CN109060150B - 基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置和方法，包括待测超短脉冲激光器、50:50分束器，测量光路、参考光路、合束器和光谱分析仪，将待测超短脉冲分成功率相等的两束待测超短脉冲；待测超短脉冲经由测量光路入射至合束器，调节测量光路中待测超短脉冲的时间延时，调节测量光路中待测超短脉冲的偏振态使之与参考光路的待测超短脉冲相匹配；调节参考光路中待测超短脉冲的光功率使之与测量光路输出的待测超短脉冲光功率相同；测量待测超短脉冲光谱干涉振荡程度的变化，计算待测超短脉冲的时间宽度。本发明摒弃了传统超短脉冲时间宽度测量中的基于倍频晶体测量待测超短脉冲二倍频信号强度的方式，测量灵敏度高，同时有较好的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及超短脉冲光谱测量和时间宽度测量领域，特别涉及一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置和方法。
背景技术
超短脉冲相比于连续激光，具有峰值功率高，单脉冲能量大，平均功率低等优点，因此自其诞生以来一直朝着更短的脉冲宽度、更高的能量密度、更快范围的波长调谐的方向发展，超短脉冲的出现为人类研究超快光学现象及高阶非线性光学现象提供了新的方式，其应用领域日趋扩大，普通的飞秒脉冲激光已在物理学、生物学、化学、生命科学等领域获得了广泛的应用，由于其快速和分辨率高等特性，从而形成了多种时间分辨光谱技术和泵浦探测技术，如：时间分辨荧光光谱技术、时间分辨拉曼光谱技术、飞秒条纹相机、交叉相位调制技术、超高时间分辨扫描探针显微技术、超快光导探针技术等。因此超短脉冲已成为一项有力的物理工具推动者基础研究和新技术的发展。而前沿领域的超短脉冲的时间宽度已经小至阿秒量级，远远超过了目前普通光电探测器和示波器的探测能力，同时也对基于自相关技术的超短脉冲时间宽度测量提出了新的挑战。
超短脉冲技术的发展为生产生活提供便利的同时，也对超短脉冲的测量技术提出了新的要求，超短脉冲的时间宽度是衡量超短脉冲性能的一个重要参数，只有在精确知道超短脉冲的时间宽度的前提下，我们才能够对超短脉冲的性能有整体的了解，进而揭示超短脉冲激光器的物理机制，了解超短脉冲在产生、传输和变换过程中的特性，建立合理的理论模型，为采取合理方法产生更短的超短脉冲提供理论依据。目前而言，针对光信号的测量主要通过光电探测器和示波器观察其信号幅值的变化，然而，光电探测器的响应时间最快仅能到十几个皮秒，远远不能满足对飞秒脉冲甚至阿秒脉冲的时间宽度测量的要求。而基于传统的光学自相关方法和频率分辨光学门方法可以满足对飞秒脉冲时间宽度的测量，然而其测量时间宽度范围较小，一般为几十个飞秒至十几个皮秒，当脉冲宽度窄至几个飞秒甚至阿秒量级时，测量较为困难，而且由于其内部是基于光学倍频效应测量待测超短脉冲的倍频信号，因此要求入射的超短脉冲能量应大于倍频晶体的阈值，故对某些特殊情况下能量较小的超短脉冲(如光纤激光器谐振腔直接产生的超短脉冲)不适用。
发明内容
为解决传统超短脉冲测量方法存在的诸多弊端，本发明提出了一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置和方法，该方法利用超短脉冲传输变换极限原理，将超短脉冲时间宽度的测量转换为对光谱干涉振荡强度的测量，通过调节待测超短脉冲激光器输出两束脉冲光之间的时延差，根据光谱干涉的振荡强度确定两束脉冲光的时间重叠度，通过高精度电控位移台将光谱干涉的振荡强度转换为空间移动距离，进而实现对待测超短脉冲时间宽度的精确测量。
本发明的一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置，该装置包括待测超短脉冲激光器1、50:50分束器2，可调空间光延时线3、二分之一波片4、第一反射镜5、第二反射镜6、可调空间光衰减器7、合束器8和光谱分析仪9；其中：
待测超短脉冲激光器1的输出端与50:50分束器2的输入端相连，50:50分束器2输出两路光路，即测量光路和参考光路：在测量光路中，50:50分束器2透射输出的待测超短脉冲入射至可调空间光延时线3，可调空间光延时线3由两个直角反射棱镜31、32和一个高精度电控位移台33组成，第一直角反射棱镜31将入射的待测超短脉冲反射至固定于高精度电控位移台33的第二直角反射镜32，同时将第二直角反射棱镜32反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出，可调空间光延时线3的输出光脉冲经二分之一波片4和第一反射镜5入射至合束器8；在参考光路中，50:50分束器2反射输出的待测超短脉冲经第二反射镜6和可调空间光衰减器7入射至合束器8；合束器8输出的合束后的待测超短脉冲入射至光谱分析仪9；
