CN108539573A - 一种超短激光脉冲的时域压缩装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超短激光脉冲时域压缩装置及方法，包括：飞秒激光振荡器、法拉第隔离器、第一物镜、高非线性光子晶体光纤、第二物镜以及4f脉冲整形单元；飞秒激光振荡器出射的飞秒脉冲通过法拉第隔离器后，经第一物镜耦合进入高非线性光子晶体光纤产生连续光谱脉冲；连续光谱脉冲通过第二物镜准直后进入4f脉冲整形单元；4f脉冲整形单元用于测量并补偿连续光谱脉冲的频域相位畸变，实现了对连续光谱脉冲的压缩，频域相位畸变通过多光子脉冲内相位干涉扫描确定。本发明利用频域4f脉冲整形单元，大幅提升了脉冲时域压缩的精度。

Description

一种超短激光脉冲的时域压缩装置及方法

技术领域

本发明属于光学超快脉冲领域，更具体地，涉及一种超短激光脉冲的时域压缩装置及方法。

背景技术

超短脉冲应用范围，从超高速半导体器件的测试到材料精密加工，从激发追踪化学反应到复杂的生物医学应用，使得研究者们以从未有过的光强度水平和时域分辨率来研究光与物质的相互作用。超短脉冲最直接的应用是利用它作为光源，发展多种时间分辨光谱技术和泵浦探测技术，它的发展直接带动物理、化学、生物、材料和信息科学的研究进入超快过程领域，开创了如飞秒化学、量子控制半导体相干光谱等。

由于超短激光脉冲具备宽带光谱，其传输特性容易受到光学系统内光学器件的色散影响，使得超短激光脉冲的时域波形产生失真和畸变，导致激光脉冲的时域宽度变宽。由于脉冲能量一定，所以时域宽度变宽也必然导致峰值能量下降。对于非线性光学来说，峰值功率的下降会导致非线性效应的减弱；对于通讯来说，激光时域宽度的展宽会使得不同的脉冲无法区分，产生码间干扰增加误码率；对于生物医学显微成像应用来说，脉冲时域展宽会导致成像质量严重下降。综上，我们需要采用脉冲时域压缩的方法，控制和改变展宽畸变的超短激光脉冲的波形，使其恢复到较好的状态。

常用的脉冲压缩方法主要是指棱镜对、光栅对、啁啾镜或它们的组合形成的色散补偿器件。由于这些器件的物理和光学性质固定，每种器件的色散补偿能力有限，只是针对某一阶色散进行独立补偿。当色散介质产生的相位包含高阶畸变时，被动整形方法就难以很好地进行色散补偿。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有的基于光栅对或者棱镜对的脉冲时域压缩方法不足的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种超短激光脉冲时域压缩装置，包括：飞秒激光振荡器、法拉第隔离器、第一物镜、高非线性光子晶体光纤、第二物镜以及4f脉冲整形单元；

所述飞秒激光振荡器出射的飞秒脉冲通过所述法拉第隔离器后，经第一物镜耦合进入高非线性光子晶体光纤产生连续光谱脉冲；

所述连续光谱脉冲通过第二物镜准直后进入所述4f脉冲整形单元；

所述4f脉冲整形单元用于测量并补偿连续光谱脉冲的频域相位畸变，实现了对所述连续光谱脉冲的压缩，所述频域相位畸变通过多光子脉冲内相位干涉扫描确定。

可选地，该超短激光脉冲时域压缩装置还包括：第三物镜、倍频晶体、透镜以及光谱仪；

所述第三物镜用于将压缩后的连续光谱脉冲聚焦到所述倍频晶体；

所述倍频晶体用于产生所述连续光谱脉冲对应的二次谐波；

所述透镜用于将所述二次谐波聚焦后输入到所述光谱仪；

所述光谱仪用于通过所述二次谐波测量所述连续光谱脉冲在传输过程中的相位畸变，确定不同波长对应的相位畸变，并控制所述4f脉冲整形单元对所述连续光谱脉冲进行相位补偿。

可选地，所述4f脉冲整形单元包括：空间光调制器；

所述光谱仪通过所述二次谐波测量连续光谱脉冲的波长与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系；并通过该关系控制所述空间光调制器不同像素对应的电压以对所述连续光谱脉冲进行相位补偿，使得补偿后的连续光谱脉冲零畸变。

