CN114910178A - 一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置和测量方法，测量装置包括沿超短脉冲激光光路依次设置的分束器、耦合装置和片上非线性光波导，分束器用于将超短脉冲激光分成反射光束和透射光束，耦合装置用于将反射光束和透射光束分别共线空间耦合到片上非线性光波导的第一抛光端面和第二抛光端面中相向传播，以使片上非线性光波导产生横向倍频信号；成像光谱仪用于采集横向倍频信号不同空间位置的频谱强度信息；信息处理装置用于将频谱强度信息转化为标准脉冲测量装置的谱图信息，采用反演算法计算，得到超短脉冲复电场的完整表达式。解决了横向倍频脉冲测量无法得到完整脉冲信息的问题，具有操作轻松，精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置和测量方法。
背景技术
超短脉冲激光具有时间宽度短，峰值功率高等特点。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。
标准超短脉冲测量装置使用的方法是频率分辨光学开关法，以自相关仪作为基础，将待测超短脉冲激光通过分束器分成两束后，通过精密位移装置连续不断地改变两束脉冲的光程差，并用光谱仪分别记录不同光程差下的信号频谱强度。最后使用还原算法得到脉冲完整信息。但是其对精密位移装置的精度要求极高，装置成本过高，测量过程耗时较长。
现有技术有改良的超短脉冲激光探测仪，将待测超短脉冲激光通过分束器分成两束后，通过光纤锥耦合的方式分别耦合到悬空的纳米线的两端中，并产生非线性信号，通过照相机采集非线性信号的强度信息，并对强度信息加以分析推算出待测超短脉冲激光的脉宽信号，从而实现高精度的超短脉冲激光测量。
但改良的超短脉冲激光探测仪仍然存在以下技术问题：
1.仅成功实现了脉冲时域上的脉宽测量，无法实现通过算法还原得到超短脉冲激光完整的参数信息。
2.为了保证对纳米线的耦合效率，使用光纤锥耦合装置，操作复杂易损，且带来了额外的色散等脉冲畸变。
3.纳米线中的高阶模式与基模之间的相互作用使信号产生干涉图样，影响测量。
4.纳米线不仅结构脆弱易损坏，且容易弯曲对测量结果造成误差。
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。因此我们需要新的技术测量超短脉冲激光的完整信息。
此外，为了更好地理解集成光子器件中的光信号的相互作用和动态演化，开发一种通用的片上脉冲测量工具至关重要。该工具可以实时地充分表征这些脉冲，实现如信号质量控制、信号处理、线性和非线性减值补偿以及许多其他功能。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，能够大幅减少耦合散射损耗，避免额外引入的色散等畸变，抑制高阶模的产生，使测量更轻松且提升测量精度，能够使用现有还原算法得到超短激光脉冲的完整参数信息。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量方法，能够大幅减少耦合散射损耗，避免额外引入的色散等畸变，抑制高阶模的产生，使测量更轻松且提升测量精度，使用现有还原算法得到超短激光脉冲完整的参数信息。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，包括沿超短脉冲激光光路依次设置的分束器、耦合装置、片上非线性光波导、成像光谱仪以及用于采用脉冲还原算法得到超短脉冲激光完整的参数信息的信息处理装置。分束器用于将超短脉冲激光分成反射光束和透射光束，耦合装置以空间耦合的方式将反射光束和透射光束共线耦合到片上非线性光波导的第一抛光端面和第二抛光端面中相向传播，通过片上非线性光波导产生横向倍频信号。片上非线性光波导一侧的成像光谱仪用于采集横向倍频信号不同空间位置的频谱强度信息。信息处理装置将此信号转化为常规的谱图信号形式后，可采用反演算法多次迭代，得到超短脉冲激光完整的参数信息。
