CN109540304A - 一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于频率分辨光学开关法（FROG）而建立的超短激光脉冲测量装置。其原理是在标准FROG装置基础上进行改装，利用信号发生器输出的正弦信号同步驱动音圈电机和扫描振镜。其中音圈电机将带动一个直角反射镜往复运动从而实现快速的延时扫描，而扫描振镜上下摆动可将被光栅水平方向展开的自相关信号的光谱按照延时顺序反射至面阵相机（CCD或CMOS）感光面上的不同位置。这样在半个正弦波周期内触发面阵相机持续曝光，即可拍摄得到一幅完整的FROG迹线图，继而根据FROG迹线图对被测量脉冲进行重构。
Description
技术领域
本发明涉及激光测量设备领域，更具体地，涉及一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置。
背景技术
超短激光脉冲在光化学、量子相干控制、显微成像、光通信、微加工等领域具有重要的应用，超短激光脉冲的测量也显得越来越重要，而目前超短激光脉冲的测量主要采用频率分辨光学开关法（FROG）。
频率分辨光学开关法是一种用于测量超短激光脉冲的通用方法，其主要思想是通过测量脉冲的“自谱图”（即脉冲在非线性光学介质中对其自身进行开关操作，开关操作后的脉冲又将其自身反映在它形成的谱中），因为该谱是两脉冲间延迟时间的函数，使用二维相位恢复算法便可从脉冲的FROG记录中提取脉冲的相关信息。
现有FROG装置可分成 3大类：
①标准FROG装置：其基本方法是将待测脉冲经分束器分为两束，一束作为探测光，另一束作为光开关，并且让作为光开关的光束引入一个时间延迟，然后再让两束光通过倍频晶体产生相互作用，经过光谱仪进行光谱展开后，用CCD进行测量，得到相互作用后的光强随频率和时间延迟变化的空间图形，成为FROG迹线；然后使用数学上的二维相位恢复算法把脉冲激光的相位与波形还原出来，具体来说就是迭代，通过傅里叶变换，把脉冲波形变成频率上的分布，并估算其相位，得出来的FROG踪迹图与测试图对比，通过不断的迭代，最终使两者差值最小，实现脉冲激光的相位测试。但是标准FROG装置的一个主要缺点是拍摄时间较长，导致其测量速度慢，例如要拍摄大矩阵谱图（1024×1024）通常需1分钟以上。
②Single-shot FROG装置：将脉冲光通过双反射镜进行扩束后分成两束，再通过圆柱面反射镜以特定角度汇聚倍频晶体上，形成延时与空间坐标的对应关系，因此不需要扫描延时，由于不需要扫描延时，可以一次性地获得二维FROG迹线，因而测量速度很快，尤其适用于脉冲重复率比较低（1Hz~1kHz）的超短脉冲；但是其缺点是灵敏度比标准FROG低2-3个数量级，通常只能测量较强的脉冲，而且脉冲宽度的测量范围受限制。
③GRENOUILLE装置：GRENOUILLE用菲涅耳双棱镜替代了常用的复杂分束器/延迟线/光束重组光学装置，菲涅耳双棱镜由两块相同的薄三棱镜底面相合而构成，是一种形成相干光源的光学元件，利用菲涅耳双棱镜可以获得两束相干光以实现光的干涉，因此不需要扫描延时，测量速度快，且灵敏度较高；但是每台设备只能测量固定的带宽、脉宽和波长范围内的超短脉冲，其适用测量范围很窄。
根据FROG方法脉冲重构算法的特点，在满足采样定理的前提下，若FROG迹线的阵列数为N，则重构得到的脉冲I(t)和f(t)的有效数据点为N。N越大则脉冲结构的细节越清晰。测量结构复杂（包括色散大的）的脉冲，可通过记录大矩阵FROG迹线（如512×512,1024×1024，甚至2048×2048），从而精确地重构出复杂脉冲的结构。
随着数字成像技术的持续发展，百万至千万像素的面阵相机（CCD/ CMOS）日渐普及。例如目前像素为2048×2048的面阵CCD相机的刷新速度可达10 fps以上；相同像素数目的CMOS相机的速度可达90 fps以上。
