CN114660790A - 一种光脉冲时间拉伸装置、方法及光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光脉冲时间拉伸装置、方法及光谱测量系统，装置包括第一反射镜、第二反射镜和滤光片；第一反射镜的第一反射面和第二反射镜的第二反射面间隔相对且相互平行；滤光片包括与第一反射面间隔相对的第一滤光面和与第二反射面间隔相对的第二滤光面，且第一滤光面和第二滤光面相互平行；第一反射面和第一滤光面构成第一夹角A，0°＜A＜90°。通过将滤光片按一定夹角设置在第一反射镜和第二反射镜构成的反射镜对之间，对不同波长的光脉冲进行不同次数的反射实现时间拉伸。因反射镜对对特定波段的光脉冲的反射率极高，所以产生的能量损耗较少，且调整装置可增加小脉冲数量和色散量，从而提高光脉冲的信噪比。

Description

一种光脉冲时间拉伸装置、方法及光谱测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光脉冲时间拉伸装置、方法及光谱测量系统。

背景技术

光学时间拉伸成像(optical time-stretch imaging)方法致力于提高成像的时间分辨率，该方法利用超快脉冲激光在空域和时域中的可分解性，超快激光作为信号源，通过脉冲光光谱携带的空间信息实现信息编码和解码，单像素光电探测器作为接收器可以完成连续的超快成像。由于光学时间拉伸成像与光学信号处理存在内在的联系，光学时间拉伸成像可以与各种光学技术相结合，如放大、非线性处理、压缩传感等，以实现传统图像传感器无法实现的独特功能。光学成像领域取得的诸多技术成果已极大地推动了化学、生物、光学、材料等多个领域的发展，未来还将在精密制造、超快工业检测技术等方面发挥更大作用。

光学时间拉伸成像的主要特点是将空间信息光学映射到光学探针信号的光谱中，通过色散介质将探测目标的空间信息用光学手段映射到探测信号上，得到一维的时间数据流，这一转换过程即是时间拉伸成像方法可以突破传统成像手段速度限制的重要原因。

实现光脉冲的时间拉伸的关键是获得足够的线性群速度色散，目前，色散元件主要有色散光纤和光栅对等，利用时间拉伸技术进行光脉冲测量的方法有单模光纤(SingleMode Fiber，SMF)、啁啾布拉格光栅(Fiber BraggGrating，FBG)、多模式色散(Chromo—Modal Dispersion，CMD)、自由空间角啁啾增强延迟(Free-space Angular-Chirp-Enhanced Delay，FACED)和光栅对等，而采用具有恒定二阶色散系数的色散元件对光脉冲进行时间拉伸，因光脉冲幅值会随色散量的增大而逐渐减小，且光脉冲在传播过程中存在较大的损耗，导致光脉冲信噪比降低。

发明内容

本发明提供了一种光脉冲时间拉伸系统，用于解决现有技术中对光脉冲进行时间拉伸时因光脉冲幅值会随色散量的增大而减小，且存在较大的能量损耗，从而导致信噪比降低的技术问题。

本申请第一方面提供一种光脉冲时间拉伸装置，包括：

第一反射镜、第二反射镜和滤光片；

该第一反射镜的第一反射面和该第二反射镜的第二反射面间隔相对，该第一反射面和该第二反射面平行；

该滤光片包括相互平行的第一滤光面和第二滤光面，该第一滤光面和该第一反射面间隔相对，该第二滤光面与该第二反射面间隔相对；

该第一反射面和该第一滤光面构成第一夹角A，0°＜A＜90°。

在第一方面的第一种可能实现的装置中，该第一夹角A的取值范围为[0.1°，0.3°]。

在第一方面的第二种可能实现的装置中，该滤光片为透过波长随光脉冲入射角变化的二向色性短通滤光片；

该第一反射镜和第二反射镜为反射率大于99％的平面反射镜。

在第一方面的第三种可能实现的装置中，该第一反射镜和该第二反射镜的形状大小相同，且相互对齐；

该滤光片和该第一反射镜相互对齐。

本申请第二方面提供一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于，采用第一方面提供的光脉冲时间拉伸装置对光脉冲进行时间拉伸，包括：

