CN108318143A - 高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，该系统采用光脉冲耦合镜沿着具有延时T的两个共线超短光脉冲耦合到光谱色散成像装置的入口，光谱色散成像装置将两个共线超短光脉冲的干涉光谱映射成与相位差相关的空间干涉条纹图，并通过分束器将其分为强度相同的两部分，采用两个调制周期与干涉条纹相同且位移差1/4周期的空间调制器分别调制两部分条纹图。采用两个相同的光电探测装置探测透过两个空间调制器的信号强度。通过两个光电探测装置构成的二维参量曲线的极角即可得到超短光脉冲载波包络相位差。该系统实现了兆赫兹高重复频率光脉冲载波包络相位的连续的单发测量及控制，并可直观实时观测脉冲的载波包络相位。
Description
技术领域
本发明属于超快现象与精密测量技术领域，具体涉及一种高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统。
背景技术
飞秒脉冲的出现极大地促进了超快现象的研究。极端条件下光与物质相互作用的研究，特别是更深的高阶非线性物理现象的研究：如阿秒脉冲的产生，强烈地依赖于超短超强脉冲的光场强度。超短脉冲光场强度的变化与脉冲的载波包络相位紧密相关，特别对周期量级脉冲，脉冲包络内相邻两个光场强度相差极大，因而载波包络相位完全决定了包络内载波振幅的大小。因此对超短光脉冲的载波包络相位的精密测量与控制至关主要。
目前用于测量控制光脉冲载波包络相位的方法有两种：
一种是共线f/2f干涉光谱测量法。该方法将光脉冲的短波与长波的倍频相干涉，通过测量与载波包络相位有关的干涉光谱而得到载波包络相位的漂移。由于受限于光谱探测器的响应时间，等待时间及后续的AD/DA转换及数据处理，其无法用于高重复频率光脉冲载波包络相位的单发测量。
另一种是基于超阈值电离(AT I)高能电子谱的载波包络相位测量法。该方法通过测量在惰性气体中产生于光脉冲偏振方向两边的与载波包络相位敏感的非对称AT I高能电子谱，从而确定光脉冲的载波包络相位。虽然其探测器响应时间很快，可以实时测量单脉冲的载波包络相位，但由于其测量精度取决于高能电子谱的非对称，而脉冲宽度是决定非对称的主要因素。因而该技术只适用于少周期脉冲载波包络相位测量。同时由于AT I高能电子谱需要几十微焦的少周期脉冲在充有氙气的真空腔中产生，因而对脉冲的宽度和能量要求高，且结构复杂。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，可实现兆赫兹高重复频率光脉冲载波包络相位的连续的单发测量及控制，并可直观实时观测脉冲的载波包络相位，同时其结构简单、系统制造成本低。
本发明的基本原理是：
该系统采用光脉冲耦合镜将具有一定延时的位相差与脉冲载波包络相位相关的两个共线的光脉冲耦合到光谱色散成像装置的入口，光谱色散成像装置将两个超短光脉冲的干涉光谱映射成与相位差相关的空间干涉条纹图，并通过分束器将其分为强度相同的两部分，采用两个调制周期与干涉条纹相同且位移差1/4周期的空间调制器分别调制两部分条纹图。采用两个相同的光电探测装置探测透过两个空间调制器的信号强度。通过两个光电探测装置构成的二维参量曲线的极角即可得到超短光脉冲载波包络相位差，同时两个光电探测装置通过示波器可直观实时观测脉冲的载波包络相位差。
本发明的具体技术解决方案如下:
本发明提供了一种高重复频率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，包括沿着具有延时T的两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的光脉冲耦合镜、光谱色散成像装置、空间分束器以及光电探测装置；
所述光脉冲耦合镜用于将具有延时T的两个共线超短光脉冲进行汇聚；
所述光谱色散成像装置将汇聚后的两个共线超短光脉冲干涉光谱映射成与两个共线超短光脉冲的载波包络相位差相关的空间干涉条纹图；
所述空间分束器为正对空间干涉条纹图放置的平行龙基光栅；所述平行龙基光栅为制作在同一基底上的两个完全相同且具有1/4周期位移差的龙基光栅；平行龙基光栅将空间干涉条纹图分为像面面积相同且具有1/4周期位移差的两个子空间干涉条纹图；