可选地，所述光谱仪通过所述二次谐波测量连续光谱脉冲的波长的相位与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系，具体包括：

在正式对激光进行时域压缩之前，所述超短激光脉冲时域压缩装置预先进行波长校准和相位校准，找到空间光调制器的不同像素对应的波长，每一个像素所加电压对应的相位变化；为了进行多光子脉冲间干涉相位扫描测量脉冲相位畸变，在待测定的连续光谱脉冲中引入参照函数f(ω,δ)＝αsin(γω-δ)，其中α和γ为固定系数，ω为连续光谱脉冲频率，δ为扫描相位，γ为脉冲的傅里叶变换极限脉冲宽度；

所述光谱仪测量所述参照函数产生的二次谐波信号，生成相位扫描二维轨迹；

所述倍频晶体产生的二次谐波的强度在2ω处可以写作脉冲光谱强度|E(ω)|和相位的积分形式：

其中，Ω是以ω为中心的频率偏移；

所述倍频晶体产生的二次谐波是对频域相位敏感的，二次谐波信号强度与强度和相位之积的积分成正比，对于每一个频率的相位为零时，脉冲为傅里叶变换极限脉冲，此时脉冲虚数部分的积分为零，脉冲产生的二次谐波光谱强度最大；通常相位调制产生的所有物理过程都是连续函数，因此可以将频域相位在ω附近进行2n阶泰勒展开：

其中，为的二阶导数；为的第2n阶导数；

当时，谐波光谱出现最大值；由于所要测量的脉冲的相位是未知的，因此引入一系列以δ为参量的参考函数-f(ω,δ)，通过调整-f(ω,δ)补偿此时脉冲的相位φ(ω)可表示为：

当参照函数f(ω)补偿了本身的相位函数时，脉冲的二次谐波信号达到最大值，脉冲宽度也被压缩到最短；

当时，二次谐波会在2ω处出现一个局部最大值，由于f”(ω)可以通过对已知相位函数f(ω)求导获得，因此未知相位函数也可以被计算出来，对每个参考函数相位，都可以获得对应的二次谐波光谱；

对于光谱的每个频率ω都有δ满足：

即

其中，φ”(ω)为引入参考函数后总的脉冲光谱相位的二阶导数，为要测量的脉冲光谱相位的二阶导数，f”(ω,δ)为参考函数的二阶导数；

此时，二次谐波光谱在ω处达到极大值；

通过查找每一个频率对应的δ_m(ω)，可以计算出相应的二次相位对相应的二次相位进行二次积分，就可以得到脉冲的畸变相位

所述空间光调制器将该畸变相位的相反数输入脉冲，补偿脉冲相位畸变；

所述光谱仪重复测量倍频晶体产生的二次谐波信号，并控制所述空间光调制器继续补偿脉冲相位畸变，直到生成4条相互平行，间隔为π的二维谐波轨迹，此时已经消除脉冲内的色散畸变即实现了脉冲时域压缩。

可选地，在所述空间光调制器两侧放置偏振片，通过设置偏振片和空间光调制器中液晶调制方向夹角为45°，可以使空间光调制器工作在振幅调制模式，即将相位调制转换为可测量的振幅调制；

所述光谱仪通过测量不同像素在不同电压下的透过率，获取4f脉冲整形单元的校准信息，以确定连续光谱脉冲的波长与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系，确定不同波长对应的相位畸变。

第二方面，本发明提供一种超短激光脉冲的时域压缩方法，包括：

(1)预先通过连续光谱脉冲的二次谐波测量所述连续光谱脉冲在超短激光脉冲时域压缩装置传输过程中的相位畸变，确定不同波长对应的相位畸变，所述超短激光脉冲时域压缩装置包括4f脉冲整形单元；

(2)通过所述4f脉冲整形单元测量不同波长对应的相位畸变，将得到的相位畸变的相反数通过空间光调制器输入连续光谱脉冲，实现对连续光谱脉冲的压缩，频域相位畸变通过多光子脉冲内相位干涉扫描确定。

