射的透射脉冲横截面上的不同位置，到达互相关晶体7的时间也有先后的不同。这样的效果是在互相关晶体7上的不同位置，反射脉冲和透射脉冲之间具有不同的时间延迟量。从光路结构上可以看出，反射脉冲是由被测脉冲的反射部分直接传输得到，透射脉冲经过了一块二倍频晶体8转换为了二倍频脉冲，因此在互相关晶体7上发生相互作用的是两个不同的脉冲，得到的互相关信号的前沿和后沿是不同的，因此能够用于实现被测脉冲的前沿、后沿的分辨，用于分析其时间波形。

互相关信号的空间宽度Δx、时间宽度Δt_x、非共线夹角Φ、光速c之间的关系为

Δt_x/Δx＝2sin(Φ/2)/c   (2)

对于被测脉冲的脉冲宽度Δt介于0.5～20ps之间的超短脉冲，非共线夹角Φ取55°，根据关系式Δt_x＝1.225Δt可以计算得到互相关信号的时间宽度介于0.61～24.5ps之间，空间宽度介于223～8973um之间。如果采用像素尺寸为14um、像素数1024单元的科学级CCD进行测量，考虑测量的上限值，其时间分辨率为24.5/(8973/14)＝0.038ps＝38f。该时间分辨率能够满足皮秒级超短脉冲的诊断需求。

对于被测脉冲的脉冲宽度Δt介于30～500fs的超短脉冲之间的超短脉冲，非共线夹角Φ取10°，根据关系式Δt_x＝1.225Δt可以计算得到其互相关信号的时间宽度介于36.75～367.5fs之间，空间宽度介于63.5～635um之间。如果采用像素尺寸为14um、像素数1024单元的科学级CCD进行测量，考虑测量的上限值，其时间分辨率为367.5/(635/14)＝8fs。该时间分辨率能够满足飞秒级超短脉冲的诊断需求。

采用像素尺寸更小的CCD能够得到更高的分辨率，但动态范围将低于科学级CCD。根据公式(2)以及关系式Δt_x＝1.225Δt，可以得到被测脉冲的脉冲宽度Δt为

Δt＝2Δx sin(Φ/2)/(1.225c)   (3)

因此，基于CCD上得到的互相关信号空间宽度Δx、夹角Φ、光速c即可得到被测脉冲的脉冲宽度。

超短脉冲都是具有一定的光谱宽度的，皮秒量级(10^-12秒)超短脉冲的光谱宽度大约为1-6nm，飞秒量级(10^-15秒)超短脉冲的光谱宽度大约为20-50nm。啁啾率为光谱宽度与脉冲宽度的比值。通过光栅、棱镜等衍射元件可以实现脉冲宽度的展宽和压缩，调控超短脉冲的啁啾率。为了实现啁啾率的分辨能力，光路结构中的衍射元件12发挥了重要的作用。由于被测脉冲具有一定的光谱宽度，因此产生的互相关信号也具有一定的光谱宽度。衍射元件12在垂直于互相关信号时间轴的方向上，将互相关信号中的不同光谱成分按照不同的衍射角度进行分离，从而在光电探测器14上得到一个三维的测量结果，如图2所示。x轴表示时间，y轴表示光谱，z轴表示信号强度。该结果在xz平面内为时间波形的分布曲线，在yz平面内为光谱形状的分布曲线。

入射角为0°时，光栅衍射方程为

dsinθ＝mλ   (4)

公式(4)中，d为光栅常数，取1/1200mm^-1，θ为衍射角，m为衍射级次，通常取1，λ为波长。

在互相关过程中，被测脉冲光谱宽度为Δλ，互相关信号的光谱宽度为Δλ_x，它们之间的关系为Δλ_x＝Δλ/15.6。这里以中心波长1053m的超短脉冲为例进行说明。当被测脉冲的脉冲宽度为皮秒量级、光谱范围介于1050-1056nm之间时，对应的互相关信号的光谱范围介于350.62～351.38nm之间，根据公式(3)可以计算出光谱宽度造成的衍射角度差γ为