所述光电探测装置用于对两个子空间干涉条纹图分别进行汇聚，通过两个子空间干涉条纹图的总强度构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差。
下面给出每个部件的具体结构：
进一步地，所述光谱色散成像装置包括沿着汇聚后两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的狭缝，准直反射镜，空间角色散元件以及聚焦反射镜；狭缝位于光脉冲耦合镜的焦面上；准直反射镜将透过入口狭缝的光束准直，空间角色散元件将准直光束衍射到聚焦反射镜上；聚焦反射镜将不同波长的光聚焦在其焦面的不同位置。
进一步地，所述准直反射镜为柱面镜；所述空间角色散元件为透射光栅或反射光栅或棱镜；所述聚焦反射镜为柱面镜；准直反射镜和聚焦反射镜的镜面镀有全反射膜；准直反射镜的柱轴设置方向和聚焦反射镜的柱轴设置方向均与狭缝方向平行；透射光栅或反射光栅上的刻槽方向与狭缝方向平行；
所述光脉冲耦合镜为柱面耦合镜；光脉冲耦合镜镀有对所测超短光脉冲的光波段的抗反射膜。
进一步地，所述光电探测装置包括两个光耦合透镜组、两个光电二极管以及示波器；所述两个光耦合透镜组分别用于聚集透过空间分束器的两个子空间干涉条纹图；所述两个光电二极管分别接受两个子空间干涉条纹图的强度并构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差；示波器用于实时直观的显示两个超短光脉冲载波包络相位差。
本发明还提出了另外一种高重复频率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，包括沿着具有延时T的两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的光脉冲耦合镜、光谱色散成像装置、强度分束器、空间调制装置、光电探测装置；
所述光脉冲耦合镜用于将具有延时T的两个共线超短光脉冲进行汇聚；
所述光谱色散成像装置将汇聚后的两个共线超短光脉冲干涉光谱映射成与两个共线超短光脉冲的载波包络相位差相关的空间干涉条纹图；
所述强度分束器包括1:1分束器及两个全反镜；所述1:1分束器将空间干涉条纹图分成强度相同的两个子空间干涉条纹图，并通过两个全反镜将两个子空间干涉条纹图转折为平行方向；两个全反镜表面镀有对所测光脉冲的光波段进行全反射的全反射膜；
所述空间调制装置将两个平行的子空间干涉条纹图调制后具有1/4周期位移差；
所述光电探测装置用于接收两个子空间干涉条纹图的总强度并构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差。
下面给出每个部件的具体结构：
进一步地，所述光谱色散成像装置包括沿着两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的狭缝，准直反射镜，空间角色散元件以及聚焦反射镜；狭缝位于光脉冲耦合镜的焦面上；准直反射镜将透过入口狭缝的光束准直，空间角色散元件将准直光束衍射到聚焦反射镜上；聚焦反射镜将不同波长的光聚焦在其焦面的不同位置。
进一步地，所述准直反射镜为球面镜；所述空间角色散元件为透射光栅或反射光栅或棱镜；所述聚焦反射镜为球面镜；准直反射镜和聚焦反射镜的镜面镀有对所测超短光脉冲的光波段全反射膜；准直反射镜的中心轴设置方向和聚焦反射镜的中心轴设置方向均与狭缝方向平行；透射光栅或反射光栅的刻槽方向与狭缝方向平行。
进一步地，所述空间调制装置为正交型龙基光栅；所述正交型龙基光栅为制作在一相互垂直的基底上的两个完全相同的龙基光栅并使其有1/4周期位移；所述光脉冲耦合镜为球面耦合镜；球面耦合镜将脉冲聚焦成一点；光脉冲耦合镜镀有对所测超短光脉冲的光波段的抗反射膜。
进一步地，所述光电探测装置包括两个光耦合透镜组、两个光电二极管以及示波器；所述两个光耦合透镜组分别用于聚集透过空间分束器的两个子空间干涉条纹图；所述两个光电二极管分别接受两个子空间干涉条纹图的强度并构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差；示波器用于实时直观的显示两个超短光脉冲载波包络相位差。
本发明的有益效果是:
1、本发明的系统较之基于超阈值电离(AT I)高能电子谱的载波包络相位测量法其结构结构简单，制造成本低并且易于操作；较之现有共线f/2f干涉光谱测量法中采用光谱探测器进行的探测以及基于超阈值电离(AT I)高能电子谱的载波包络相位测量法对电子进行探测，本发明的系统可实现兆赫兹高重复频率光脉冲载波包络相位的连续的单发测量，并可直观实时观测脉冲的载波包络相位。
2、本发明的第一种方式的测量系统采用一个平行龙基光栅进行分光和调制，其结构简单、测量方式直接。
3、本发明的第二种方式的测量系统采用先强度分束(1:1分束器和两个反射镜)后空间调制装置(正交型龙基光栅)的方式生成两个强度相同且位移周期相差1/4的子空间干涉条纹图，分光更加容易实现，测量精度更高。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明第一种具体实施例的结构示意图。
图3为平行龙基光栅的结构示意图。
图4为本发明第二种具体实施例的结构示意图。
图5为正交型龙基光栅的结构示意图。
图6为第二种具体实施例中强度分束器及正交型龙基光栅相结合的结构示意图。
图7为示波器示意图。
附图标记如下：
1-柱面耦合镜，3-第一柱面反射镜，5-第二柱面反射镜，
01-球面耦合镜，2-狭缝，03-第一球面反射镜，4-反射光栅，05-第二球面反射镜，6-平行龙基光栅，7-聚焦镜，8-第一光电二极管，9-第二光电二极管,10-1:1分束器，11-第一反射镜，12-第二反射镜，13-正交型龙基光栅。
具体实施方式
以下实施例对本发明做进一步的描述，但不应以次限制本发明的保护范围。
本发明提供一种高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，可实现兆赫兹高重复频率光脉冲载波包络相位的连续的单发测量及控制，并可直观实时观测脉冲的载波包络相位。
如图1所示，该系统的基本结构包括沿着具有延时T的两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的光脉冲耦合镜、光谱色散成像装置、空间分束器以及光电探测装置。
本发明提供了该测量系统的两种实施方式：
如图2所示，本实施方式中光脉冲耦合镜为柱面耦合镜1，光谱色散成像装置由狭缝2、第一柱面反射镜3、反射光栅4以及第二柱面反射镜5构成；空间分束器为正对空间干涉条纹图放置的平行龙基光栅6；如图3所示，平行龙基光栅6为制作在同一基底上的两个完全相同的龙基光栅并使其有1/4周期位移；调节平行龙基光栅的位置将空间干涉条纹图分为个像面面积相同且具有1/4周期位移的两子空间干涉条纹图；光电探测装置包括两个聚焦镜7、第一光电二极管8、第二光电二极管9以及示波器；
将具有一定延时的位相差与脉冲载波包络相位有关的两个共线的超短光脉冲经过柱面耦合镜1聚焦在光谱色散成像装置的入口狭缝2上，光谱色散成像装置的入口狭缝2位于光谱色散成像装置的第一柱面反射镜3的焦面上。因此第一柱面反射镜3将透过入口狭缝2的光束准直。反射光栅4将准直光束衍射到第二柱面反射镜5上，第二柱面反射镜5将不同波长的光聚焦在其焦面的不同位置，从而得到狭缝2的色散成像，其成的像为两个超短光脉冲的空间干涉条纹图，其中，空间干涉条纹图的条纹的周期取决于两个超短光脉冲的延时、反射光栅参数以及反射光栅与第二柱面反射镜5的距离；而干涉条纹的位置取决于两个脉冲的载波包络相位差。通过调节平行龙基光栅6的位置使空间干涉条纹图在平行龙基光栅6上对等分布，从而形成两个像面面积相同且具有1/4周期位移的子空间干涉条纹图，即实现了空间分束以及调制。
透过平行龙基光栅的两个子空间干涉条纹图分别通过两个聚焦镜7分别耦合到两个完全相同的第一光电二极管8和第二光电二极管9上，通过两个光电二极管信号构成的二维参量曲线的极角即可得到输入的两个超短光脉冲载波包络相位差。如图7所示，将两个光电二极管信号连接到示波器的X,Y通道，即可实时直观地观察两个超短光脉冲载波包络相位差，将得到的相位信号反馈到被测脉冲的振荡器或放大器中的色散或相位控制元件即可实现被测脉冲载波包络相位的控制及稳定。
第一种方式中采用的空间分束器(平行龙基光栅)不仅实现光的均分，同时还实现1/4周期相差的位移，其测量起来直接有效并且结构也较为简单。