所述可调空间光延时线3用于改变测量光路的时间延迟，以使测量光路和参考光路分别输出的待测超短脉冲时间重叠；
所述二分之一波片4用于改变测量光路待测超短脉冲的偏振态，使之与参考光路相匹配；
所述可调空间光衰减器7用于调节参考光路待测超短脉冲的光功率，使之与测量光路输出的光功率相同。
本发明的一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、经50:50分束器将待测超短脉冲激光器输出时间宽度未知的超短脉冲分成功率相等的两束待测超短脉冲；
步骤2、透射输出的待测超短脉冲经由测量光路入射至合束器，利用可调空间光延时线调节测量光路中待测超短脉冲的时间延时，利用二分之一波片调节测量光路中待测超短脉冲的偏振态使之与参考光路的待测超短脉冲相匹配；
步骤3、利用可调空间光衰减器调节参考光路中待测超短脉冲的光功率，使之与测量光路输出的待测超短脉冲光功率相同；
步骤4、测量可调空间光延时线扫描时，待测超短脉冲光谱干涉振荡程度的变化，根据光谱干涉振荡程度计算待测超短脉冲的时间宽度。
与现有超短脉冲时间宽度测量的方法相比，本发明的基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置和方法，摒弃了传统超短脉冲时间宽度测量中的基于倍频晶体测量待测超短脉冲二倍频信号强度的方式，光谱分析仪测量灵敏度高，可以对微弱光信号实现较为灵敏的测量，因此对于类似光纤激光器谐振腔直接产生的超短脉冲和高非线性光子晶体光纤产生的光孤子等情况下具有较好的适用性。
附图标记
图1为超短脉冲时间重叠程度变化时的光谱干涉变化示意图；
图2为可调空间光延时线扫描时的实测超短脉冲光谱干涉的变化示意图；
图3为本发明的基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置结构示意图。
1、待测超短脉冲激光器，2、50:50分束器，3、可调空间光延时线，4、二分之一波片，5、第一反射镜，6、第二反射镜，7、可调空间光衰减器，8、合束器，9、光谱分析仪，31、第一直角反射棱镜，32、第二直角反射棱镜，33、高精度电控位移台。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
本发明的基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置和方法，利用超短脉冲传输变换极限原理，将超短脉冲时间宽度的测量转换为光谱干涉振荡强度的测量，通过高精度电控位移台将光谱干涉振荡程度转换为空间移动距离，从而实现对待测超短脉冲时间宽度的精确测量。
本发明提出的一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置，该装置主要包括待测超短脉冲激光器、测量光路、参考光路、合束器、光谱分析仪。
待测超短脉冲激光器1输出时间宽度未知的超短脉冲经50:50分束器2分为功率相等的透射待测超短脉冲和反射待测超短脉冲，分别入射至测量光路和参考光路。
测量光路的构成如下：50:50分束器2透射输出的待测超短脉冲入射至可调空间光延时线3，可调空间光延时线3由两个直角反射棱镜31、32和一个高精度电控位移台33组成，第一直角反射棱镜31将入射的待测超短脉冲反射至固定于高精度电控位移台33的第二直角反射镜32，同时将第二直角反射棱镜32反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出，可调空间光延时线3的输出光脉冲经二分之一波片4和第一反射镜5入射至合束器8。
参考光路构成如下：50:50分束器2反射输出的待测超短脉冲经第二反射镜6和可调空间光衰减器7入射至合束器8。
合束器8输出的合束后的待测超短脉冲入射至光谱分析仪9。
其中可调空间光延时线3用于改变测量光路的时间延迟；二分之一波片4用于改变测量光路待测超短脉冲的偏振态；可调空间光衰减器7用于调节参考光路待测超短脉冲的光功率。
本发明提出的一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量的方法，该方法主要包括以下步骤：