可选地，所述步骤(1)具体包括：

(1.1)在正式对激光进行时域压缩之前，所述超短激光脉冲时域压缩装置预先进行波长校准和相位校准，找到空间光调制器的不同像素对应的波长，每一个像素所加电压对应的相位变化；

(1.2)为了进行多光子脉冲间干涉相位扫描测量脉冲相位畸变，在待测定的连续光谱脉冲中引入参照函数f(ω,δ)＝αsin(γω-δ)，其中α和γ为固定系数，ω为连续光谱脉冲频率，δ为扫描相位，γ为脉冲的傅里叶变换极限脉冲宽度；

(1.3)测量所述倍频晶体产生的二次谐波信号，生成相位扫描二维轨迹；

其中，二次谐波的强度在2ω处可以写作脉冲光谱强度|E(ω)|和相位的积分形式：

其中，Ω是以ω为中心的频率偏移；

所述二次谐波是对频域相位敏感的，二次谐波信号强度与强度和相位之积的积分成正比，对于每一个频率的相位为零时，脉冲为傅里叶变换极限脉冲，此时脉冲虚数部分的积分为零，脉冲产生的二次谐波光谱强度最大；通常相位调制产生的所有物理过程都是连续函数，因此可以将频域相位在ω附近进行2n阶泰勒展开：

其中，为的二阶导数；为的第2n阶导数；

当时，谐波光谱出现最大值；由于所要测量的脉冲的相位是未知的，因此引入一系列以δ为参量的参考函数-f(ω,δ)，通过调整-f(ω,δ)补偿此时脉冲的相位φ(ω)可表示为：

当参照函数f(ω)补偿了本身的相位函数时，脉冲的二次谐波信号达到最大值，脉冲宽度也被压缩到最短；

当时，二次谐波会在2ω处出现一个局部最大值，由于f”(ω)可以通过对已知相位函数f(ω)求导获得，因此未知相位函数也可以被计算出来，对每个参考函数相位，都可以获得对应的二次谐波光谱；

对于光谱的每个频率ω都有δ满足：

即

其中，φ”(ω)为引入参考函数后总的脉冲光谱相位的二阶导数，为要测量的脉冲光谱相位的二阶导数，f”(ω,δ)为参考函数的二阶导数；

此时，二次谐波光谱在ω处达到极大值；

通过查找每一个频率对应的δ_m(ω)，δ_m(ω)为二次谐波最大时对应的扫描相位，可以计算出相应的二次相位对相应的二次相位进行二次积分，就可以得到脉冲的畸变相位

(1.4)将该畸变相位的相反数通过4f脉冲整形单元的空间光调制器输入脉冲，补偿脉冲相位畸变；

(1.5)重复步骤(1.3)和(1.4)数次，直到生成4条相互平行，间隔为π的二维谐波轨迹，此时已经消除脉冲内的色散畸变即实现了脉冲时域压缩。

可选地，该超短激光脉冲的时域压缩方法还包括：

在所述空间光调制器两侧放置偏振片，通过设置偏振片和空间光调制器中液晶调制方向夹角为45°，可以使空间光调制器工作在振幅调制模式，即将相位调制转换为可测量的振幅调制；

通过测量不同像素在不同电压下的透过率，获取4f脉冲整形单元的校准信息，以确定连续光谱脉冲的波长与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系，确定不同波长对应的相位畸变。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明基于傅里叶时空变换的4f频域脉冲整形单元，将超短激光脉冲的不同频率成分在空间上进行单独调制，从而精确测量脉冲色散畸变至高阶色散畸变，完全补偿色散所导致的脉冲时域展宽，因为补偿了相位畸变即使得连续光谱脉冲得以压缩，因此本发明可以将脉冲的时域宽度压缩至最短。

2、本发明经过3到5次算法迭代，能够进一步消除脉冲的色散畸变，补偿精度由0.1rad提高到0.001rad，脉冲时域压缩精度大幅上升。

3、本发明提供的脉冲时域压缩方法，只要脉冲光谱宽度在所搭建的4f脉冲整形单元范围内，都可以进行脉冲压缩，应用范围广。

附图说明

图1为本发明提供的4f脉冲整形单元结构示意图；

图2为本发明提供的4f脉冲整形单元的校准结果示意图；

图3为本发明提供的进行色散畸变扫描的结果示意图，图3a为第1次测量得到的多光子脉冲内干涉相位扫描二维轨迹结果示意图，横坐标为扫描相位δ，纵坐标为二次谐波波长，图像强度代表谐波信号强度，图3b为第5次测量得到的多光子脉冲内干涉相位扫描二维轨迹结果示意图；

