CN107036714B - 一种光谱相位干涉装置及系统 - Google Patents

一种光谱相位干涉装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光谱相位干涉装置及系统，旨在解决现有的光谱相位干涉装置的稳定性和紧凑性低的问题。本发明所提供的装置或系统，产生待测脉冲对的光学元件仅由一双折射晶体组成，并且二步相移的调整也仅由一宽带1/4波片完成，从而避免了现有的装置中对脉冲展宽器、延时器、光学分束器以及反射镜等光学元件的大量使用，因此大大简化了整个装置的结构，同时具有更高的稳定性和紧凑性。

Description

一种光谱相位干涉装置及系统
技术领域
本发明属于超快光学技术领域，尤其涉及一种光谱相位干涉装置及系统。
背景技术
超短脉冲激光技术在强场物理、飞秒化学、精密加工、生物医学诊断等各个领域均已获得了广泛应用。在超短激光脉冲的各个领域应用技术，超短脉冲激光时间/光谱特性诊断都是至关重要的。
基于直接电场的光谱相位干涉(SPIDER)技术是目前常用的超短脉冲激光诊断技术之一。该技术能够测量光脉冲的宽度、形状和相位，它的优点是：测量在光谱域进行，不需快响应接收器；装置内不含任何移动元件，稳定可靠；递代算法简单，有利于高重复率实时检测。随后，二步相移的SPIDER装置的出现从原理上提高了SPIDER测量形状比较复杂的光谱，或者是超短脉冲较窄的光谱装置的能力和测量的精度。
目前，常规的SPIDER装置主要包括待测脉冲对产生器、脉冲色散器、光学脉冲和频器和光谱仪等四部分。SPIDER装置中，脉冲对产生器和脉冲色散器的稳定性是至关重要的，然而，常规的SPIDER装置往往系统构造比较复杂，且系统的稳定性和紧凑性较低。
发明内容
本发明提供了一种光谱相位干涉装置及系统，旨在解决现有的光谱相位干涉装置的稳定性和紧凑性低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光谱相位干涉装置，所述装置包括：
分束器，用于将待测脉冲分离成反射脉冲和透射脉冲，其中，所述反射脉冲入射至脉冲延时器，所述透射脉冲入射至脉冲色散器；
所述脉冲色散器，用于将所述透射脉冲展宽成啁啾脉冲，所述啁啾脉冲入射至半波片；
所述半波片，用于调整所述啁啾脉冲的偏振方向，透过所述半波片的啁啾脉冲入射至偏振分束器；
所述脉冲延时器，用于使所述反射脉冲产生延时，已延时的反射脉冲入射至双折射晶体；
所述双折射晶体，用于使所述已延时的反射脉冲产生具有相对时间延迟的待测脉冲对，所述待测脉冲对入射至宽带1/4波片；
所述宽带1/4波片，用于调整所述待测脉冲对，以使所述待测脉冲对中，两个子脉冲的相对相位之间产生π相位差，已产生π相位差的待测脉冲对入射至所述偏振分束器；
所述偏振分束器，用于将所述已产生π相位差的待测脉冲对中偏振方向与所述偏振分束器入射面平行的部分待测脉冲对进行反射，同时透射所述透过所述半波片的啁啾脉冲，以便反射的待测脉冲对与透射的啁啾脉冲同时入射至聚焦镜；
所述聚焦镜，用于将经过所述偏振分束器的所述反射的待测脉冲对与所述透射的啁啾脉冲进行汇聚，汇聚后的脉冲入射至和频脉冲产生器；
所述和频脉冲产生器，用于对所述汇聚后的脉冲进行和频转换，以生成和频脉冲对，所述和频脉冲对入射至光谱仪；
所述光谱仪，用于记录入射的所述和频脉冲对产生的光谱干涉环数据。
进一步地，所述脉冲延时器由两个180°折反镜组组成；每个所述180°折反镜组包含两个等腰直角棱镜，所述等腰直角棱镜的斜边表面均镀有45°高反膜；其中，每个所述180°折反镜组中，其中一个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面，与另一个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面贴至于同一基准面上，且两个等腰直角棱镜的斜边面相对。