将光脉冲射向滤光面；

通过该滤光片将该光脉冲分割成透射光脉冲和反射光脉冲，该透射光脉冲从该滤光片透射至其中一个反射面，该反射光脉冲经该滤光片反射至另一个反射面；

通过该反射面和该滤光面对该透射光脉冲和该反射光脉冲进行正向反射，至该光脉冲垂直于该反射面；

通过该反射面和该滤光面对该透射光脉冲和该反射光脉冲进行反向反射，至该光脉冲以相同路径传播回初始入射点。

在第二方面的第一种可能实现的方法中，该透射光脉冲的最长波长等于该光脉冲的最长波长。

在第二方面的第二种可能实现的方法中，该透射光脉冲第一次传播至该反射面时，与该反射面构成的入射角B＝MA,M为大于或等于1的整数。

在第二方面的第三种可能实现的方法中，该将光脉冲射向滤光面包括：

将光脉冲射向该第一滤光面靠近该第一反射面的一端，或该第二滤光面靠近该第二反射面的一端。

在第二方面的第四种可能实现的方法中，该将光脉冲射向滤光面之前还包括：

根据预设的分割次数N调节该第一夹角A，N为该光脉冲被该滤光片分割的次数；

根据预设的延迟时间T和预设的色散量调节反射面和滤光面之间的距离，T为该光脉冲被分割后，相邻波长的光脉冲之间的时间间隔。

在第二方面的第五种可能实现的方法中，该通过该反射面和该滤光面对该透射光脉冲和该反射光脉冲进行正向反射，至该光脉冲垂直于该反射面包括：

通过该第一滤光面和该第一反射面对该透射光脉冲进行正向反射，至该透射光脉冲垂直于该第一反射面；

通过该第二滤光面和该第二反射面对该反射光脉冲进行正向反射，至该反射光脉冲透射过该滤光片；

通过该第一滤光面和该第一反射面对该反射光脉冲进行正向反射，至该反射光脉冲垂直于该第一反射面。

结合第二方面的第五种可能实现的方法，在第六种可能实现的方法中，该通过该反射面和该滤光面对该透射光脉冲和该反射光脉冲进行反向反射，至该光脉冲以相同路径传播回初始入射点包括：

通过该第一滤光面和该第一反射面对该透射光脉冲进行反向反射，至该透射光脉冲以该正向反射的路径传播回初始入射点；

通过该第一滤光面和该第一反射面对该反射光脉冲进行反向反射，至该反射光脉冲透射过该滤光片；

通过该第二滤光面和该第二反射面对该反射光脉冲进行反向反射，至该反射光脉冲以该正向反射的路径传播回该初始入射点。

本申请第三方面提供一种光谱测量系统，包括：

激光装置、换向装置、第一方面提供的光脉冲时间拉伸装置和信号收集装置；

该激光装置的发射端与该换向装置的入射端对应；

该换向装置的第一出射方向指向该滤光片，第二出射方向指向该信号收集装置的收集端对应；

该第一出射方向所在直线与滤光面的法线构成第二夹角C，0°＜C＜90°。

在第三方面的第一种可能实现系统中，该第二夹角C＝B+(2N-1)A,其中，B为该光脉冲第一次传播至反射面时，与该反射面的法线构成的入射角，该N为该光脉冲被该滤光片分割的次数。

在第三方面的第二种可能实现的系统中，该换向装置包括第一换向单元和第二换向单元；

该第一换向单元将光脉冲沿该第二出射方向发射，或将该光脉冲射向该第二换向单元；

该第二换向单元将该光脉冲沿该第一出射方向发射，或将该光脉冲射向该第一换向单元。

结合第三方面的第二种可能实现的系统，在第三种可能实现的系统中，该第一换向单元具体为光循环器或分束器；

该第二换向单元具体为第三反射镜。

在第三方面的第四种可能实现的系统中，还包括：载物台、信号放大器和示波器；

该载物台设置在该换向装置和该信号收集装置之间，且位于该第二出射方向上；

该信号放大器的输入端与该信号收集装置连接，输出端与该示波器连接。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的光脉冲时间拉伸装置设置有第一反射镜、第二反射镜和滤光片，其中，第一反射镜的第一反射面和第二反射镜的第二反射面间隔相对且相互平行；滤光片包括与第一反射面间隔相对的第一滤光面和与第二反射面间隔相对的第二滤光面，且第一滤光面和第二滤光面相互平行；第一反射面和第一滤光面构成第一夹角A，0°＜A＜90°。通过将滤光片按一定夹角设置在第一反射镜和第二反射镜构成的反射镜对之间，通过连续反射让光脉冲和滤光片产生不同的入射角，让不同波长的光脉冲先后透射过滤光片，从而将光脉冲分割成多个波长不同的小脉冲，而各个小脉冲所经历的反射次数不同，即各个小脉冲的传播路径不同从而产生光程差，导致各个小脉冲按原路径返回滤光片上的初始入射点所需时间不同，从而将光脉冲在时域上展宽分成了若干小脉冲，实现对光脉冲的时间拉伸。反射镜对对特定波段的光脉冲的反射率极高，所以光脉冲在装置中造成的能量损耗极少，且通过将光脉冲精准分割成多个波长不同的小脉冲，让小脉冲数量与小脉冲的信噪比正相关，所以可通过调节第一夹角增加小脉冲数量，提高信噪比，还可在不改变小脉冲数量—让每个小脉冲的幅值保持不变的情况下，通过调节反射面和滤光面之间的距离增加色散量，提高光脉冲的信噪比。

同时，反射镜对和滤光片的尺寸都在厘米量级，装置整体占用空间较小，结构紧凑。

另外，可对反射镜对和滤光片的尺寸、第一夹角进行调节，以满足不同的测量需求，装置灵活可调。

还有，通过调节光脉冲射入滤光片时的入射角、反射镜以及滤光片在反射方向上的长度，可将光脉冲所有的能量分割到多个波长不同的小脉冲中，没有造成能量的泄漏，让装置具备极高的能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明申请实施例示出的一种光脉冲时间拉伸装置的结构示意图；

