CN111854987A - 一种基于少层二维材料-光纤复合结构的集成超短脉冲测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于少层二维材料‑光纤复合结构的集成超短脉冲测量装置和测量方法。利用胶带撕得的少层二维材料(单层、双层、三层等)通过干法转移至新切割好的光纤(可以为普通单模光纤、多模光纤、可见光单模光纤等)端面。脉冲测量的装置包括：沿待测脉冲光经过分束镜分成两路，经过反射镜和可控延时反射返回分束镜处合束，通过聚焦透镜汇聚到二维材料‑光纤复合结构的光纤端面，不同时延下产生的自相关光学二倍频信号光沿着光纤传播并被光谱仪收集，对记录的数据(不同时延下的光谱强度)经过FROG算法进行一定的迭代计算后，可还原出待测脉冲完整的信息。
Description
技术领域
本发明涉及激光脉冲测量技术领域，特别是涉及基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置和测量方法。
背景技术
由于超短脉冲极高的光强和极短的脉宽，因此被广泛的用于科研领域以及精密加工领域。而超短脉冲技术的进步与脉冲测量技术的发展是分不开的，由于超短脉冲激光的时空分布对超短脉冲激光的应用也有重大的影响，在一些应用中我们必须精确知道脉冲激光在产生、传输和变换过程中的时空特性，才能揭示其物理机制，建立起合理的理论模型。越来越多的研究表明，分析研究脉冲激光如皮秒或飞秒脉冲的精细结构是许多研究工作的关键。因此研究测量的超短激光脉冲新技术，了解脉冲宽度、相位及形状信息，是超快技术研究中十分重要的内容。
由于超短脉冲的脉冲宽度极短，普通的电子类器件反应速度相对较慢，通常无法直接测量超短脉冲的特性参数。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)，通过控制两路光脉冲的延时，产生的倍频光的功率会与延时相关，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。
通常的脉冲测量装置采用空间光的方式收集倍频信号，这种方法收集效率低，容易被外界信号干扰，而且对收集系统的空间位置有严格要求。通常的脉冲测量装置采用倍频晶体作为非线性介质，需要对不同的入射波长调节不同的入射角度以实现倍频晶体所必要的相位匹配，并且晶体存在一定的厚度会对待测脉冲引入色散导致脉冲展宽影响测量的精准度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有测量技术中的不足，提供一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置和测量方法。该装置采用光纤收集信号，收集效率高，结构简单灵活，并且具有宽带的非线性相应，无需根据入射波从调节角度，可以抑制现有自相关技术中非线性材料厚度导致的脉冲展宽。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于，包括：第一准直光阑1、第二准直光阑2、分束镜3、反射镜4、可控延时反射镜5、聚焦透镜6、非线性二维材料7、第一光纤8、第一耦合透镜9、滤波片10、第二耦合透镜11、第二光纤12、光谱仪13、计算机14。待测光脉冲经过第一准直光阑1和第一准直光阑2的中心后，经分束镜3分束成两路：一路光经反射镜4反射并原路返回回到分束镜3上；类似地，另一路光经过可控延时反射镜5后，也原路返回回到分束镜3 相同的点上。在此处两路光合束成一路光，经过聚焦透镜6汇聚到光纤7的端面上，其中端面上附着有非线性二维材料7。产生的倍频光信号被第一光纤8收集并传播，通过第一光纤8和第二光纤12之前的光纤耦合装置滤去基频光信号，倍频光信号被耦合进第二光纤12并传播到光谱仪13中收集记录其光谱信息。
进一步地，所述的光纤耦合装置由第一耦合透镜9和第一耦合透镜11组成，二者之间装有滤波片10，用于滤去基频光信号。
进一步地，所述的可控延时反射镜5有电机马达，与计算机14相连并被其控制，可在一维方向上线性位移。位移距离与延时Δt相对应。
进一步地，所述的光谱仪13为具有光纤接口的光纤光谱仪，与计算机14相连，其数据被计算机14记录。
进一步地，第一准直光阑1和第二准直光阑2用于标定待测脉冲激光的方向，测量装置调试完后，以后的测量过程只需将待测脉冲激光同时经过两个光阑中心即可。
进一步地，所述的非线性二维材料7选自MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中任一种二维材料，被转移放置在光滑干净的光纤端面上。
一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置的对超短脉冲测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1，待测脉冲激光通过第一光阑和第二光阑进行准直，被分束镜分为两路，两路光经过反射镜4和可控延时反射镜5后原路返回并合束，通过聚焦透镜聚焦到第一光纤的端面上，倍频信号通过光纤被光谱仪收集；
S2，所述的计算机14控制可控延时反射镜5增加延时Δt，并同时读取和记录光谱仪13的数据，重复此步骤，直到两路光脉冲在空间上经历靠近、重叠、分开的过程，采得足够的数据。
S3，采集得到不同时间延时下对应的光谱数据，然后应用FROG 的方法进行迭代计算，得到超短脉冲激光复电场的完整表达式。
本发明的原理是通过利用可控延时反射镜控制两路光脉冲信号的相对延时，使得在非线性二维材料汇聚的脉冲重叠部分的峰值功率随着延时的不同而变化，产生的倍频光信号强度也随之变化。随后，通过光谱仪测量的自相关倍频光信号的光谱，得到延时与光谱数据的曲线。然后应用FROG的方法进行迭代计算，得到待测超短脉冲的完整信息。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用非线性二维材料代替传统的倍频晶体，由于二维材料只有原子级别的厚度，无需考虑相位匹配，具有宽带的非线性响应，能够可以对宽波长的超短脉冲进行测量，扩大测量范围；能够消除非线性材料厚度导致的脉冲展宽，提高精准度；能够消除传统倍频晶体能够去掉传统测量装置的角度调节器，简化装置减低成本。本发明的采用光纤收集的方式代替传统的空间光收集，由于光纤对光有良好的束缚作用，能够大幅减少信号光的损失，提高收集效率，收集效率的增大从另一个角度说，可以减低测量所需的光功率以及可选用更廉价的光谱仪。此外不同与空间光收集时对收集部件位置的严格要求，由于光纤的柔性，本发明装置的部件放置位置更为灵活紧凑。进一步地，本发明中分束的两路光经过一面平面反射镜原路返回即共线FROG的方式，使本发明的结构更为简单紧凑。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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。