标准FROG装置走一步拍一幅1维谱，不能利用大面阵相机实现脉冲的快速测量；Single-shot FROG和GRENOUILLE虽然可利用大面阵相机，拍摄速度很快，但它们本身的适用范围较窄。
发明内容
本发明旨在克服上述现有的测量技术在超短激光脉冲测量中测量速度慢、测量范围窄的不足，提供一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置，其特点是在标准FROG装置基础上利用信号发生器同步驱动音圈电机和扫描振镜，在实现延时快速扫描的同时让自相关信号光谱依次反射到面阵相机的不同位置，进而可用面阵相机快速地拍摄FROG迹线谱图，由此可实现超短脉冲的实时测量。
本发明的具体内容如下：
一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置，包括分束镜、第一直角反射镜、第一反射镜、音圈电机、安装在音圈电机上的第二直角反射镜、第二反射镜、凹面反射镜、倍频晶体、准直透镜、可将脉冲偏振方向旋转90°的潜望镜、平面光栅、聚焦透镜、扫描振镜、面阵相机、信号发生器、功率放大器；
其中，信号发生器有三条输出线路，第一条输出线路输出的正弦信号经功率放大器放大后和第二条输出线路输出的正弦信号分别用于同步驱动音圈电机和驱动扫描振镜，从而使音圈电机带动第二直角反射镜作往复运动以及驱动扫描振镜作上下摆动；第三条输出线路输出的正弦信号用于触发面阵相机在延迟扫描过程中持续曝光；
待测脉冲的传播路径分两路进行 ：一路透过分束镜之后依次被第一直角反射镜和第一反射镜反射；另一路由分束镜反射，再经安装在音圈电机上的第二直角反射镜反射；
这两束光保持平行传播，经由第二反射镜和凹面反射镜反射聚焦到倍频晶体上，产生倍频自相关信号脉冲，自相关信号脉冲先由透镜准直为平行光束，再由潜望镜将光束的偏振方向从垂直偏振改变为水平偏振，然后由平面光栅反射将其光谱在水平方向上展开，再由透镜聚焦并且被扫描振镜反射至面阵相机的感光面，于是自相关信号脉冲的光谱将按延时的顺序依次照射到面阵相机感光面的不同位置。
上述方案中，信号发生器设定的扫描频率低于面阵相机的帧率。其频率一般设为1-100Hz，则拍摄FROG迹线图的曝光时间小于1s，最快可达10ms量级。在此基础上，对于强度较弱的或者脉宽较长的脉冲，由于其自相关信号相对较弱，应设定较低的扫描频率使得自相关信号脉冲的光谱在面阵相机上照射较长时间，从而以获取高信噪比的FROG迹线；而对于较强的脉冲则可以提高扫描频率快速扫过面阵相机，获得亮度清晰的图像，如此就不需用衰减器调节被测脉冲的强度。
上述方案中，功率放大器上设有音量调节旋钮，根据被测量脉冲的宽度，可以通过调节功率放大器的音量旋钮来调整音圈电机的振幅，从而设定延时扫描的量程。因此可以先设定较大的延时扫描量程以便快速浏览FROG谱图的全景及亮度分布情况，然后再设置合适的延时扫描量程和扫描频率以便获得尽可能多的有效数据和图像对比度，这将有助于脉冲重构精确度达到最优化。
上述方案中，信号发生器的正弦信号驱动音圈电机作往复运动时，将在正弦波的正半周期和负半周期内各出现一次自相关信号。由于存在相位滞后问题，这两个自相关信号对应的FROG谱图很难在面阵相机的感光面上完全重合，因此通过设定面阵相机在信号发生器发出的正弦波的正半周期或负半周期进行拍摄，可以得到清晰度高的FROG迹线谱图。
上述方案中，音圈电机配置有滑台，第二直角反射镜安装在滑台上。
上述方案中，扫描振镜在上下摆动的过程中将往复扫描比面阵相机的感光面大3倍以上的固定区域，可以提高相机感光面所对应的延时扫描的线性度。
作为一种优选方案，可将扫描振镜安装在手动旋转台上以便调整振镜的初始位置，使得扫描延时的0点刚好对应着相机感光面的中央，有助于拍摄到尽量多的有效数据点的FROG谱图。
