CN107505055A - 小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
一种小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置，构成包括：沿待测脉冲入射光束方向依次是四小孔光阑板、衰减延时片、第一凸透镜、三阶非线性介质、第二凸透镜、光纤耦合器、单模光纤和光谱仪，通过傅里叶变换光谱干涉方法对干涉条纹的分析处理重建出待测光的光谱和相位信息，从而还原出待测脉冲形状和相位，实现飞秒脉冲形状和宽度的测量。本发明装置利用光的直线传播特性，具有结构紧凑、牢固且易于调节的特点。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒激光脉冲的时域脉冲的形状和相位测量，特别是一种小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置。
背景技术
1991年Spence等人以钛宝石为增益介质，利用克尔效应发明了克尔透镜锁模(KLM)钛宝石飞秒激光器，极大推动了飞秒技术的发展。随着该技术在医学、加工、生物、化学等各大领域越来越广泛的应用，对于其比任何二极管的响应时间还要短的超短脉冲，其脉宽的测量也随之成为了技术难题。目前，比较常用的飞秒脉冲的测量技术有：频率分辨光开关法(FROG)和自参考光谱相干重建法(SPIDER)。二者都能同时获得超短脉冲的幅值和相位信息，但FROG的脉冲重建过程需要多次的算法迭代，计算复杂，比较难实时测量；SPIDER结合了光谱相干和光谱侧切方法可以对脉冲实时测量，但是其结构复杂，并且偏振元件的使用引入了色散和非线性光学晶体的相位匹配条件限制了带宽。
利用自参考光谱干涉法(SRSI)来测量飞秒激光脉冲于2010年被提出，该方法具有线性、解析、灵敏、准确的特性，更为重要的是具有直接的光谱重建和相位求解迭代算法，整个算法可以在一两秒内完成，可以实现对飞秒激光脉冲进行实时测量和监测。SRSI是通过三阶非线性效应产生参考光，将其与待测光进行光谱干涉，得到干涉光谱然后通过傅里叶变换光谱干涉算法重建得到待测光的光谱和相位。目前，根据参考光的产生方法，可将SRSI分为基于交叉偏振波的自参考光谱干涉法(XPW-SRSI)、基于自衍射效应的自参考光谱干涉法(SD-SRSI)和基于瞬态光栅效应的自参考光谱干涉法(TG-SRSI)，三种方法各有优势。
然而，以往的采用FROG、SPIDER和SRSI方法的测量装置都需要对光路进行转折，进而需要复杂的光路调节。
发明内容
本发明提供一种小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置，该装置利用光的直线传播特性，没有镜片来反射调节偏转激光，具有结构紧凑、牢固且易于调节的特点。该装置结构牢固简单、调节简易。
本发明的技术解决方案如下：
一种小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置，其特点在于构成包括：沿待测脉冲入射光束方向依次是四小孔光阑板、衰减延时片、第一凸透镜、三阶非线性介质、第二凸透镜、光纤耦合器、单模光纤和光谱仪；
所述的四小孔光阑板、第一凸透镜和第二凸透镜同光轴，所述的四小孔光阑板上有四个同样大小的小孔，四个小孔处于一个正方形的四个顶点上，该正方形的中心位于所述的光轴上，入射光经所述的四小孔光阑板被截取出四小束能量和光斑大小近乎一样的a、b、c、d四条光束，所述的衰减延时片位于所述的d光束的光路，给所述的d光束引入一定的时间延迟和能量衰减后并称为未知光U，所述的三阶非线性介质位于所述第一凸透镜焦点附近，所述的a、b、c、U四束光经所述的第一凸透镜聚焦入所述的三阶非线性介质，所述的a、b、c光束产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，所述的未知光U与所述的参考光R在空间上共线，称之为S光束。a、b、c、S光束经过所述的第二凸透镜准直后，仅使光束S经所述的光纤耦合器耦合入所述的单模光纤，最后入射到所述的光谱仪形成光谱干涉条纹，通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终重建出未知光U的时域脉冲形状和时域相位以及频域脉冲光谱和光谱相位，从而实现对于待测光的形状和宽度的测量。
本发明具有如下的显著特点：
1、本发明采用简单的直线型结构，避免了光束的转向调节，使得测量装置小巧、牢固同时易于调节；
2、本发明利用单模光纤来将参考光和未知光通过光纤导入光谱仪中，所述的光纤充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好的去除。
附图说明
图1为本发明小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置的光路图；
图2为测量结果图。
图2(a)为测量的参考光和待测光的干涉条纹(Inter，细实线)，参考脉冲光谱(Ref，粗虚线)和待测脉冲光谱(Test，粗点线)；