步骤1：待测超短脉冲激光器输出时间宽度未知的超短脉冲经50:50分束器分成功率相等的两束待测超短脉冲。
步骤2：透射输出待测超短脉冲经由可调空间光延时线、二分之一波片和第一反射镜入射组成的测量光路入射至合束器，可调空间光延时线用于调节测量光路中待测超短脉冲的时间延时，二分之一波片用于调节测量光路中待测超短脉冲的偏振态使之与参考光路的待测超短脉冲相匹配。
步骤3：反射输出的待测超短脉冲经由第二反射镜和可调空间光衰减器组成的参考光路入射至合束器，可调空间光衰减器用于调节参考光路中待测超短脉冲的光功率，使之与测量光路输出的待测超短脉冲光功率相同。
步骤4：合束器输出的待测超短脉冲由光谱分析仪接收，测量可调空间光延时线扫描时，待测超短脉冲光谱干涉振荡程度的变化，根据光谱干涉振荡程度计算待测超短脉冲的时间宽度。
超短脉冲时间宽度计算公式如下：
根据测量光路和参考光路输出待测超短脉冲的光谱干涉振荡程度计算待测超短脉冲时间宽度，其理论依据如下所示：
A(τ)＝∫|I(λ,τ)-Iref(λ,τ)|dλ (2)
其中，I(λ,τ)表示干涉光谱的幅值，A(τ)表示干涉光谱振荡程度对时延τ的变化，其半高全宽表征待测超短脉冲的时间宽度，I(λ0,τ)表示待测超短脉冲的光谱。Iref(λ,τ)表示测量光路和参考光路输出待测超短脉冲相互远离时光谱分析仪接收到的参考光谱信息，λ表示干涉光谱的波长。
Claims (2)
1.一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量装置，其特征在于，该装置包括待测超短脉冲激光器(1)、50:50分束器(2)，可调空间光延时线(3)、二分之一波片(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)、可调空间光衰减器(7)、合束器(8)和光谱分析仪(9)；其中：
待测超短脉冲激光器(1)的输出端与50:50分束器(2)的输入端相连，50:50分束器(2)输出为两路光路，即测量光路和参考光路：在测量光路中，50:50分束器(2)透射输出的待测超短脉冲入射至可调空间光延时线(3)，可调空间光延时线(3)由两个直角反射棱镜(31)、(32)和一个高精度电控位移台(33)组成，第一直角反射棱镜(31)将入射的待测超短脉冲反射至固定于高精度电控位移台(33)的第二直角反射镜(32)，同时将第二直角反射棱镜(32)反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出，可调空间光延时线(3)的输出光脉冲经二分之一波片(4)和第一反射镜(5)入射至合束器(8)；在参考光路中，50:50分束器(2)反射输出的待测超短脉冲经第二反射镜(6)和可调空间光衰减器(7)入射至合束器(8)；合束器(8)输出的合束后的待测超短脉冲入射至光谱分析仪(9)；
所述可调空间光延时线(3)用于改变测量光路的时间延迟，以使测量光路和参考光路分别输出的待测超短脉冲时间重叠，通过测量可调空间光延时线扫描时，待测超短脉冲光谱干涉振荡程度的变化，根据光谱干涉振荡程度计算待测超短脉冲的时间宽度；
所述二分之一波片(4)用于改变测量光路待测超短脉冲的偏振态，使之与参考光路相匹配；
所述可调空间光衰减器(7)用于调节参考光路待测超短脉冲的光功率，使之与测量光路输出的光功率相同。
2.一种基于光谱干涉的超短脉冲时间宽度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、经50:50分束器将待测超短脉冲激光器输出时间宽度未知的超短脉冲分成功率相等的两束待测超短脉冲；
步骤2、透射输出的待测超短脉冲经由测量光路入射至合束器，利用可调空间光延时线调节测量光路中待测超短脉冲的时间延时，利用二分之一波片调节测量光路中待测超短脉冲的偏振态使之与参考光路的待测超短脉冲相匹配；
步骤3、利用可调空间光衰减器调节参考光路中待测超短脉冲的光功率，使之与测量光路输出的待测超短脉冲光功率相同；
步骤4、测量可调空间光延时线扫描时，待测超短脉冲光谱干涉振荡程度的变化，根据光谱干涉振荡程度计算待测超短脉冲的时间宽度。
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| GR01 | Patent grant | ||
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