另外，可以通过调节信号发生器输出恒定振幅的正弦波形。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：利用信号发生器同步驱动音圈电机和扫描振镜，在实现延时快速扫描的同时让自相关信号光谱依次反射到面阵相机的不同位置，进而可用面阵相机快速地拍摄FROG迹线谱图，由此可实现超短脉冲的实时测量。
附图说明
图1 为本发明的一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置的结构原理图。
图2 为在量程x下拍摄到脉冲A的FROG迹线图。
图3 为在量程x下拍摄到脉冲B的FROG迹线图。
图4 为在量程y下拍摄到脉冲A的FROG迹线图。
图5 为重构出来的脉冲A的时域强度包络和相位曲线图，以及傅立叶变换后得到的光谱分布和光谱相位曲线图。
图6为重构出来的脉冲B的时域强度包络和相位曲线图，以及傅立叶变换后得到的光谱分布和光谱相位曲线图。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1：
如图1所示，一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置，包括分束镜1、第一直角反射镜2、第一反射镜3、音圈电机4、安装在音圈电机上的第二直角反射镜5、第二反射镜6、凹面反射镜7、倍频晶体8、准直透镜9、可将脉冲偏振方向旋转90°的潜望镜10、平面光栅11、聚焦透镜12、扫描振镜13、面阵相机14、信号发生器15、功率放大器16；
其中，信号发生器15有三条输出线路，第一条输出线路输出的正弦信号经功率放大器16放大后和第二条输出线路输出的正弦信号分别用于同步驱动音圈电机4和驱动扫描振镜13，从而使音圈电机4带动第二直角反射镜5作往复运动以及驱动扫描振镜13作上下摆动；第三条输出线路输出的正弦信号用于触发面阵相机14在延迟扫描过程中持续曝光；
待测脉冲的传播路径分两路进行 ：一路透过分束镜1之后依次被第一直角反射镜2和第一反射镜3反射；另一路由分束镜1反射，再经安装在音圈电机4上的第二直角反射镜5反射；
这两束光保持平行传播，经由第二反射镜6和凹面反射镜7反射聚焦到倍频晶体8上，产生倍频自相关信号脉冲，自相关信号脉冲先由透镜9准直为平行光束，再由潜望镜10将光束的偏振方向从垂直偏振改变为水平偏振，然后由平面光栅11反射将其光谱在水平方向上展开，再由透镜12聚焦并且被扫描振镜13反射至面阵相机14的感光面，于是自相关信号脉冲的光谱将按延时的顺序依次照射到面阵相机14感光面的不同位置。而且正弦信号触发面阵相机14在延迟扫描过程中持续曝光，即可拍摄到一幅完整的FROG迹线图。
具体实施过程中，调节信号发生器15输出恒定振幅的正弦波形，这样扫描振镜13将往复扫描包含面阵相机14感光面在内的固定区域。进一步的，为了提高相机感光面所对应的延时扫描的线性度，建议选择扫描振镜13的扫描范围比面阵相机14的感光面大3倍以上。而音圈电机4的振幅决定了延时扫描的范围，因此需根据被测量脉冲的宽度来设定延时扫描的范围。由于信号发生器15已设定输出波形的振幅，因而要通过调节功率放大器16的音量旋钮改变音圈电机4的振幅，从而设定延时扫描的量程。因此可以先设定较大的延时扫描量程以便快速浏览FROG谱图的全景及亮度分布情况，然后再设置合适的延时扫描量程和扫描频率以便获得尽可能多的有效数据和图像对比度，这将有助于脉冲重构精确度达到最优化。
一般的，信号发生器15的扫描频率一般设为1-100Hz，则FROG谱图的拍摄时间可小于1s。而该装置能够测量的脉冲宽度范围决定于所选用的音圈电机4的最大行程。例如若选用行程为25mm的音圈电机，应可测量脉宽从几个fs到60ps范围内的超短脉冲。