图2为本发明申请实施例示出的一种光脉冲时间拉伸方法的流程示意图；

图3为本发明申请实施例示出的透射光脉冲进行正向反射时的路径示意图；

图4为本发明申请实施例示出的透射光脉冲进行反向反射时的路径示意图；

图5为本发明申请实施例示出的反射光脉冲进行正向反射时的路径示意图；

图6为本发明申请实施例示出的反射光脉冲进行反向反射时的路径示意图；

图7为本发明申请实施例示出的一种光脉冲时间拉伸方法的拉伸效果图；

图8为本发明申请实施例示出的一种光谱测量系统的结构示意图；

图9为本发明申请实施例示出的另一种光谱测量系统的结构示意图；

其中：1-第一反射镜、1.1-第一反射面、2-第二反射镜、2.1-第二反射面、3-第三反射镜、3.1-第三反射面、4-滤光片、4.1-第一滤光面、4.2-第二滤光面、5-激光装置、6-光循环器、6.1-第一端口、6.2-第二端口、6.3-第三端口、7-载物台、8-信号收集装置、9-透射光脉冲、10-反射光脉冲、11-信号放大器、12-示波器、13-分束器、14-样品。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种光脉冲时间拉伸装置，用于解决的技术问题是现有技术中对光脉冲进行时间拉伸时因光脉冲幅值会随色散量的增大而减小，且存在较大的能量损耗，从而导致信噪比降低。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

目前，用于实现光脉冲时间拉伸的色散元件主要有色散光纤和光栅对等，利用时间拉伸技术进行光脉冲测量的方法有单模光纤、啁啾布拉格光栅、多模式色散、自由空间角啁啾增强延迟和光栅对等，而采用具有恒定二阶色散系数的光栅对或色散光纤色散元件对光脉冲进行时间拉伸，因光脉冲幅值会随色散量的增大而逐渐减小，且光脉冲在传播过程中存在较大的损耗，导致光脉冲信噪比测量降低。

实施例一

请参阅图1，本发明提供的一种光脉冲时间拉伸装置，包括：

第一反射镜1、第二反射镜2和滤光片4；第一反射镜1的第一反射面1.1和第二反射镜2的第二反射面2.1间隔相对，第一反射面1.1和第二反射面2.1平行；滤光片4包括相互平行的第一滤光面4.1和第二滤光面4.2，第一滤光面4.1和第一反射面1.1间隔相对，第二滤光面4.2与第二反射面2.1间隔相对；第一反射面1.1和第一滤光面4.1构成第一夹角A，0°＜A＜90°。

需要说明的是：光脉冲为超快激光，如飞秒激光、皮秒激光等；第一反射面1.1、第二反射面2.1、第一滤光面4.1和第二滤光面4.2为平面；第一反射面1.1和第二反射面2.1间隔相对，即第一反射面1.1和第二反射面2.1相对，且第一反射面1.1和第二反射面2.1之间存在间隔，第一滤光面4.1与第一反射面1.1、第二滤光面4.2与第二反射面2.1的间隔相对，与此同理；第一夹角A即第一反射面1.1所在平面与第一滤光面4.1所在平面相交时形成的夹角，因第一反射面1.1与第二反射面2.1相互平行，所以第二反射面2.1与第二滤光面4.2构成的夹角的大小与第一夹角相等；在保证光脉冲的传播不受影响的前提下，可采用任意方式将第一反射镜1、第二反射镜2和滤光片4进行相对固定。

光脉冲时间拉伸系统的工作原理和过程：通过将光脉冲射至第一滤光面，因滤光片的透射波长随光脉冲与滤光片构成的入射角而变化—入射角越大，透射波长越短，所以光脉冲第一次传播至第一滤光面时，受入射角的限制，仅有部分波长符合的光脉冲透射过滤光片，形成第一光脉冲，其余波长的光脉冲经第二滤光面反射至第二反射面，形成第二光脉冲。第一光脉冲透射至第一反射面，然后在第一反射面和第一滤光面之间进行连续的正向反射，直至第一光脉冲垂直于第一反射面，再在第一反射面和第一滤光面之间以与正向反射相同的路径进行反向反射，最后经第一反射面反射回初始入射点；第二光脉冲经第二滤光面反射至第二反射面，然后经第二反射面反射至第二滤光面，此时，第二光脉冲与滤光片构成的入射角，因滤光片相对于第二反射面存在倾斜，入射角变大，允许波长更短的光脉冲透射过滤光片，所以第二光脉冲中又有部分波长符合的光脉冲透射过滤光片，形成第三光脉冲，其余波长的光脉冲经第二滤光面反射至第二反射面，形成第四光脉冲，第三光脉冲透射至第一反射面，然后在第一反射面和第一滤光面之间经历正向反射和反向反射，从透射点透射回第二反射面，然后在第二滤光面和第二反射面之间反射，最后经第二发射面反射回初始入射点，第四光脉冲经历与第二光脉冲相同的历程，如此反复，产生第五光脉冲、第六光脉冲等，直至全部波长的光脉冲全部透射过滤光片。第一光脉冲、第二光脉冲、第三光脉冲等被反射的次数不同，传播路径不同，基于所有的光脉冲是同时从初始入射点出发的，传播速度是相同的，而传播路径的不同将导致各个光脉冲返回到初始入射点的时间不同，实现对光脉冲的时间拉伸。需要说明的是：初始入射点为光脉冲第一次传播至滤光片时所入射位置；第一光脉冲和第三光脉冲即为下文所述的“小脉冲”，可以理解为透射过滤光片的光脉冲均为一束小脉冲；也可选择将光脉冲反射至第二滤光面，原理和过程相同，在此不作赘述。