进一步地，所述双折射晶体的光轴方向与入射的所述已延时的反射脉冲的传输方向在同一平面上，且所述双折射晶体的光轴方向与入射的所述已延时的反射脉冲的偏振方向成45度夹角，且所述双折射晶体的入射面与出射面均镀有增透膜。
进一步地，所述宽带1/4波片为宽带零阶消色散波片，所述宽带1/4波片的快慢轴方向与入射的所述待测脉冲对的传输方向成45度夹角。
进一步地，所述脉冲色散器由第一等腰直角棱镜与第二等腰直角棱镜组成，且所述第一等腰直角棱镜与所述第二等腰直角棱镜的斜边面均镀有宽带增透膜。
进一步地，所述偏振分束器为薄膜分束片，所述偏振分束器的法线方向与入射的待测脉冲对的传输方向在同一平面上。
进一步地，所述偏振分束器具体用于将所述待测脉冲对中的垂直偏振方向的子脉冲反射至所述聚焦镜，同时将透过所述半波片的啁啾脉冲透射至所述聚焦镜。
进一步地，所述光谱仪，用于在所述宽带1/4波片的快轴方向与入射的所述待测脉冲对的偏振方向成45度夹角时，记录第一光谱干涉环数据；所述光谱仪，用于在所述宽带1/4波片的快轴方向与入射的所述待测脉冲对的偏振方向成负45度夹角时，记录第二光谱干涉环数据。
本发明还提供了一种包括上述光谱相位干涉装置的光谱相位干涉系统。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明所提供的装置或系统，所产生待测脉冲对的光学元件仅由一双折射晶体组成，并且二步相移的调整也仅由一宽带1/4波片完成，从而避免了现有的装置中对脉冲展宽器、延时器、光学分束器以及反射镜等光学元件的大量使用，因此大大简化了整个装置的结构，同时具有更高的稳定性和紧凑性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光谱相位干涉装置示意图；
图2是本发明实施例提供的脉冲延时器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明第一实施例提供了一种光谱相位干涉装置，该装置包括如图1所示的光学元件。其中，BS表示分束器，DL表示脉冲延时器，HW表示半波片，BQW表示宽带1/4波片，BC表示双折射晶体，PL表示偏振分束器，PD表示脉冲色散器，P1表示第一腰直角棱镜，P2表示第二等腰直角棱镜，L表示聚焦镜，SHG表示和频脉冲产生器，SP表示光谱仪，M1\M2\M3\M4\M5\M6均表示反射镜。
分束器BS，用于将待测脉冲分离成反射脉冲和透射脉冲，其中，所述反射脉冲入射至脉冲延时器DL，所述透射脉冲入射至脉冲色散器PD。
脉冲色散器PD，用于将所述透射脉冲展宽成啁啾脉冲，所述啁啾脉冲入射至半波片HW。脉冲色散器PD的工作原理是：对所述透射脉冲引入色散使得该透射脉冲变为啁啾脉冲；同时对该透射脉冲的时间宽度进行展宽。
半波片HW，用于调整所述啁啾脉冲的偏振方向，透过所述半波片的啁啾脉冲入射至偏振分束器PL。在本实施例中，半波片HW通过旋转入射的啁啾脉冲的偏振方向，使得该啁啾脉冲沿水平方向偏振，以便该啁啾脉冲透射半波片HW后几乎全部透过后续的偏振分束器PL。
脉冲延时器DL，用于使所述反射脉冲产生延时，已延时的反射脉冲入射至双折射晶体BC。脉冲延时器DL的主要目的是为了调整分束器BS所出射的反射脉冲和透射脉冲分别到达和频脉冲产生器SHG之间的光程差。
双折射晶体BC，用于使所述已延时的反射脉冲产生具有相对时间延迟的待测脉冲对，所述待测脉冲对入射至宽带1/4波片BQW。其中，双折射晶体BC主要是使其内部传输的平常光与非平常光之间产生时间延迟，从而产生具有相对时间延迟的待测脉冲对。