如图1所示，一种基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置包括第一准直光阑1、第二准直光阑2、分束镜3、反射镜4、可控延时反射镜5、聚焦透镜6、非线性二维材料7、第一光纤8、第一耦合透镜9、滤波片10、第二耦合透镜11、第二光纤12、光谱仪13、计算机14。
利用上述的基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：
第一准直光阑1和第二准直光阑2用于标定待测脉冲激光的方向，对于调试完成后的本发明，将待测脉冲激光同时经过两个光阑中心进行准直后，经分束镜3后分束成两路：一路透射光经反射镜4的反射后原路返回到分束镜3；类似地，另一路反射光经过可控延时反射镜5 的反射后也原路返回到分束镜3，两路光在分束镜3上相同的位置合束。合束后的光通过聚焦透镜会聚到第一光纤8的端面上，其端面上附着有非线性二维材料7。
具体地，本实施例中所述的非线性二维材料7为机械剥离法制备得MoS2，光纤为460-HP可见单模光纤，单层的MoS2通过干式转移的附着在光纤端面上。
合束后的的待测脉冲经过非线性二维材料，产生倍频信号，该信号在第一光纤8中传播。第一光纤8与第二光纤12之间有2面耦合透镜和一片滤波片，用于滤去基频信号，只有倍频信号在第二光纤12中传播并通过光谱仪13读取其光谱信息。
具体地，所述的可控延时反射镜5具有电机马达，与计算机14相连，可在一维方向上线性位移，位移距离与延时Δt相对应。反射镜的位置事先已经过计算来确定，因此通过计算机14控制可控延时反射镜5改变延时Δt，两路待测光脉冲在空间上会经历靠近、重叠、分开的过程，当这两个脉冲在空间上有重叠部分时，会额外产生自相关的倍频信号，且其大小与重叠程度相关。每次改变延时Δt时读取记录光谱仪13的数据，最终采集得到不同时间延时下对应的光谱数据。
根据FROG的方法，得到的光强随频率和时间延迟变化的二维图形，称为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，实现超短激光脉冲的测量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于，包括：第一准直光阑(1)、第二准直光阑(2)、分束镜(3)、反射镜(4)、可控延时反射镜(5)、聚焦透镜(6)、非线性二维材料(7)、第一光纤(8)、第一耦合透镜(9)、滤波片(10)、第二耦合透镜(11)、第二光纤(12)、光谱仪(13)、计算机(14)；待测光脉冲经过第一准直光阑(1)和第一准直光阑(2)的中心后，经分束镜(3)分束成两路：一路光经反射镜(4)反射并原路返回回到分束镜(3)上；另一路光经过可控延时反射镜(5)后，也原路返回回到分束镜(3)相同的点上；在此处两路光合束成一路光，经过聚焦透镜(6)汇聚到光纤(7)的端面上，其中端面上附着有非线性二维材料(7)；产生的倍频光信号被第一光纤(8)收集并传播，通过第一光纤(8)和第二光纤(12)之前的光纤耦合装置滤去基频光信号，倍频光信号被耦合进第二光纤(12)并传播到光谱仪(13)中收集记录其光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于：所述的光纤耦合装置由第一耦合透镜(9)和第一耦合透镜(11)组成，二者之间装有滤波片(10)，用于滤去基频光信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于：所述的可控延时反射镜(5)有电机马达，与计算机(14)相连并被其控制，可在一维方向上线性位移，位移距离与延时Δt相对应。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于：所述的光谱仪(13)为具有光纤接口的光纤光谱仪，与计算机(14)相连，其数据被计算机(14)记录。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于：第一准直光阑(1)和第二准直光阑(2)用于标定待测脉冲激光的方向，测量装置调试完后，以后的测量过程只需将待测脉冲激光同时经过两个光阑中心即可。
6.根据权利要求1所述的一种基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置，其特征在于：所述的非线性二维材料(7)包括MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等二维材料，被转移放置在光滑干净的光纤端面上。
7.一种利用权利要求1所述的基于二维材料的光纤集成超短脉冲测量装置对超短脉冲测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1，待测脉冲激光通过第一光阑和第二光阑进行准直，被分束镜分为两路；两路光经过反射镜(4)和可控延时反射镜(5)后原路返回并合束，通过聚焦透镜聚焦到第一光纤的端面上，倍频信号通过光纤被光谱仪收集；
S2，所述的计算机(14)控制可控延时反射镜(5)增加延时Δt，并同时读取和记录光谱仪(13)的数据，重复此步骤，直到两路光脉冲在空间上经历靠近、重叠、分开的过程，采得足够的数据；
S3，采集得到不同时间延时下对应的光谱数据，然后应用FROG的方法进行迭代计算，得到超短脉冲激光复电场的完整表达式。
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