本实施例的有益效果：

①通过将滤光片按一定夹角设置在第一反射镜和第二反射镜构成的反射镜对之间，通过连续反射让光脉冲和滤光片产生不同的入射角，让不同波长的光脉冲先后透射过滤光片，从而将光脉冲分割成多个波长不同的小脉冲，而各个小光脉冲所经历的反射次数不同，即各个小脉冲的传播路径不同从而产生光程差，导致各个小脉冲按原路径返回初始入射点所需时间不同，从而将光脉冲在时域上展宽分成了若干小脉冲，实现对光脉冲的时间拉伸。反射镜对对特定波段的光脉冲的反射率极高，所以光脉冲在装置中传播所造成的能量损耗极少，且通过将光脉冲精准分割成多个波长不同的小脉冲，让小脉冲数量与光脉冲的信噪比正相关，所以可通过调节第一夹角增加小脉冲数量，提高信噪比，还可在不改变小脉冲数量—让每个小脉冲的幅值保持不变的情况下，通过调节反射面和滤光面之间距离增加色散量，提高光脉冲的信噪比。

②反射镜对和滤光片的尺寸都在厘米量级，装置整体占用空间较小，结构紧凑。

③可对反射镜和滤光片的尺寸、第一夹角进行调节，以满足不同的测量需求，灵活可调。

④装置可以离散的脉冲展宽方式，将光脉冲展宽为多个不同波长的小脉冲，将光脉冲的能量转移到多个小脉冲中，可实现大的色散量的情况下不造成光脉冲幅值的严重下降。

⑤通过调节光脉冲射入滤光片时的入射角、反射镜以及滤光片在反射方向上的长度，可将光脉冲所有的能量分割到多个波长不同的小脉冲中，没有造成能量的泄漏，让装置具备极高的能量利用率。

具体的，在本实施例中，第一反射镜1和第二放射镜2为反射率大于99％的平面反射镜，滤光片4为透过波长随光脉冲入射角变化的二向色性短通滤光片，该滤光片4具有改变入射角使其透过波长改变的特性—随着入射角的增加，透过波长向短波长移动，且对于波长不符合透射波长的光脉冲具有极高的反射率。入射角为光脉冲进行正向反射时，与第一滤光面4.1或第二滤光面4.2构成的入射角。透过波长的偏移量与入射角的函数关系为：

其中：δλ为透过波长的位移量；λ₁为先透过的小脉冲的波长；λ₂为与后透过的小脉冲的波长；λ₀为正向反射时，滤光片透过的中心波长；D为滤光片的等效折射率；θ₁为λ₁所对应小脉冲与滤光片构成的入射角；θ₂为λ₂所对应的小脉冲与滤光片构成的入射角。λ₁所对应的小脉冲与λ₂所对应的小脉冲相邻，即λ₂所对应的小脉冲为λ₁所对应的小脉冲发生透射后第一束发生透射的小脉冲。

优选的，滤光片4对光脉冲的分割次数与第一夹角A负相关，因为第一夹角A越大，滤光片4相对于反射面越倾斜，导致第一光脉冲和滤光片4形成的入射角，与第三光脉冲和滤光片4形成的入射角的角度差越大，以致光脉冲每次从第二反射面2.1反射至第二滤光面4.2时，透射的波长范围越大，可以理解为滤光片4对光脉冲的分割刻度更大，分割刻度变大，即可以更少的分割次数将光脉冲完全分割，所以第一夹角A越大，由滤光片4对光脉冲进行分割得到的小脉冲的个数越少，所以为了在第一反射镜1、第二反射镜2和滤光片4在反射方向上的长度有限的情况下，可以将光脉冲分割成更多的小脉冲，将第一夹角A的取值范围设定为[0.1°，0.3°]。反射方向可以理解为反射面上先反射点向后反射点连线的方向。

具体的，为了取材方便和提高通用性，采用形状大小相同的第一反射镜1和第二反射镜2，并将第一反射镜1和第二反射镜2设置为相互对齐，即第二反射镜2在第一反射镜1上的垂直投影与第一反射面1.1重合；滤光片4和第一反射镜1相互对齐，即滤光片4在第一反射镜1上的垂直投影与第一反射面1.1重合。如此，从第一滤光面4.1和第二滤光面4.2射入光脉冲进行时间拉伸的结果是相同，从而可根据实际环境选择任一滤光面射入光脉冲。