宽带1/4波片BQW，用于调整所述待测脉冲对，以使所述待测脉冲对中，两个子脉冲的相对相位之间产生π相位差，已产生π相位差的待测脉冲对入射至偏振分束器PL。在本实施例中，宽带1/4波片BQW的快慢轴方向与双折射晶体BC的快慢轴方向一致，主要用于改变从双折射晶体BC出射的快光与慢光之间的π相移。
偏振分束器PL，用于将所述已产生π相位差的待测脉冲对中偏振方向与所述偏振分束器入射面平行的部分待测脉冲对进行反射，同时透射所述透过所述半波片的啁啾脉冲，以便反射的待测脉冲对与透射的啁啾脉冲同时入射至聚焦镜L。
聚焦镜L，用于将经过偏振分束器PL的反射的待测脉冲对与透射的啁啾脉冲进行汇聚，汇聚后的脉冲入射至和频脉冲产生器SHG。
和频脉冲产生器SHG，用于对所述汇聚后的脉冲进行和频转换，以生成和频脉冲对，所述和频脉冲对入射至光谱仪SP。即：和频脉冲产生器SHG，用于对所述汇聚后的脉冲进行和频转换，以生成第一和频脉冲与第二和频脉冲，并将第一和频脉冲与第二和频脉冲入射至光谱仪SP。在本实施例中，该和频脉冲产生器SHG为非线性和频晶体。
光谱仪SP，用于记录入射的所述和频脉冲对产生的光谱干涉环数据。即：光谱仪SP用于记录入射的第一和频脉冲与第二和频脉冲之间的光谱干涉数据。
如图2所示，脉冲延时器DL由两个180°折反镜组组成；每个所述180°折反镜组包含两个等腰直角棱镜，所述等腰直角棱镜的斜边表面均镀有45°高反膜，且每个所述180°折反镜组中，其中一个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面，与另一个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面贴至于同一基准面上，且两个等腰直角棱镜的斜边面需相对。需要说明的是，本发明所提供的如图2所示的脉冲迟器DL，不但具有使脉冲延时的作用，还具有同时实现光路多次折返的作用。因此，通过调节两个180°折反镜组其中一个180°折反镜组，可在垂直于入射光方向平移量控制光折返次数，即该脉冲迟器DL能够灵活控制光在其内部多次折返的次数，从而使得该脉冲迟器DL的结构更加紧凑，同时具有调整灵活的优点。
其中，双折射晶体BC的光轴方向与入射的所述已延时的反射脉冲的传输方向在同一平面上，且该双折射晶体BC的光轴方向与入射的所述已延时的反射脉冲的偏振方向成45度夹角，且所述双折射晶体BC的入射面与出射面均镀有增透膜。
其中，宽带1/4波片BQW为宽带零阶消色散波片，该宽带1/4波片BQW的快慢轴方向与入射的所述待测脉冲对的传输方向成45度夹角。
其中，脉冲色散器PD由第一等腰直角棱镜P1与第二等腰直角棱镜P2组成，且第一等腰直角棱镜P1与第二等腰直角棱镜P2的斜边面均镀有宽带增透膜。
其中，偏振分束器PL为薄膜分束片，偏振分束器PL的法线方向与入射的待测脉冲对的传输方向在同一平面上。
另外，偏振分束器PL具体用于将所述待测脉冲对中的垂直偏振方向的子脉冲反射至聚焦镜L，及同时将透过所述半波片的啁啾脉冲透射至聚焦镜L。
其中，光谱仪SP，用于在调节所述宽带1/4波片BQW，使所述宽带1/4波片BQW的快轴方向与入射的所述待测脉冲对的偏振方向成45度夹角时，记录第一光谱干涉环数据；光谱仪SP，用于在调节宽带1/4波片BQW，使宽带1/4波片BQW的快轴方向与入射的所述待测脉冲对的偏振方向成负45度夹角时，记录第二光谱干涉环数据。光谱仪SP还用于将第一光谱干涉环数据、及第二光谱干涉环数据分别传出到电脑终端进行处理。其中，光谱仪SP在记录第一光谱干涉环数据时，需要调节宽带1/4波片BQW，使BQW的快轴方向与入射光的偏振方向成45度夹角；然后，光谱仪SP在记录第二光谱干涉环数据时，需要调节宽带1/4波片BQW，使BQW的快轴方向再转动90度，即使BQW的快轴方向与入射光的偏振方向成负45度夹角。