图4为本发明实施例提供的超短激光脉冲时域压缩装置结构示意图；

图5为本发明实施例提供的脉冲宽度压缩后结果示意图；

图6为本发明实施例提供的双光子显微成像系统结构示意图；

图7为本发明实施例提供的压缩后的脉冲激光对色氨酸粉末成像结果与未进行压缩的脉冲对色氨酸粉末成像结果对比示意图。

具体实施方式

以下结合实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。

飞秒脉冲整形作为超快脉冲产生的补充现在已经广泛应用于超快光学和超快技术中。目前，超短脉冲整形技术中，傅里叶时空变换4f脉冲整形单元是最为普遍的。4f脉冲整形单元是一种频域整形方法，飞秒激光脉冲整形的根本原因在于它具有宽光谱频带，而利用傅里叶时空变换方法的4f整形器，可以将时域脉冲的频率在空间频谱面上散布得足够宽，即进行时空转换从而在频域上实现脉冲整形，这样方便放置空间光调制器进行空间滤波和相位调制。

本发明提供一种超短激光脉冲的时域压缩装置及方法，超短激光脉冲的时域压缩装置包括4f脉冲整形单元、4f脉冲整形单元的校准和色散畸变扫描。

具体地，本发明提供的4f脉冲整形单元如图1所示，包括透镜(凹面镜)、折叠镜、光栅以及空间光调制器(SLM)。

该4f脉冲整形单元基于空间光调制器。第一个光栅将入射光衍射展开，使入射脉冲的各个频率成分发生角色散，然后经过折叠镜反射到第一个凹面镜上，经过第一个凹面镜的汇聚作用，在其后焦面上聚焦成一个小的衍射有限的光斑，使各个频率成分在一维方向上空间分离。

空间光调制器放置在第一面凹面镜的后焦面上，第二个光栅及第二个凹面镜将分散的频率成分汇聚输出，消除空间色散。第一个光栅与第一个凹面镜之间的光程及第一个凹面镜到空间光调制器之间的光程均为凹面镜的焦距，即整个4f脉冲整形单元关于空间光调制器是完全对称的，形成4f结构。凹面镜、光栅、空间光调制器的参数选择需要满足使超短脉冲的每一个波长成分都可以通过该4f脉冲整形单元。

具体地，由于空间光调制器的像素对宽带光源不同波长成分的折射率不同，我们必须知道空间光调制器的像素与波长的对应关系，以及在不同波长下像素所引入的相位随电压的变化关系，这就涉及到4f脉冲整形单元的波长校准和相位校准。只有实现了4f脉冲整形单元的校准，才能够精确调制相位，从而测量和补偿飞秒脉冲的相位畸变。为此我们需要进行4f脉冲整形单元的校准，准确地测量超短脉冲的波长与空间光调制器像素、相位、电压之间的对应关系。空间光调制器引入的相位本质是由液晶在不同电压下，对于不同波长的折射率不同而引入的微小时延。但这些微小的折射率差和时延都是难以测量的，因此我们无法直接测量相位。我们需要将相位变化转换为可测量的强度变化。在SLM两侧放置偏振片，通过设置偏振片和液晶调制方向夹角为45°，可以使SLM工作在振幅调制模式，即将相位调制转换为可测量的振幅调制。振幅调制模式下，通过测量不同像素在不同电压下的透过率，就能够获取4f脉冲整形单元的校准数据信息。

图2为本发明提供的4f脉冲整形单元的校准结果示意图，如图2所示，通过波长校准和相位-电压校准，测量了每个像素对应的波长和不同电压下引入的相位变化，最终得到了相位随空间光调制器的像素和电压变化的关系图。