本发明还提供了第二种方式：
第二种实施方式的具体结构方式如图4所示:
本实施方式中光脉冲耦合镜为球面耦合镜01，光谱色散成像装置由狭缝2、第一球面反射镜03、反射光栅4以及第二球面反射镜05构成；光分束装置的强度分束器为一个1:1分束器10和第一反射镜11和第二反射镜12；空间调制装置采用正交型龙基光栅13；光电探测装置由两个聚焦镜7、第一光电二极管8、第二光电二极管9以及示波器组成；
将具有一定延时的位相差与脉冲载波包络相位相关的两个共线的超短光脉冲经过球面耦合镜01聚焦在光谱色散成像装置的入口狭缝2上，光谱色散成像装置的入口狭缝2位于光谱色散成像装置的第一球面反射镜03的焦面上。因此第一球面反射镜03将透过入口狭缝2的光束准直。反射光栅4将准直光束衍射到第二球面反射镜05上，第二球面反射镜05将不同波长的光聚焦在其焦面的不同位置，从而得到狭缝2的色散成像，其成的像为两个超短光脉冲的空间干涉条纹图，其中，空间干涉条纹图的条纹的周期取决于两个超短光脉冲的延时、反射光栅参数以及反射光栅与第二球面反射镜05的距离；而干涉条纹的位置取决于两个脉冲的载波包络相位差。如图6所示，通过1:1分束器10将光分为强度相等的两束，1:1分束器10将反射光垂直于图4的平面反射，强度相等的两束光经过第一反射镜11和第二反射镜12正交重合并分别照射在正交型龙基光栅13上，从而形成两个相互垂直、强度相同且位移周期相差1/4的两个子空间干涉条纹图。如图5所示，正交型龙基光栅13为两个完全相同的龙基光栅制作在两个相互垂直的基底上并使其有1/4周期的位移。
透过正交型龙基光栅13的两个字空间干涉条纹图通过两个聚焦镜7分别耦合到两个完全相同的第一光电二极管8和第二光电二极管9上。通过两个光电二极管信号构成的二维参量曲线的极角即可得到输入的两个超短光脉冲载波包络相位差。如图7所示，将两个光电二极管信号连接到示波器的X,Y通道，即可实时直观地观察两个超短光脉冲载波包络相位差，将得到的相位信号反馈到被测脉冲的振荡器或放大器中的色散或相位控制元件即可实现被测脉冲载波包络相位的控制及稳定。
需要说明的是：第一种实施方式和第二种实施方式中的球面耦合镜01或柱面耦合镜1镀有对所测光脉冲的光波段的抗反射膜。第一柱面反射镜3、第一球面反射镜03、第二柱面反射镜5、第二球面反射镜05、第一反射镜11、第二反射镜12镀有对所测光脉冲的光波段全反射膜。柱面耦合镜1，球面耦合镜01，第一柱面反射镜3、第一球面反射镜03、第二柱面反射镜5、第二球面反射镜05与狭缝2方向平行。反射光栅4刻槽与狭缝2方向平行，平行龙基光栅6刻槽与狭缝2方向平行。第一光电二极管和第二光电二极管均采用P I N管。
Claims (9)
1.一种高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：包括沿着具有延时T的两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的光脉冲耦合镜、光谱色散成像装置、空间分束器以及光电探测装置；
所述光脉冲耦合镜用于将具有延时T的两个共线超短光脉冲进行汇聚；
所述光谱色散成像装置将汇聚后的两个共线超短光脉冲干涉光谱映射成与两个共线超短光脉冲的载波包络相位差相关的空间干涉条纹图；
所述空间分束器为正对空间干涉条纹图放置的平行龙基光栅；所述平行龙基光栅为制作在同一基底上的两个完全相同且具有1/4周期位移差的龙基光栅；平行龙基光栅将空间干涉条纹图分为像面面积相同且具有1/4周期位移差的两个子空间干涉条纹图；
所述光电探测装置用于对两个子空间干涉条纹图分别进行汇聚，通过两个子空间干涉条纹图的总强度构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差。
2.根据权利要求1所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述光谱色散成像装置包括沿着汇聚后两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的狭缝，准直反射镜，空间角色散元件以及聚焦反射镜；狭缝位于光脉冲耦合镜的焦面上；准直反射镜将透过入口狭缝的光束准直，空间角色散元件将准直光束衍射到聚焦反射镜上；聚焦反射镜将不同波长的光聚焦在其焦面的不同位置。