进一步，片上非线性光波导为集成于基片上的非线性材料组成的线状波导(材料包括且不仅限于铌酸锂)，线状波导的两端位于基片边缘端面上，线状波导的两端面分别为第一抛光端面和第二抛光端面。线状波导通过刻蚀覆盖有非线性材料的基片产生，由于波导集成在基片上，可通过对基片的抛光处理使波导的端面也得到抛光优化。采用片上集成波导不仅结构坚固稳定，工艺成熟，还有利于封装保存。
进一步，耦合装置包括用于调节反射光束和透射光束传播方向、角度和耦合效果的多个反射镜。
进一步，耦合装置包括第一凸透镜和第二凸透镜，分别使反射光束和透射光束聚焦于片上非线性光波导的第一抛光端面和第二抛光端面上。由于片上非线性光波导的端面得到抛光，与纳米线相比，大幅减少了散射损耗，因此可以采用空间耦合方式将透射光束和反射光束分别从两个端面耦合进片上非线性光波导内。与常见的光纤锥耦合相比，空间耦合结构简单稳定，操作方便，使调节测量更轻松。更重要的是避免了待测脉冲在光纤和光纤锥内传播额外引入的色散等畸变，提高了测量精度。而且采用空间耦合的方式可以轻松地通过调节待测光入射位置和角度来抑制高阶模的产生，这也进一步地提升了测量精度。
进一步，第四反射镜和第五反射镜对应放置在一维调整架上，共同组成一个延时装置，通过调节一维调整架来改变反射光束和透射光束之间的光程差。
进一步，成像光谱仪设于片上非线性光波导一侧，通过第三凸透镜和第四凸透镜组成成像系统，将非线性光波导成像到成像光谱仪中。
进一步，一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量方法，包括以下步骤：
S1，通过分束器将超短脉冲激光分成反射光束和透射光束；
S2，通过耦合装置将反射光束和透射光束分别共线空间耦合到片上非线性光波导的第一抛光端面和第二抛光端面中相向传播，以使片上非线性光波导产生横向倍频信号；
S3，通过成像光谱仪采集横向倍频信号的不同位置的频谱强度信息；
S4，对采集到的不同位置的频谱强度信息进行修正，转化为标准超短脉冲测量装置的谱图信息；
S5，对谱图信息采用反演算法计算，得到超短脉冲激光复电场的完整表达式。
进一步，S2中，反射光束和透射光束分别从片上非线性光波导两端进行空间耦合，在片上非线性光波导内相向传播。通过调节一维调整架改变二者光程差，使两个方向的脉冲在片上非线性光波导内相遇。
进一步，S4中，考虑脉冲相向传播产生横向倍频信号的本发明与标准超短脉冲测量装置二者所得谱图信息的差异。二者脉冲传播方向不同，通过数学计算可知标准超短脉冲测量装置谱图信息在时间方向上比真实脉冲要长，而本发明则更短，可将本发明测量的谱图信息转化为标准超短脉冲测量装置的谱图形式。
进一步，S4中，考虑本发明为脉冲相向传播产生横向倍频信号，而标准超短脉冲测量装置为脉冲同向传播产生倍频信号。通过数学计算可知标准超短脉冲测量装置谱图信息在时间方向上比真实脉冲要长，本发明则更短，而其余信息可以等价。因此可以考虑二者时间方向上的差异，可将本发明测量的谱图信息通过时域上的修正因子进行修正，转化为标准超短脉冲测量装置的谱图形式
进一步，S5中，反演算法为二维相位反解问题迭代算法。
总的说来，本发明具有如下优点：
由于本发明脉冲探测原理是基于横向倍频，探测过程不需要像标准脉冲测量那样连续不断地改变光程差并分别记录不同光程差下的信号强度，本发明只需记录一次横向倍频信号即可实现脉冲探测，省略了传统方案中费时且昂贵的扫描步骤，且大幅提高了测量速度。