在一个具体的实施例中，该4f脉冲整形单元对激光脉冲进行压缩校准的过程如下：

(1)根据所要压缩的脉冲光谱范围和宽度，设计并搭建4f脉冲整形单元。

(2)对4f脉冲整形单元进行波长校准和相位校准，找到不同像素对应的波长，每一个像素所加电压对应的相位变化。

(3)为了进行多光子脉冲间干涉相位扫描测量脉冲相位畸变，引入参照函数f(ω,δ)＝αsin(γω-δ)，其中α和γ为固定系数。α在实验中取1.5π；γ等于脉冲的傅里叶变换极限脉冲宽度。实验中脉冲改变扫描相位δ值，范围0到4π，即两个周期，相比于只扫描一个周期可以有效提高测量精度。此处参照函数选择正弦函数是因为其调制幅度可以控制在2α的范围内，防止振幅过大超出空间光调制器可以调制的范围。通过光谱仪测量其产生的二次谐波信号，生成相位扫描二维轨迹。

(4)二次谐波的强度在2ω处可以写作脉冲光谱强度|E(ω)|和相位的积分形式：

二次谐波是对频域相位敏感的，二次谐波信号强度与强度和相位之积的积分成正比。对于每一个频率的相位为零时，脉冲为傅里叶变换极限脉冲，此时脉冲虚数部分的积分为零，脉冲产生的二次谐波光谱强度最大。通常相位调制产生的所有物理过程都是连续函数，因此可以将频域相位在ω附近进行2n阶泰勒展开：

当时，谐波光谱出现最大值。由于所要测量的脉冲的相位是未知的，因此引入一系列以δ为参量的参考函数-f(ω,δ)，通过调整-f(ω,δ)补偿此时脉冲的相位可表示为：

当参照函数f(ω)补偿了本身的位置函数时，脉冲的二次谐波信号达到最大值，脉冲宽度也被压缩到最短。

当时，二次谐波会在2ω处出现一个局部最大值。由于f”(ω)可以通过对已知相位函数f(ω)求导获得，因此未知相位函数也可以被计算出来。对每个参考函数相位，都可以获得对应的二次谐波光谱。对于光谱的每个频率ω都有δ满足：

即此时，二次谐波光谱在ω处达到极大值。

通过查找每一个频率对应的δ_m(ω)，可以计算出相应的二次相位对相应的二次相位进行二次积分，就可以得到脉冲的畸变相位

(5)将该畸变相位的相反数通过空间光调制器输入脉冲，补偿脉冲相位畸变。具体地，将该色散畸变的相反数转换为电压通过空间光调制器引入脉冲。

(6)重复(3)和(4)数次，就可得到4条相互平行，间隔为π的二维谐波迹，此时已经消除脉冲内的色散畸变即实现了脉冲时域压缩。

图3为本发明提供的进行色散畸变扫描的结果示意图，根据扫描相位和光谱仪采集到的谐波光谱得到二维的二次谐波信号，获得二维图像如图3所示，其中图3a带有两条多光子脉冲间干涉相位扫描迹的是第一次执行算法时得到的，可以看出此时并不是4条平行的二次谐波迹，因为带有大量的色散畸变；经过5次迭代后，补偿了色散畸变，如图3b所示，得到带有四条平行，间隔为π的二次谐波迹，说明此时色散畸变已被补偿。

本发明利用频域4f脉冲整形单元，大幅提升了脉冲时域压缩的精度。

在一个更具体的实施例中，采用该时域压缩方法对光纤连续光谱脉冲进行压缩。

我们使用校准过的4f脉冲整形单元，一片薄的倍频晶体以及一台光谱仪组成的实验装置验证并执行脉冲压缩方法，以测量和补偿宽带光纤连续光谱在传输过程中的相位畸变。

具体地，本发明提供的超短激光脉冲时域压缩装置结构如图4所示，包括：飞秒激光振荡器(简称激光器)、法拉第隔离器、第一物镜、高非线性光子晶体光纤、第二物镜、4f脉冲整形单元、第三物镜、倍频晶体、透镜、光谱仪以及自相关仪。