实施例二

请参阅图1至图7，本发明提供的一种光脉冲时间拉伸方法，包括：

21.将光脉冲射向滤光面；

当第一反射镜1和第二反射镜2形状大小相同，并相互对齐，滤光片4与第一反射镜1和第二反射镜2相互对齐时，第一反射镜1、第二反射镜2和滤光片4中心对称，所以可将光脉冲射至第一滤光面4.1或第二滤光面4.2中的一个，均可得到同样的拉伸结果。在本实施例中，通过将光脉冲反射至第二滤光面4.2为例进行说明。若要将光脉冲反射至第一滤光面4.1，其它装置进行相应的位置调整，方法所需执行的步骤相同。

另外，为了确保光脉冲与第二滤光面4.2形成的入射角呈逐渐变大的趋势，在本实施例中，通过将光脉冲反射至第二滤光面4.2靠近第二反射面2.1的一端。如此，还可充分利用反射面和滤光面的面积对光脉冲进行反射。

22.通过滤光片将光脉冲分割成透射光脉冲和反射光脉冲；

光脉冲第一次传播至滤光片4时，受光脉冲与滤光片4构成的入射角的限制，仅有部分特定波长的光脉冲透射过滤光片4，将光脉冲第一次传播至滤光片4即发生透射的光脉冲定义为透射光脉冲9；其余波长的光脉冲在滤光面的作用下发生反射，将该部分光脉冲定义反射光脉冲10。反射光脉冲10会经滤光面和反射面的一次反射、二次反射或多次反射，来回于滤光片4和反射镜之间，每一次从反射镜反射至滤光面，都会有部分波长符合的光脉冲透射过滤光片4，直至全部的光脉冲透射过滤光片4。为了便于理解和阐述，本实施例以反射光脉冲10经反射面一次反射后，全部透射过滤光片4进行阐述。

在本实施例中，透射光脉冲9从滤光片4透射至第一反射面1.1，反射光脉冲10经第二滤光面4.2反射至第二反射面2.1。

另外，为了在光脉冲内引入色散，还要保证透射光脉冲第一次传播至第一反射面1.1时，与第一反射面1.1构成的入射角B＝MA，M为大于或等于1的整数，即入射角B为第一夹角A的整数倍。

优化的，通过调节光脉冲第一次传播至第二滤光面4.2时，与第二滤光面4.2构成的入射角，使得透射光脉冲9中的最长波长等于光脉冲中的最长波长，如此光脉冲中最长波长部分即可透过滤光片4，再通过将反射镜和滤光片4在反射方向上的长度设置得足够长，以让光脉冲中波长最短部分的光脉冲能透过滤光片4，即确保最晚透过滤光片4的小脉冲的最短波长等于光脉冲的最短波长。如此即可将光脉冲的能量全部分割到各个小脉冲中，而没有造成能量泄漏。

23.通过反射面和滤光面对透射光脉冲和反射光脉冲进行正向反射，至光脉冲垂直于反射面；

正向反射即随着反射次数的增加，透射光脉冲9和反射光脉冲10在第一反射面1.1和第一滤光面4.1之间反射时，与第一反射面1.1形成的入射角逐渐变小，或，反射光脉冲10在第二反射面2.1和第二滤光面4.2之间反射时，与第二滤光面4.2形成的入射角逐渐变大。

因入射角B为第一夹角A的整数倍，所以透射光脉冲9和反射光脉冲10每次经第一反射面后1.1反射射入第一滤光面4.1时，与第一滤光面4.1构成的入射角变小，变小部分等于第一夹角A，入射角变小，滤光片的透过波长变长，致使透射光脉冲9和反射光脉冲10不能透过滤光片4而在第一反射面1.1和第一滤光面4.1之间来回反射，经过数次反射后，透射光脉冲9和反射光脉冲10与第一反射面1.1构成的入射角先后减小到0°，即透射光脉冲9和反射光脉冲10先后垂直于第一反射面1.1。在本实施例中，通过第一反射面1.1和第一滤光面4.1对透射光脉冲9进行连续的正向反射，直至透射光脉冲9垂直于第一反射面1.1；同时，通过第二反射面2.1对反射光脉冲10进行一次反射，让反射光脉冲10从滤光片4透射至第一反射面1.1，然后通过第一反射面1.1和第一滤光面4.1对反射光脉冲10进行连续的正向反射，直至反射光脉冲10垂直于第一反射面1.1。

24.通过反射面或滤光面对透射光脉冲和反射光脉冲进行反向反射，至光脉冲以相同路径传播回初始入射点；

反向反射即随着反射次数的增加，透射光脉冲9和反射光脉冲10在第一反射面1.1和第一滤光面4.1之间反射时，与第一反射面1.1形成的入射角逐渐变大，或，反射光脉冲10在第二滤光面4.2和第二反射面2.1之间反射时，与第二滤光面4.2形成的入射角逐渐变小。