相比于其他基于横向倍频的改良的超短脉冲激光探测仪，本发明采用端面抛光的片上非线性光波导作为倍频介质，能够大幅减少耦合散射损耗，结合空间耦合的方式，结构非常简单，就可以获得高灵敏、高信噪比的横向倍频信号，还避免额外引入的色散等畸变，抑制高阶模的产生，使测量更轻松，且提升测量精度。使用成像光谱仪采集不同位置的频谱强度信息，考虑脉冲反向传播产生的横向倍频信号时间上的宽度与标准方法测量结果的差异，谱图信息可通过时域上的修正因子进行修正，转化为脉冲同向传播的标准超短脉冲测量装置的谱图形式，再使用现有还原算法得到超短脉冲激光脉冲完整的参数信息，能够获得包括脉宽、相位等超短脉冲完整信息，测量精度高。
附图说明
图1为本发明实施例的平面结构示意图。
图2为实施例横向倍频信号的光学示意图。
图3为实施例横向倍频强度的空间分布图。
图4为实施例横向倍频的谱图信息。
图5为实施例还原出来的超短激光脉冲时域振幅和相位信息。
图6为实施例还原出来的超短激光脉冲频域振幅和相位信息。
附图标记说明：
1-分束器，2-第一反射镜，3-第二反射镜，4-第一凸透镜，5-第三反射镜，6-第四反射镜，7-第五反射镜，8-一维调整架，9-第二凸透镜，10-片上非线性光波导，101-第一抛光端面，102-第二抛光端面，11-第三凸透镜，12-第四凸透镜，13-成像光谱仪。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，包括沿超短脉冲激光光路依次设置的分束器1、耦合装置、片上非线性光波导10、成像光谱仪13以及用于采用脉冲还原算法得到超短脉冲激光完整的参数信息的信息处理装置(计算机)。
分束器1用于将超短脉冲激光分成反射光束和透射光束，耦合装置以空间耦合的方式将反射光束和透射光束共线耦合到片上非线性光波导10的第一抛光端面101和第二抛光端面102中相向传播，通过片上非线性光波导10产生横向倍频信号。片上非线性光波导10一侧设有成像光谱仪13用于采集横向倍频信号不同空间位置的频谱强度信息。
由于采用片上非线性光波导10作为倍频介质，且片上非线性光波导10的两个端面得到抛光，与纳米线相比，大幅减少了散射损耗，因此可以轻松地将基片固定在特定位置，然后将待测超快激光聚焦到第一抛光端面101和第二抛光端面102上以空间耦合的方法将光束缚到片上非线性光波导10中。与常见的光纤锥耦合相比，空间耦合结构简单稳定，操作方便，使调节测量更轻松。更重要的是避免了待测脉冲在光纤和光纤锥内传播额外引入的色散等脉冲畸变，提高了测量精度。
具体地，待测超短脉冲入射的方向如图1单箭头所示，首先通过分束器1分成反射光束和透射光束两路，其中反射光束经过第一反射镜2和第二反射镜3调整传播方向，通过第一凸透镜4聚焦打到片上非线性光波导的第一抛光端面101上；透射光束经过第三反射镜5、第四反射镜6和第五反射镜7调整传播方向，通过第二凸透镜9聚焦打到片上非线性光波导10的第二抛光端面102上。利用第一反射2镜和第二放射镜3可以调节反射光束聚焦点在片上非线性光波导10端面的具体位置和入射角度，高效率地在波导内形成基模；类似地，透射光束也进行同样的操作。采用空间耦合的方式不仅结构操作相对简单，更重要的可以通过调节待测光入射位置和角度来抑制高阶模的产生，这也进一步地提升了测量精度。
调节一维调整架8改变透射光束的光程，以使透射光束和反射光束在片上非线性光波导10中的位置光程相等。此时透射方向的脉冲和反射方向的脉冲在片上非线性光波导10内相遇，由于光被束缚在片上非线性光波导10极小的区域内(直径亚波长量级)，且满足了横向倍频发射的相位匹配条件，所以该位置附近会有强烈的横向倍频信号发射。横向倍频信号的强度A(τ)满足：