飞秒激光振荡器出射的飞秒脉冲通过法拉第隔离器后，经第一物镜耦合进入高非线性光子晶体光纤产生连续光谱脉冲；连续光谱脉冲通过第二物镜准直后进入4f脉冲整形单元；4f脉冲整形单元用于测量并补偿连续光谱脉冲的频域相位畸变，实现对连续光谱脉冲的压缩，频域相位畸变通过多光子脉冲内相位干涉扫描确定。第三物镜用于将压缩后的连续光谱脉冲聚焦到倍频晶体；倍频晶体用于产生连续光谱脉冲对应的二次谐波；透镜用于将二次谐波聚焦后输入到光谱仪；光谱仪用于测量倍频晶体产生的二次谐波。自相关仪用于测量连续光谱的时域脉冲宽度。

可选地，连续光谱脉冲的波长为700nm-900nm。

该4f脉冲整形单元包含了光栅、凹面反射镜以及单液晶板的空间光调制器。通过调整空间光调制器前后的偏振片的偏振方向为平行于空间光调制器，使得其工作在相位调制状态。整形后的脉冲被一个物镜聚焦到一片薄的倍频晶体用于产生二次谐波，输出的二次谐波通过透镜聚焦后被分辨率为1nm的光谱仪探测。整形后的脉冲也可以通过反射镜转换光路方向，用于脉冲自相关测量。

由于光纤色散及非线性效应以及耦合物镜的大量色散作用，自相关信号测量到脉冲被展宽到了700fs。

如图5所示。图5a为经过多光子脉冲内干涉相位扫描方法测量并补偿相位畸变后，连续谱脉冲的相位被补偿至零畸变，其中，图5a中实线表示连续光谱脉冲，虚线表示补偿后的连续谱脉冲相位。脉冲恢复到傅里叶变换极限脉冲，横坐标表示连续光谱脉冲的波长，左边纵坐标表示连续光谱脉冲归一化强度，右纵坐标表示连续光谱脉冲的相位，图5b为自相关仪测量得到连续光谱脉冲的时域宽度，横坐标为时间，纵坐标为归一化的连续光谱强度，可以看到使用本发明提供的脉冲压缩方法后，连续谱脉冲的频域相位被补偿至零畸变，脉冲恢复到傅里叶变换极限，时域宽度被压缩至15fs。而使用棱镜对或者光栅对，由于高阶色散不能被补偿，因此只能将该脉冲压缩至约60fs。

图6为本发明实施例提供的双光子显微成像系统结构示意图，如图6所示，除了包括超短激光脉冲的时域压缩装置外，还包括振镜、物镜、探测器以及样品，振镜用于控制连续光谱脉冲在X-Y平面上偏转，物镜用于聚焦连续光谱脉冲到样品上，探测器用于探测样品产生的荧光信号强度，样品用于产生荧光信号。

为了证实压缩连续光谱脉冲对多色显微成像改进能力，我们通过高非线性光子晶体光纤产生700nm-900nm连续光谱，并利用4f脉冲整形单元和脉冲时域压缩方法对脉冲进行压缩，分别使用未压缩连续光谱和压缩连续光谱脉冲对色氨酸晶体标准样品进行成像。

图7为本发明实施例提供的压缩后的脉冲激光对色氨酸粉末成像结果与未进行压缩的脉冲对色氨酸粉末成像结果对比示意图。图7展示使用了本发明脉冲压缩方法的荧光成像系统对色氨酸晶体标准样品的成像结果。相比于未压缩的连续光谱，双光子荧光信号增强了十数倍，显示了脉冲压缩方法的优越性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种超短激光脉冲时域压缩装置，其特征在于，包括：飞秒激光振荡器、法拉第隔离器、第一物镜、高非线性光子晶体光纤、第二物镜以及4f脉冲整形单元；