图2(b)为待测脉冲重建所得到的时域形状(实线)和相位信息(虚线)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本发明小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置，构成包括：沿待测脉冲入射光束方向依次是四小孔光阑板1、衰减延时片2、第一凸透镜3、三阶非线性介质4、第二凸透镜5、光纤耦合器6、单模光纤7和光谱仪8；
所述的四小孔光阑板1、第一凸透镜3和第二凸透镜5同光轴，所述的四小孔光阑板1上有四个同样大小的小孔，四个小孔处于一个正方形的四个顶点上，该正方形的中心位于所述的光轴上，入射光经所述的四小孔光阑板1被截取出四小束能量和光斑大小近乎一样的a、b、c、d四条光束，所述的衰减延时片2位于所述的光束d的光临上，引入一定的时间延迟和能量衰减并称为未知光U，所述的三阶非线性介质4位于所述第一凸透镜3焦点附近，a、b、c、U四束光经所述的第一凸透镜3聚焦入所述的三阶非线性介质4，所述的a、b、c光束产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，所述的未知光U与所述的参考光R在空间上共线，称之为S光束。所述的a、b、c、S光束经过所述的第二凸透镜5准直后，仅使光束S经所述的光纤耦合器6耦合入所述的单模光纤7，最后进入所述的光谱仪8形成光谱干涉条纹；
通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终重建出未知光U的时域脉冲形状和时域相位以及频域脉冲光谱和光谱相位，从而实现对于待测光的形状和宽度的测量。
下面是实施例装置的主要器件及参数：四小孔光阑板1的每个小孔直径为3mm，间距为4.24mm，衰减延时片2的厚度为0.5mm,衰减约1000倍，第一凸透镜3的焦距为100mm，三阶非线性介质4为0.5mm厚的石英玻璃片，第二凸透镜5的焦距为100mm，光纤耦合器6，单模光纤7和光谱仪8。
大约1uJ/1kHz/800nm的待测飞秒激光与装置同轴心沿箭头方向导入测量装置。待测光经过四小孔光阑板1，被截取出四小束能量和光斑大小近乎一样的a、b、c、d光束。光束d经过所述的衰减延时片2引入约0.75ps的时间延迟和99.5％能量衰减作为未知光U。第一凸透镜3和第二凸透镜5焦距相等，三阶非线性介质4位于二者公共焦点附近。所述的a、b、c、U光束经第一凸透镜3聚焦入三阶非线性介质4，其中，能量较强的三束光a、b、c产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，未知光U与参考光R在空间上共线，称之为S光束。光束a、b、c、S光束经过第二凸透镜5准直后，仅使光束S光束被光纤耦合器6耦合入单模光纤7。单模光纤7充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好的去除。具有一定时间间隔的未知光U与参考光R在光谱仪8中形成光谱干涉条纹，通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱相干算法处理，最终可以重建出未知光U的时域脉冲形状和相位以及频域脉冲光谱和相位，从而实现对于待测光的测量，测量结果如图2所示。图2(a)为测量的参考光和待测光的干涉条纹(Inter，细实线)，参考脉冲光谱(Ref，粗虚线)和待测脉冲光谱(Test，粗点线)；图2(b)为待测脉冲重建所得到的时域形状(实线)和相位信息(虚线)。
Claims (1)
1.一种小型化直线型飞秒激光脉冲形状宽度测量装置，其特征构成包括：沿待测脉冲入射光束方向依次是四小孔光阑板(1)、衰减延时片(2)、第一凸透镜(3)、三阶非线性介质(4)、第二凸透镜(5)、光纤耦合器(6)、单模光纤(7)和光谱仪(8)；
所述的四小孔光阑板(1)、第一凸透镜(3)和第二凸透镜(5)同光轴，所述的四小孔光阑板(1)上有四个同样大小的小孔，四个小孔处于一个正方形的四个顶点上，该正方形的中心位于所述的光轴上，入射光经所述的四小孔光阑板(1)被截取出四小束能量和光斑大小近乎一样的a、b、c、d四条光束，所述的仅光束d经过所述的衰减延时片(2)，引入一定的时间延迟和能量衰减并称为未知光U，所述的三阶非线性介质(4)位于所述第一凸透镜(3)焦点附近，a、b、c、U四束光经所述的第一凸透镜(3)聚焦入所述的三阶非线性介质(4)，所述的a、b、c光束产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，所述的未知光U与所述的参考光R在空间上共线，称之为S光束。a、b、c、S光束经过所述的第二凸透镜(5)准直后，仅使光束S经所述的光纤耦合器(6)耦合入所述的单模光纤(7)，最后进入所述的光谱仪(8)形成光谱干涉条纹；
对所述的光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终重建出未知光U的时域脉冲形状和时域相位以及频域脉冲光谱和光谱相位，从而实现对于待测光的形状和宽度的测量。
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