另外，需要说明的是，本发明实施例中还应用到了几个如M1至M6所示的反射镜，用于在该装置中起到协作作用，从而使脉冲反射至相应位置，在这里不详加赘述。
本实施例所提供的装置在测量时，假设入射脉冲为p偏振，则半波片HW的快慢轴与其入射光的偏振方向水平或垂直即可。双折射晶体的快慢轴与其入射光的偏振方向成约45°夹角，进而产生等强度的快光和慢光。调节宽带1/4波片BQW，使它的快慢轴方向与从双折射晶体出射的快光、慢光处于平行角度或垂直状态时，光谱仪SP记录第一光谱干涉环数据；然后90°旋转宽带1/4波片，光谱仪SP记录第二光谱干涉环数据。
光谱仪SP测到的第一光谱干涉环数据D1的计算公式如下：
D1＝|E1(ω)|2+|E2(ω-Ω)|2+2|E1(ω)E2(ω-Ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)]
其中，E表示电场，τ表示第一和频脉冲与第二和频脉冲之间的时间延迟，Ω表示第一和频脉冲与第二和频脉冲之间的中心频率差，ψ表示相位。
相应的，光谱仪SP测到的第二光谱干涉环数据D2的计算公式则如下：
D2＝|E1(ω)|2+|E2(ω-Ω)|2-2|E1(ω)E2(ω-Ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)]
则通过两次傅里叶变换可得到超短脉冲激光的时间(光谱)振幅和相位，计算公式如下：
D1-D2＝4|E1(ω)E2(ω-Ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)]
在本实施例的仿真实验中，当待测脉冲在10飞秒左右时，分束器BS将该待测脉冲分为两束，反射脉冲输出至脉冲延时器DL，经由DL输出至双折射晶体BC和宽带1/4波片BQW。然后经过一偏振分束片PL被聚焦镜L聚焦到和频脉冲产生器SHG。而透射脉冲入射至脉冲色散器PD，被该脉冲色散器展宽为时间宽度约5皮秒的啁啾脉冲。该啁啾脉冲经过一半波片HW后，被偏振分束片PL反射，然后被聚焦镜L聚焦到和频脉冲产生器SHG。本实验中，该和频脉冲产生器SHG为非线性和频晶体，为一厚度约为几十微米的β-BBO晶体，可以采用第一类相位匹配，也可采用第二类相位匹配。第一和频脉冲和第二和频脉冲的光谱形状相似，但中心频率偏移约2.5纳米。最终，第一和频脉冲和第二和频脉冲被光谱仪SP接收。测量时，宽带1/4波片BQW，使得其入射脉冲的偏振方向与BQW的快轴平行，光谱仪SP记录第一光谱干涉环数据；然后90°转动宽带1/4波片BQW，光谱仪SP再记录第二光谱干涉环数据。本实验中，光谱仪SP为光纤光谱仪，光谱分辨率约为0.02纳米。
综上所述，本发明第一实施例所提供的装置，所产生待测脉冲对的光学元件仅由一双折射晶体组成，并且二步相移的调整也仅由一宽带1/4波片完成。另外，产生啁啾脉冲的脉冲色散器也是由两等腰直角棱镜组成，结构非常紧凑。从而避免了现有的装置中对脉冲展宽器、延时器、光学分束器以及反射镜等光学元件的大量使用，因此大大简化了整个装置的结构，同时具有更高的稳定性和紧凑性。
本发明第二实施例提供了一种光谱干涉测量系统，所述系统包括上述光谱相位干涉装置内所包含的所有元件，以及具有上述光谱相位干涉装置所具有的功能，在此处不详加赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光谱相位干涉装置，其特征在于，所述装置包括：
分束器，用于将待测脉冲分离成反射脉冲和透射脉冲，其中，所述反射脉冲入射至脉冲延时器，所述透射脉冲入射至脉冲色散器；
所述脉冲色散器，用于将所述透射脉冲展宽成啁啾脉冲，所述啁啾脉冲入射至半波片；
所述半波片，用于调整所述啁啾脉冲的偏振方向，透过所述半波片的啁啾脉冲入射至偏振分束器；