所述飞秒激光振荡器出射的飞秒脉冲通过所述法拉第隔离器后，经第一物镜耦合进入高非线性光子晶体光纤产生连续光谱脉冲；

所述连续光谱脉冲通过第二物镜准直后进入所述4f脉冲整形单元；

所述4f脉冲整形单元用于测量并补偿连续光谱脉冲的频域相位畸变，实现了对所述连续光谱脉冲的压缩，所述频域相位畸变通过多光子脉冲内相位干涉扫描确定。

2.根据权利要求1所述的超短激光脉冲时域压缩装置，其特征在于，还包括：第三物镜、倍频晶体、透镜以及光谱仪；

所述第三物镜用于将压缩后的连续光谱脉冲聚焦到所述倍频晶体；

所述倍频晶体用于产生所述连续光谱脉冲对应的二次谐波；

所述透镜用于将所述二次谐波聚焦后输入到所述光谱仪；

所述光谱仪用于通过所述二次谐波测量所述连续光谱脉冲在传输过程中的相位畸变，确定不同波长对应的相位畸变，并控制所述4f脉冲整形单元对所述连续光谱脉冲进行相位补偿。

3.根据权利要求2所述的超短激光脉冲时域压缩装置，其特征在于，所述4f脉冲整形单元包括：空间光调制器；

所述光谱仪通过所述二次谐波测量连续光谱脉冲的波长与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系；并通过该关系控制所述空间光调制器不同像素对应的电压以对所述连续光谱脉冲进行相位补偿，使得补偿后的连续光谱脉冲零畸变。

4.根据权利要求3所述的超短激光脉冲时域压缩装置，其特征在于，所述光谱仪通过所述二次谐波测量连续光谱脉冲的波长的相位与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系，具体包括：

在正式对激光进行时域压缩之前，所述超短激光脉冲时域压缩装置预先进行波长校准和相位校准，找到空间光调制器的不同像素对应的波长，每一个像素所加电压对应的相位变化；为了进行多光子脉冲间干涉相位扫描测量脉冲相位畸变，在待测定的连续光谱脉冲中引入参照函数f(ω,δ)＝αsin(γω-δ)，其中α和γ为固定系数，ω为连续光谱脉冲频率，δ为扫描相位，γ为脉冲的傅里叶变换极限脉冲宽度；

所述光谱仪测量所述参照函数产生的二次谐波信号，生成相位扫描二维轨迹；

所述倍频晶体产生的二次谐波的强度在2ω处可以写作脉冲光谱强度|E(ω)|和相位的积分形式：

其中，Ω是以ω为中心的频率偏移；

所述倍频晶体产生的二次谐波是对频域相位敏感的，二次谐波信号强度与强度和相位之积的积分成正比，对于每一个频率的相位为零时，脉冲为傅里叶变换极限脉冲，此时脉冲虚数部分的积分为零，脉冲产生的二次谐波光谱强度最大；通常相位调制产生的所有物理过程都是连续函数，因此可以将频域相位在ω附近进行2n阶泰勒展开：

其中，为的二阶导数；为的第2n阶导数；

当时，谐波光谱出现最大值；由于所要测量的脉冲的相位是未知的，因此引入一系列以δ为参量的参考函数-f(ω,δ)，通过调整-f(ω,δ)补偿此时脉冲的相位φ(ω)可表示为：

当参照函数f(ω)补偿了本身的相位函数时，脉冲的二次谐波信号达到最大值，脉冲宽度也被压缩到最短；

当时，二次谐波会在2ω处出现一个局部最大值，由于f”(ω)可以通过对已知相位函数f(ω)求导获得，因此未知相位函数也可以被计算出来，对每个参考函数相位，都可以获得对应的二次谐波光谱；

对于光谱的每个频率ω都有δ满足：

即

其中，φ”(ω)为引入参考函数后总的脉冲光谱相位的二阶导数，为要测量的脉冲光谱相位的二阶导数，f”(ω,δ)为参考函数的二阶导数；

此时，二次谐波光谱在ω处达到极大值；

通过查找每一个频率对应的δ_m(ω)，可以计算出相应的二次相位对相应的二次相位进行二次积分，就可以得到脉冲的畸变相位

所述空间光调制器将该畸变相位的相反数输入脉冲，补偿脉冲相位畸变；

所述光谱仪重复测量倍频晶体产生的二次谐波信号，并控制所述空间光调制器继续补偿脉冲相位畸变，直到生成4条相互平行，间隔为π的二维谐波轨迹，此时已经消除脉冲内的色散畸变即实现了脉冲时域压缩。

5.根据权利要求4所述的超短激光脉冲时域压缩装置，其特征在于，在所述空间光调制器两侧放置偏振片，通过设置偏振片和空间光调制器中液晶调制方向夹角为45°，可以使空间光调制器工作在振幅调制模式，即将相位调制转换为可测量的振幅调制；