γ＝asin(351.38nm×10^-6/d)-asin(350.62nm×10^-6/d)＝0.058°；

光栅与光电探测器(CCD)之间的距离L为100mm时，光谱分离量L_λ为

L_λ＝tan(0.058°)×100＝101um

如果采用像素尺寸为14um、像素数1024单元的科学级CCD进行测量，其光谱分辨率为

(351.38-350.62)/(101/14)＝0.1nm

光谱相对分辨率为

0.1nm/(351.38-350.62)nm＝13％

该光谱分辨率能够满足皮秒级超短脉冲的诊断需求。

当脉冲宽度为飞秒量级、光谱范围介于1028-1078nm之间时，对应的互相关信号的光谱范围介于349.4～352.6nm之间，根据公式(3)可以计算出光谱宽度造成的衍射角度差γ为

γ＝asin(352.6nm×10^-6/d)-asin(349.4nm×10^-6/d)＝0.243°；

光栅与光电探测器(CCD)之间的距离L为30mm时，光谱分离量L_λ为

L_λ＝tan(0.243°)×30＝127um

如果采用像素尺寸为14um、像素数1024单元的科学级CCD进行测量，其光谱分辨率为

(352.6-349.4)/(127/14)＝0.35nm

光谱相对分辨率为

0.35nm/(352.6-349.4)nm＝11％

该光谱分辨率能够满足飞秒级超短脉冲的诊断需求。

根据关系式Δλ_x＝Δλ/15.6，可以得到被测脉冲的光谱宽度Δλ为

Δλ＝15.6Δλ_x   (3)

因此，基于CCD上得到的互相关信号光谱宽度Δλ_x，即可得到被测脉冲的脉冲宽度。

根据被测脉冲的光谱宽度和脉冲宽度的比值，可以计算出被测脉冲的啁啾率(R＝Δt/Δλ)。在xy平面内，还可以快速、方便地观察并分析啁啾率的非线性程度。如果是线性的，表明该被测脉冲可以继续压缩；如果是非线性的，表明该被测脉冲不可以继续压缩。因此，该测量装置不仅满足了物理实验对于超短脉冲的时间波形的测量需求，以及超短脉冲激光系统对啁啾率的测量需求，而且使用起来方便、快捷，能够实现快速、实时的分析和判断。

Claims (4)

1.一种超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置，其特征在于，包括第一耦合镜(1)、第二耦合镜(2)、分光镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、互相关晶体(7)、二倍频晶体(8)、第四反射镜(9)、第五反射镜(11)、衍射元件(12)、光电探测器(14)和计算机(15)；

上述各部件的位置关系如下：

沿被测超短脉冲方向依次是所述的第一耦合镜(1)、第二耦合镜(2)和分光镜(3)，该分光镜(3)将所述的被测超短脉冲分为反射脉冲和透射脉冲，在所述的反射脉冲方向依次是所述的第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)和互相关晶体(7)，在所述的透射脉冲方向依次是所述的二倍频晶体(8)、第四反射镜(9)和互相关晶体(7)，在所述的互相关晶体(7)产生的互相关信号(10)方向依次是所述的第五反射镜(11)、衍射元件(12)和光电探测器(14)，该光电探测器(14)的输出端与所述的计算机(15)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置，其特征在于，所述的互相关晶体(7)为非线性晶体，包括BBO、LBO、KDP或YCOB。

3.根据权利要求1所述的超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量装置，其特征在于，所述的衍射元件(12)是光栅或棱镜。

4.利用权利要求1-3任一项所述的测量装置进行超短脉冲的时间波形和啁啾率的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①利用互相关方法得到互相关信号(10)的前沿和后沿，然后换算为被测脉冲的前沿和后沿，互相关过程的公式如下：

Ix(τ)＝∫I₁(t-τ)I₂(t)dt＝∫I(t-τ)₁I₁ ²(t)dt    (1)

式中，τ为时间延迟，Ix(τ)为互相关信号，I₁(t)为反射脉冲，I₂(t)为透射脉冲；

在小信号转换条件下，互相关信号中的前沿与被测脉冲的前沿在时间位置和强度上具有一一对应的关系，根据互相关信号的宽度Δt_x以及关系式Δt_x＝1.225Δt，得到被测脉冲的脉冲宽度Δt和时间波形；

②在垂直于时间轴的方向上为光谱轴，在光电探测器(14)的光谱轴上得到互相关信号的光谱宽度Δλ_x，然后根据关系式Δλ_x＝Δλ/15.6，得到被测脉冲的脉冲宽度Δλ；

③基于脉冲宽度和光谱宽度的比值计算得到啁啾率，公式如下：

R＝Δt/Δλ。