所述脉冲延时器，用于使所述反射脉冲产生延时，已延时的反射脉冲入射至双折射晶体；
所述双折射晶体，用于使所述已延时的反射脉冲产生具有相对时间延迟的待测脉冲对，所述待测脉冲对入射至宽带1/4波片；
所述宽带1/4波片，用于调整所述待测脉冲对，以使所述待测脉冲对中，两个子脉冲的相对相位之间产生π相位差，已产生π相位差的待测脉冲对入射至所述偏振分束器；
所述偏振分束器，用于将所述已产生π相位差的待测脉冲对中偏振方向与所述偏振分束器入射面平行的部分待测脉冲对进行反射，同时透射所述透过所述半波片的啁啾脉冲，以便反射的待测脉冲对与透射的啁啾脉冲同时入射至聚焦镜；
所述聚焦镜，用于将经过所述偏振分束器的所述反射的待测脉冲对与所述透射的啁啾脉冲进行汇聚，汇聚后的脉冲入射至和频脉冲产生器；
所述和频脉冲产生器，用于对所述汇聚后的脉冲进行和频转换，以生成和频脉冲对，所述和频脉冲对入射至光谱仪；
所述光谱仪，用于记录入射的所述和频脉冲对产生的光谱干涉环数据。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述脉冲延时器由两个180°折反镜组组成；每个所述180°折反镜组包含两个等腰直角棱镜，所述等腰直角棱镜的斜边表面均镀有45°高反膜；
每个所述180°折反镜组中，其中一个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面，与另一个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面贴至于同一基准面上，且两个等腰直角棱镜的斜边面相对。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述双折射晶体的光轴方向与入射的所述已延时的反射脉冲的传输方向在同一平面上，且所述双折射晶体的光轴方向与入射的所述已延时的反射脉冲的偏振方向成45度夹角，且所述双折射晶体的入射面与出射面均镀有增透膜。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述宽带1/4波片为宽带零阶消色散波片，所述宽带1/4波片的快慢轴方向与入射的所述待测脉冲对的传输方向成45度夹角。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述脉冲色散器由第一等腰直角棱镜与第二等腰直角棱镜组成，且所述第一等腰直角棱镜与所述第二等腰直角棱镜的斜边面均镀有宽带增透膜。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述偏振分束器为薄膜分束片，所述偏振分束器的法线方向与入射的待测脉冲对的传输方向在同一平面上。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述偏振分束器具体用于：
将所述待测脉冲对中的垂直偏振方向的子脉冲反射至所述聚焦镜，同时将透过所述半波片的啁啾脉冲透射至所述聚焦镜。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述光谱仪，用于在所述宽带1/4波片的快轴方向与入射的所述待测脉冲对的偏振方向成45度夹角时，记录第一光谱干涉环数据；
所述光谱仪，用于在所述宽带1/4波片的快轴方向与入射的所述待测脉冲对的偏振方向成负45度夹角时，记录第二光谱干涉环数据。
9.一种光谱相位干涉系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1-8中任一项所述的光谱相位干涉装置。
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