所述光谱仪通过测量不同像素在不同电压下的透过率，获取4f脉冲整形单元的校准信息，以确定连续光谱脉冲的波长与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系，确定不同波长对应的相位畸变。

6.一种超短激光脉冲的时域压缩方法，其特征在于，包括：

(1)预先通过连续光谱脉冲的二次谐波测量所述连续光谱脉冲在超短激光脉冲时域压缩装置传输过程中的相位畸变，确定不同波长对应的相位畸变，所述超短激光脉冲时域压缩装置包括4f脉冲整形单元；

(2)通过所述4f脉冲整形单元测量不同波长对应的相位畸变，将得到的相位畸变的相反数通过空间光调制器输入连续光谱脉冲，实现对连续光谱脉冲的压缩，频域相位畸变通过多光子脉冲内相位干涉扫描确定。

7.根据权利要求6所述的超短激光脉冲的时域压缩方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

(1.1)在正式对激光进行时域压缩之前，所述超短激光脉冲时域压缩装置预先进行波长校准和相位校准，找到空间光调制器的不同像素对应的波长，每一个像素所加电压对应的相位变化；

(1.2)为了进行多光子脉冲间干涉相位扫描测量脉冲相位畸变，在待测定的连续光谱脉冲中引入参照函数f(ω,δ)＝αsin(γω-δ)，其中α和γ为固定系数，ω为连续光谱脉冲频率，δ为扫描相位，γ为脉冲的傅里叶变换极限脉冲宽度；

(1.3)测量所述倍频晶体产生的二次谐波信号，生成相位扫描二维轨迹；

其中，二次谐波的强度在2ω处可以写作脉冲光谱强度|E(ω)|和相位的积分形式：

其中，Ω是以ω为中心的频率偏移；

所述二次谐波是对频域相位敏感的，二次谐波信号强度与强度和相位之积的积分成正比，对于每一个频率的相位为零时，脉冲为傅里叶变换极限脉冲，此时脉冲虚数部分的积分为零，脉冲产生的二次谐波光谱强度最大；通常相位调制产生的所有物理过程都是连续函数，因此可以将频域相位在ω附近进行2n阶泰勒展开：

其中，为的二阶导数；为的第2n阶导数；

当时，谐波光谱出现最大值；由于所要测量的脉冲的相位是未知的，因此引入一系列以δ为参量的参考函数-f(ω,δ)，通过调整-f(ω,δ)补偿此时脉冲的相位φ(ω)可表示为：

当参照函数f(ω)补偿了本身的相位函数时，脉冲的二次谐波信号达到最大值，脉冲宽度也被压缩到最短；

当时，二次谐波会在2ω处出现一个局部最大值，由于f”(ω)可以通过对已知相位函数f(ω)求导获得，因此未知相位函数也可以被计算出来，对每个参考函数相位，都可以获得对应的二次谐波光谱；

对于光谱的每个频率ω都有δ满足：

即

其中，φ”(ω)为引入参考函数后总的脉冲光谱相位的二阶导数，为要测量的脉冲光谱相位的二阶导数，f”(ω,δ)为参考函数的二阶导数；

此时，二次谐波光谱在ω处达到极大值；

通过查找每一个频率对应的δ_m(ω)，δ_m(ω)为二次谐波最大时对应的扫描相位，可以计算出相应的二次相位对相应的二次相位进行二次积分，就可以得到脉冲的畸变相位

(1.4)将该畸变相位的相反数通过4f脉冲整形单元的空间光调制器输入脉冲，补偿脉冲相位畸变；

(1.5)重复步骤(1.3)和(1.4)数次，直到生成4条相互平行，间隔为π的二维谐波轨迹，此时已经消除脉冲内的色散畸变即实现了脉冲时域压缩。

8.根据权利要求7所述的超短激光脉冲的时域压缩方法，其特征在于，还包括：

在所述空间光调制器两侧放置偏振片，通过设置偏振片和空间光调制器中液晶调制方向夹角为45°，可以使空间光调制器工作在振幅调制模式，即将相位调制转换为可测量的振幅调制；

通过测量不同像素在不同电压下的透过率，获取4f脉冲整形单元的校准信息，以确定连续光谱脉冲的波长与空间光调制器的像素、相位以及电压之间的对应关系，确定不同波长对应的相位畸变。