因入射角B为第一夹角A的整数倍，所以反射光脉冲10经第二反射面2.1反射再次射入第二滤光面4.2时，与第二滤光面4.2构成的入射角变大，变大部分等于第一夹角A的两倍，滤光片4的透过波长向短波偏移δλ，从而又有一束波长比前一束透过光脉冲波长短的光脉冲透过滤光片4射入第一反射面1.1，然后在第一反射面1.1和第一滤光面4.1之间进行正向反射和方向反射。在本实施例中，通过第一反射面1.1和第一滤光面4.1对透射光脉冲9进行相同路径的反向反射，即以与正向反射路径相同，方向相反的反射，直至透射光脉冲9经第一反射面1.1反射回初始入射点；同时，通过第一反射面1.1和第一滤光面4.1对反射光脉冲10进行相同路径的反向反射，直至反射光脉冲10从滤光片4透射回第二反射面2.1；然后又经第二反射面2.1和第二滤光面4.2反向反射，在此，反射光脉冲10从滤光片4透射射入第二反射面2.2，经第二反射面2.1一次反射后射入初始入射点。

本实施例的有益效果：

通过采用滤光片配合反射镜对光脉冲进行时间拉伸，通过变化的入射角将光脉冲分割成多个波长不同的小脉冲，对小脉冲进行不同次数的反射和透射，让小脉冲之间产生光程差，使小脉冲先后返回初始入射点汇聚成一束光脉冲，从而在光脉冲内引入色散，实现对光脉冲的时间拉伸。因反射镜的反射率极高，所以光脉冲在反射过程中损失的能量极少，且光脉冲信噪比与小脉冲数量正相关，所以可通过调节第一夹角A，增加小脉冲数量，从而提高光脉冲的信噪比。

具体的，在实施步骤21之前，还需根据测试要求对光脉冲时间拉伸装置进行调节，具体为：先根据预设的分割次数N确定第一夹角A的大小，N为光脉冲被滤光片分割的次数，亦即小脉冲的数量；接着根据预设的延迟时间T和预设的色散量确定第一反射面1.1与第一滤光面4.1之间的距离S₁、第二反射面2.1和第二滤光面4.2之间的距离S₂，T为光脉冲被分割后，相邻波长的光脉冲之间的时间间隔，即相邻两个小脉冲之间的时间间隔；然后根据第一夹角A和距离S₁和S₂对第一反射镜，第二反射镜和滤光片的相对位置进行调节并固定。预设的分割次数、预设的延迟时间和预设的色散量根据具体的测量要求设定。以下提供各个变量之间的函数关系，根据函数关系和已知条件即可确定第一夹角A、距离S₁和S₂，从而对光脉冲时间拉伸装置进行调节，其中：分割次数N与滤光片的透过波长的偏移量δλ的函数关系为：

Δλ为光脉冲的谱宽；

为向上取整符号。

距离S₁、S₂和延迟时间T的函数关系为：T＝2(S₁+S₂)/c，c为光速。

色散量D_total和距离S₁、S₂的函数关系为：

实施例三

请参阅图1、图8和图9，本发明提供的一种光谱测量系统，包括：

激光装置5、换向装置、实施例一中提供的光脉冲时间拉伸装置和信号收集装置8；激光装置5的发射端与换向装置的入射端对应；换向装置的第一出射方向指向所述滤光片4，第二出射方向指向信号收集装置8的收集端对应；第一出射方向所在直线与滤光面的法线构成第二夹角C，0°＜C＜90°。

需要说明的是：激光装置8用于生成超快激光，即生成光脉冲，作为光脉冲光源，可以为皮秒激光器、飞秒激光器等。

换向装置用于将从激光装置5发射的超快激光进行换向，以让光脉冲以合适的入射角射入光脉冲时间拉伸装置中的滤光片4，以及将从光脉冲时间拉伸装置返回的超快激光进行换向，以让光脉冲射入信号收集装置8的收集端。所以换向装置至少设置有一个与激光装置5发射端对应的入射端；一个与滤光片4对应的出射端，从该出射端射出的光脉冲沿第一出射方向传播，第一出射方向是可调的，以调节光脉冲第一次射入滤光片4时，与滤光片4构成的入射角，从而确保光脉冲中波长最长部分能透射过滤光片4；一个与信号收集装置8收集端对应的出射端，从该出射端射出的光脉冲沿第二出射方向传播；任意可实现以上换向目的的装置均可，如多个反射镜组合。

信号收集装置8用于收集从光脉冲时间拉伸装置射出的光脉冲，将光脉冲从光信号转化成电信号，如时间分辨探测仪器、大宽带的高速光电探测器。

第二夹角C即为每一发光脉冲第一次传播至滤光片4时，与第一滤光面4.1或第二滤光面4.2构成的入射角，为了确保光脉冲射入滤光片4时，同时发生反射和透射，所以需将第二夹角设置的大于0度小于90度。第二夹角的具体大小需根据光脉冲谱宽、滤光片的透过波长范围进行设置，需确保光脉冲最长波长部分在第一次射入滤光片时发生透射，入射角B为第一夹角A的整数倍。