进一步的，信号发生器15设定的扫描频率低于面阵相机14的帧率。在此基础上，对于强度较弱的或者脉宽较长的脉冲，由于其自相关信号相对较弱，应设定较低的扫描频率使得自相关信号脉冲的光谱在面阵相机14上照射较长时间，从而以获取高信噪比的FROG迹线；而对于较强的脉冲则可以提高扫描频率快速扫过面阵相机，获得亮度清晰的图像。如此就不需用衰减器调节被测脉冲的强度。
信号发生器15的正弦信号驱动音圈电机4作往复运动时，将在正弦波的正半周期和负半周期内各出现一次自相关信号。由于存在相位滞后问题，这两个自相关信号对应的FROG谱图很难在面阵相机14的感光面上完全重合，因此通过设定面阵相机14在信号发生器15发出的正弦波的正半周期或负半周期进行拍摄，可以得到清晰度高的FROG迹线谱图。
音圈电机4配置有滑台，第二直角反射镜5安装在滑台上，通过滑台可以使得第二直角反射镜可以随音圈电机4做往复运动。
作为一种优选方案，可将扫描振镜13安装在手动旋转台上以便调整振镜的初始位置，使得扫描延时的0点刚好对应着相机感光面的中央，有助于拍摄到尽量多的有效数据点的FROG谱图。
另外，可以通过调节信号发生器15输出恒定振幅的正弦波形。
基于本发明的一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置，本发明用于测量脉冲的具体测量步骤如下 ：
让被测量的超短脉冲以水平偏振状态入射到图1所示的超短激光脉冲测量装置的分束镜1；在信号发生器15未开启时调整两臂光程从而得到最强自相关信号；然后调整扫描振镜13基座的手动旋转台使得自相关脉冲的光谱照射在面阵相机14的中央。
开启信号发生器15输出合适幅度和频率的正弦波，调节功率放大器16输出以便设定扫描量程，使面阵相机14中展现的FROG谱图有较多的有效数据点。必要时可作光谱和延时坐标的校正，其中延时坐标的校正方法可按下列方式进行：可定制3-5个对应于不同延时扫描量程的厚度不同的透明聚酯薄膜或者玻璃薄片。将薄片插入测量光路的其中一臂可改变其光程，可在两臂之间产生附加的光程差。这时面阵相机14拍摄到的FROG谱图位置将会在时间轴方向产生一个相对的平移量，由此可计算出延时的坐标尺度。优选方式是可以在同一扫描量程下插入多个不同厚度的薄片，拟合出光程差改变量与图像平移量的线性关系，从而以实现准确的延时定标。所有量程定标后即可为以后的测量带来便利。
通过面阵相机14完成高对比度的FROG谱图的拍摄。若谱图出现因音圈电机4震动引起的横条纹，可需先对谱图作适当的平滑处理，然后采用国际标准的FROG算法程序重构出被测量脉冲的强度包络和相位曲线，作傅里叶变换可以获得脉冲的光谱分布和光谱相位曲线。
下面结合一个应用实例来具体说明利用本发明的装置测量脉冲的方法。
一个由钛宝石飞秒激光器输出的飞秒脉冲,标记为脉冲A，其中心波长为813nm，带宽△λ=18nm。让它透过一块厚200mm的BK7玻璃可得到一个展宽脉冲，标记为脉冲B。
将这两个脉冲分别引入图1所示的装置进行测量。
先通过调节功率放大器16设定较大的延时扫描量程，可以在面阵相机14中快速浏览FROG谱图的全景及亮度分布情况，然后再通过调节功率放大器16设置最合适的延时扫描量程和通过调节信号发生器15设置最合适的扫描频率，以便获得尽可能多的有效数据和图像对比度。
然后利用面阵相机14拍摄脉冲的FROG迹线图，所拍摄的FROG迹线图如图2、图3所示，其中图2为采用延时扫描量程x拍摄到的脉冲A的FROG迹线图；图3为采用延时扫描量程x拍摄到的脉冲B的FROG迹线图。从图2可以看出在量程x下脉冲A在时间轴方向上的有效数据点很少，难以准确计算出脉冲的结构；而图3中脉冲B的有效数据点足够多，能准确重构脉冲的形状。
再次调节功率放大器16可减小扫描量程，此时面阵相机14所拍摄的FROG迹线图如图4所示，图4为采用延时扫描量程y拍摄到的脉冲A的FROG迹线图，具有较多的有效数据点，能准确重构脉冲的形状。