3.根据权利要求1所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述准直反射镜为柱面镜；所述空间角色散元件为透射光栅或反射光栅或棱镜；所述聚焦反射镜为柱面镜；准直反射镜和聚焦反射镜的镜面镀有全反射膜；准直反射镜的柱轴设置方向和聚焦反射镜的柱轴设置方向均与狭缝方向平行；透射光栅或反射光栅上的刻槽方向与狭缝方向平行；
所述光脉冲耦合镜为柱面耦合镜；光脉冲耦合镜镀有对所测超短光脉冲的光波段的抗反射膜。
4.根据权利要求1所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述光电探测装置包括两个光耦合透镜组、两个光电二极管以及示波器；所述两个光耦合透镜组分别用于聚集透过空间分束器的两个子空间干涉条纹图；所述两个光电二极管分别接受两个子空间干涉条纹图的强度并构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差；示波器用于实时直观的显示两个超短光脉冲载波包络相位差。
5.一种高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：包括沿着具有延时T的两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的光脉冲耦合镜、光谱色散成像装置、强度分束器、空间调制装置、光电探测装置；
所述光脉冲耦合镜用于将具有延时T的两个共线超短光脉冲进行汇聚；
所述光谱色散成像装置将汇聚后的两个共线超短光脉冲干涉光谱映射成与两个共线超短光脉冲的载波包络相位差相关的空间干涉条纹图；
所述强度分束器包括1:1分束器及两个全反镜；所述1:1分束器将空间干涉条纹图分成强度相同的两个子空间干涉条纹图，并通过两个全反镜将两个子空间干涉条纹图转折为平行方向；两个全反镜表面镀有对所测光脉冲的光波段进行全反射的全反射膜；
所述空间调制装置将两个平行的子空间干涉条纹图调制后具有1/4周期位移差；
所述光电探测装置用于接收两个子空间干涉条纹图的总强度并构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差。
6.根据权利要求5所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述光谱色散成像装置包括沿着两个共线超短光脉冲的出射方向依次设置的狭缝，准直反射镜，空间角色散元件以及聚焦反射镜；狭缝位于光脉冲耦合镜的焦面上；准直反射镜将透过入口狭缝的光束准直，空间角色散元件将准直光束衍射到聚焦反射镜上；聚焦反射镜将不同波长的光聚焦在其焦面的不同位置。
7.根据权利要求5所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述准直反射镜为球面镜；所述空间角色散元件为透射光栅或反射光栅或棱镜；所述聚焦反射镜为球面镜；准直反射镜和聚焦反射镜的镜面镀有对所测超短光脉冲的光波段全反射膜；准直反射镜的中心轴设置方向和聚焦反射镜的中心轴设置方向均与狭缝方向平行；透射光栅或反射光栅的刻槽方向与狭缝方向平行。
8.根据权利要求5所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述空间调制装置为正交型龙基光栅；所述正交型龙基光栅为制作在一相互垂直的基底上的两个完全相同的龙基光栅并使其有1/4周期位移；所述光脉冲耦合镜为球面耦合镜；球面耦合镜将脉冲聚焦成一点；光脉冲耦合镜镀有对所测超短光脉冲的光波段的抗反射膜。
9.根据权利要求5所述的高重复率超短光脉冲载波包络相位的测量系统，其特征在于：所述光电探测装置包括两个光耦合透镜组、两个光电二极管以及示波器；所述两个光耦合透镜组分别用于聚集透过空间分束器的两个子空间干涉条纹图；所述两个光电二极管分别接受两个子空间干涉条纹图的强度并构成二维参量曲线的极角最终获得两个共线超短光脉冲载波包络相位差；示波器用于实时直观的显示两个超短光脉冲载波包络相位差。
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