本实施例的有益效果为:

①光谱测量系统的光谱分辨率由光脉冲时间拉伸装置中相邻两个小脉冲与第二滤光面构成的入射角变化量所引起的滤光片透过波长的偏移量决定，所以可通过调节第一夹角A对光谱测量系统的分辨率进行快速调节；且光谱测量系统的色散量由光脉冲时间拉伸装置中滤光面与反射面之间的距离决定，所以可通过调节滤光面与反射面之间距离让光谱测量系统产生不同的色散量，即光谱测量系统可快速调节光谱分辨率和色散量，以满足不同的测量要求，使系统具备极高的通用性。

②因光谱测量系统的光谱采集速率(时间分辨率)由激光装置的发射频率决定，当用系统对样品进行测量时，由于每发光脉冲都携带样品的光谱信息，光谱采集速率与光脉冲的发射频率相同，而光脉冲的发射频率可达数十MHZ，甚至更高，所以光谱测量系统可以高速单发连续地测量样品的光谱。

③光谱测量系统的信噪比由光谱分辨率、光脉冲谱宽和光脉冲的发射频率共同决定，而光脉冲拉伸装置可提供极高的光谱分辨率，激光装置可提供发射频率极高，光谱极宽的光脉冲，从而可实现高信噪比测量。

④光谱测量系统结构简单，光路便于调节，有利于系统的稳定性。

具体的，换向装置包括第一换向单元和第二换向单元；第一换向单元将光脉冲沿第二出射方向发射，或将光脉冲射向第二换向单元；第二换向单元将光脉冲沿第一出射方向发射，或将光脉冲射向第一换向单元。第一换向单元具体为光循环器6或分束器12；第二换向单元具体为第三反射镜3。通过第一换向单元将从激光装置5发出的光脉冲进行换向，让光脉冲射向第二换向单元，第二换向单元再次对光脉冲进行换向，让光脉冲以设定的入射角射入滤光片4，光脉冲在光脉冲时间拉伸装置完成时间拉伸后，从滤光片4射向第二换向单元，再经第二换向单元换向后射入第一换向单元，最后经第一换向单元换向后射入信号收集单元8。在本实施例中，第二换向单元采用第三反射镜3，第三反射镜3为平面镜，设置有第三反射面3.1，第三反射面3.1朝向滤光片4，以让光脉冲经第三反射面3.1反射后，以所需的入射角射入第二滤光面4.2；第一换向单元采用光循环器6，光循环器6设置有第一端口6.1、第二端口6.2和第三端口6.3，第一端口6.1和第二端口6.2的中心在处于同一直线，第三端口6.3的轴心线垂直与第一端口6.1的轴心线，第一端口6.1与激光装置5的发射端对齐，第二端口6.2朝向第三反射镜3的第三反射面3.1，第三端口6.3与信号收集装置8的收集端对齐。

具体的，因第三反射镜3相对于滤光片4的位置由第二夹角C确定，而第二夹角C的大小与第一夹角A、光脉冲第一次传播至反射面时，与反射面法线构成的入射角B、光脉冲被分割的次数N均相关，经推算确定第二夹角C＝B+(2N-1)A，如此，通过该公式可快速确定第二夹角C的大小，从而快速对第三反射镜3的位置进行适应调整。其中，当光脉冲从第一滤光面4.1入射，入射角B为光脉冲第一次传播至第二反射面2.1时，与第二反射面2.1的法线构成的夹角，当光脉冲从第二滤光面4.2入射，入射角B为光脉冲第一次传播至第一反射面1.1时，与第一反射面1.1的法线构成的夹角。

具体的，为了完成对样品的测量，还需增设一个载物台7，载物台7设置在换向装置和信号收集装置8之间，且位于第二出射方向上。通过将样品14放置在载物台7上，让光脉冲经换向装置换向后透射过样品14，从而将样品的吸收光谱编码到时间拉伸后的光脉冲中，再通过信号收集装置8将带有样品信息的光脉冲收集，并将光信号转化成电信号。

可选的，光谱测量系统还可设置信号放大器11和示波器12，信号放大器11的输入端与信号收集装置8连接，输出端与示波器12连接。通过将信号收集装置8转化所得的电信号传输到信号放大器11进行放大，然后将放大后的电信号传输到示波器12，将光脉冲的时域波形进行显示，最后通过时域与频域的对应关系，从电信号中解码出样品的光谱信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种光脉冲时间拉伸装置，其特征在于，包括：

第一反射镜、第二反射镜和滤光片；

所述第一反射镜的第一反射面和所述第二反射镜的第二反射面间隔相对，所述第一反射面和所述第二反射面平行；

所述滤光片包括相互平行的第一滤光面和第二滤光面，所述第一滤光面和所述第一反射面间隔相对，所述第二滤光面与所述第二反射面间隔相对；

所述第一反射面和所述第一滤光面构成第一夹角A，0°＜A＜90°。

2.根据权利要求1所述的一种光脉冲时间拉伸装置，其特征在于：

所述第一夹角A的取值范围为[0.1°，0.3°]。

3.根据权利要求1所述的一种光脉冲时间拉伸装置，其特征在于：

所述滤光片为透过波长随光脉冲入射角变化的二向色性短通滤光片；

所述第一反射镜和第二反射镜为反射率大于99％的平面反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种光脉冲时间拉伸装置，其特征在于：