根据FROG迹线图对被测量脉冲进行重构，重构后的脉冲形状如图5、图6所示，其中图5是根据图4脉冲A的FROG迹线图重构出来的脉冲A在时域上的强度包络和相位曲线图及通过傅立叶变换得到的光谱分布和和光谱相位曲线图，脉冲的宽度为58fs；图6是根据图3脉冲B的FROG迹线图重构出来的脉冲B在时域上的强度包络和相位曲线图以及光谱分布和和光谱相位曲线图，脉冲宽度展宽为492fs。
附图中展示的位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制 ；
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于频率分辨光学开关法的超短激光脉冲测量装置，其特征在于，包括分束镜（1）、第一直角反射镜（2）、第一反射镜（3）、音圈电机（4）、安装在音圈电机上的第二直角反射镜（5）、第二反射镜（6）、凹面反射镜（7）、倍频晶体（8）、准直透镜（9）、可将脉冲偏振方向旋转90°的潜望镜（10）、平面光栅（11）、聚焦透镜（12）、扫描振镜（13）、面阵相机（14）、信号发生器（15）、功率放大器（16）；
其中所述信号发生器（15）有三条输出线路，第一条输出线路输出的正弦信号经功率放大器（16）放大后和第二条输出线路输出的正弦信号分别用于同步驱动音圈电机（4）和驱动扫描振镜（13），从而使音圈电机（4）带动第二直角反射镜（5）作往复运动以及驱动扫描振镜（13）作上下摆动；第三条输出线路输出的正弦信号用于触发面阵相机（14）在延迟扫描过程中持续曝光；
其中，待测脉冲的传播路径分两路进行 ：一路透过分束镜（1）之后依次被第一直角反射镜（2）和第一反射镜（3）反射；另一路由分束镜（1）反射，再经安装在音圈电机（4）上的第二直角反射镜（5）反射；
这两束光保持平行传播，经由第二反射镜（6）和凹面反射镜（7）反射聚焦到倍频晶体（8）上，产生倍频自相关信号脉冲，自相关信号脉冲先由透镜（9）准直为平行光束，再由潜望镜（10）将光束的偏振方向从垂直偏振改变为水平偏振，然后由平面光栅（11）反射将其光谱在水平方向上展开，再由透镜（12）聚焦并且被扫描振镜（13）反射至面阵相机（14）的感光面。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，所述信号发生器(15)设定的扫描频率低于面阵相机(14)的帧率。
3.根据权利要求1所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，功率放大器（16）设有音量调节旋钮，所述功率放大器（16）根据被测量脉冲的宽度，通过调节功率放大器（16）的音量旋钮来调整音圈电机（4）的振幅。
4.根据权利要求1所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，所述面阵相机(14)在信号发生器（15）发出的正弦波的正半周期或负半周期进行拍摄。
5.根据权利要求1所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，扫描振镜（13）的扫描范围比面阵相机（14）的感光面大3倍以上。
6.根据权利要求1所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，还包括一个手动旋转台，扫描振镜（13）安装手动旋转台上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，信号发生器（15）输出恒定振幅的正弦波形。
8.根据权利要求1-6任一项所述的激光脉冲测量装置，其特征在于，音圈电机配置有滑台，第二直角反射镜（5）安装在滑台上。
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