所述第一反射镜和所述第二反射镜的形状大小相同，且相互对齐；

所述滤光片和所述第一反射镜相互对齐。

5.一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于，采用权利要求1所述的光脉冲时间拉伸装置对光脉冲进行时间拉伸，包括：

将光脉冲射向滤光面；

通过所述滤光片将所述光脉冲分割成透射光脉冲和反射光脉冲，所述透射光脉冲从所述滤光片透射至其中一个反射面，所述反射光脉冲经所述滤光片反射至另一个反射面；

通过所述反射面和所述滤光面对所述透射光脉冲和所述反射光脉冲进行正向反射，至所述光脉冲垂直于所述反射面；

通过所述反射面和所述滤光面对所述透射光脉冲和所述反射光脉冲进行反向反射，至所述光脉冲以相同路径传播回初始入射点。

6.根据权利要求5所述的一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于：

所述透射光脉冲的最长波长等于所述光脉冲的最长波长。

7.根据权利要求5所述的一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于：

所述透射光脉冲第一次传播至所述反射面时，与所述反射面构成的入射角B＝MA,M为大于或等于1的整数。

8.根据权利要求5所述的一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于，所述将光脉冲射向滤光面包括：

将光脉冲射向所述第一滤光面靠近所述第一反射面的一端，或所述第二滤光面靠近所述第二反射面的一端。

9.根据权利要求5所述的一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于，所述将光脉冲射向滤光面之前还包括：

根据预设的分割次数N调节所述第一夹角A，N为所述光脉冲被所述滤光片分割的次数；

根据预设的延迟时间T和预设的色散量调节反射面和滤光面之间的距离，T为所述光脉冲被分割后，相邻波长的光脉冲之间的时间间隔。

10.根据权利要求5所述的一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于，所述通过所述反射面和所述滤光面对所述透射光脉冲和所述反射光脉冲进行正向反射，至所述光脉冲垂直于所述反射面包括：

通过所述第一滤光面和所述第一反射面对所述透射光脉冲进行正向反射，至所述透射光脉冲垂直于所述第一反射面；

通过所述第二滤光面和所述第二反射面对所述反射光脉冲进行正向反射，至所述反射光脉冲透射过所述滤光片；

通过所述第一滤光面和所述第一反射面对所述反射光脉冲进行正向反射，至所述反射光脉冲垂直于所述第一反射面。

11.根据权利要求10所述的一种光脉冲时间拉伸方法，其特征在于，所述通过所述反射面和所述滤光面对所述透射光脉冲和所述反射光脉冲进行反向反射，至所述光脉冲以相同路径传播回初始入射点包括：

通过所述第一滤光面和所述第一反射面对所述透射光脉冲进行反向反射，至所述透射光脉冲以所述正向反射的路径传播回初始入射点；

通过所述第一滤光面和所述第一反射面对所述反射光脉冲进行反向反射，至所述反射光脉冲透射过所述滤光片；

通过所述第二滤光面和所述第二反射面对所述反射光脉冲进行反向反射，至所述反射光脉冲以所述正向反射的路径传播回所述初始入射点。

12.一种光谱测量系统，其特征在于，包括：

激光装置、换向装置、如权利要求1所述的光脉冲时间拉伸装置和信号收集装置；

所述激光装置的发射端与所述换向装置的入射端对应；

所述换向装置的第一出射方向指向所述滤光片，第二出射方向指向所述信号收集装置的收集端对应；

所述第一出射方向所在直线与滤光面的法线构成第二夹角C，0°＜C＜90°。

13.根据权利要求12所述的一种光谱测量系统，其特征在于:

所述第二夹角C＝B+(2N-1)A,其中，B为所述光脉冲第一次传播至反射面时，与所述反射面的法线构成的入射角，所述N为所述光脉冲被所述滤光片分割的次数。

14.根据权利要求12所述的一种光谱测量系统，其特征在于：

所述换向装置包括第一换向单元和第二换向单元；

所述第一换向单元将光脉冲沿所述第二出射方向发射，或将所述光脉冲射向所述第二换向单元；

所述第二换向单元将所述光脉冲沿所述第一出射方向发射，或将所述光脉冲射向所述第一换向单元。

15.根据权利要求14所述的一种光谱测量系统，其特征在于：

所述第一换向单元具体为光循环器或分束器；

所述第二换向单元具体为第三反射镜。

16.根据权利要求12所述的一种光谱测量系统，其特征在于，还包括：载物台、信号放大器和示波器；

所述载物台设置在所述换向装置和所述信号收集装置之间，且位于所述第二出射方向上；

所述信号放大器的输入端与所述信号收集装置连接，输出端与所述示波器连接。

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