其中，τ代表在空间纳米线波导上各个不同位置所对应的相对时延(设相遇的中心点为零时延位置)，I(t-τ)与I(t+τ)分别表示反向传播的光波光强，空间位置s和时延τ满足：
s＝vgτ＝c/ngτ；
其中，vg代表该脉冲在波导中的群速度，ng为对应的波导群折射率，这样我们将超短脉冲从时间尺度映射到了空间尺度上。此时所记录的横向发射的倍频信号的空间分布则刚好代表了两个相向传播脉冲的相关信号。
值得注意的是，本发明测量的是相同的两个相向传播的脉冲产生的横向倍频电场满足，传统的自相关仪和超短脉冲测量仪的原理是测量相同的两个同向传播的脉冲不同重叠情况下的倍频信号，其倍频信号的强度A(τ)满足：
这里，I(t)与I(t+τ)分别表示同向传播的两个光波光强。传统的自相关仪和超短脉冲测量仪的原理是测量相同的两个同向传播的脉冲不同重叠情况下产生的自相关波形，自相关波形在时域上与实际脉冲形状会存在一定差异，自相关波形会比实际脉冲更宽。可以由数学关系得相对应的自相关波形的半高宽与实际脉冲宽度的比值(也称为反卷积因子k)，这样就可以由实验测得的自相关波形反推实际脉冲，举例来说，对高斯型脉冲k＝1.414；对双曲正割型脉冲k＝1.55，等等。类似地，对于本发明相同的两个相向传播的脉冲测量，也可以由数学关系得到相对应的反卷积因子，自相关波形会比实际脉冲更短。举例来说，对高斯型脉冲k＝0.71；对双曲正割型脉冲k＝0.77，等等。因此在数学上，可以通过考虑反卷积因子的差异得到修正因子大小，将本发明记录的信号修正为传统自相关仪和超短脉冲测量仪的形式。
进一步地，在垂直于片上非线性光波导10的一侧方向(横向倍频发射方向如图1双箭头所示)放置有成像光谱仪13，并使用第三凸透镜11和第四凸透镜12组成成像系统，将横向倍频信号成像到成像光谱仪13狭缝中，采集了片上非线性光波导10不同空间位置处产生的频谱强度信息。注意，此时只需要采集一次信号即可。使用成像光谱仪13，我们对横向倍频电场
的空间分布进行光谱分析，则得到与频率ω，时延τ相关的谱图信息I(ω，τ)：
考虑了脉冲相向传播与同向传播的自相关波形差异后，本发明记录的谱图信息和超短脉冲测量仪的谱图信息在频谱方向上和时域方向上都是一样的的，因此测量得到的谱图信息即通过计算转化为传统脉冲测量仪的谱图形式，可以将超短脉冲激光的重建问题转换为一个二维相位反解问题，通过对谱图信息采用反演算法多次迭代，就可以确定超短脉冲激光复电场的完整表达，包括超短脉冲激光的时域、频域和相位等信息。反演算法是现有技术(参考文献：Trebino R,Kane D J.Using phase retrieval to measure theintensity and phase of ultrashort pulses:frequency-resolved optical gating[J].JOSA A,1993,10(5):1101-1111.)，在此不再赘述。
此外，若将成像光谱仪13替换为普通CCD或照相机记录横向倍频光的空间分布，即可实现自相关仪的功能。对倍频光强度的空间分布进行拟合计算即可得到脉宽信息。
采用如图1所示的装置，我们对光谱物理公司的商用飞秒激光脉冲进行了脉冲测量。在具体实施光路中，待测超快激光重复频率为80MHz，中心波长为1024nm，脉冲能量为2pJ。待测激光经过分束器1分成两路，分别通过两个物镜空间耦合到硅片上的铌酸锂波导中。调节一维调整架8使两路脉冲在铌酸锂波导中相遇，产生横向倍频信号。
图2为CCD记录的横向倍频光图像，脉冲能量仅为2pJ，即可产生清晰、干净、高信噪比的信号。可见，通过具有第一抛光端面101和第二抛光端面102的片上非线性光波导10和空间耦合的结合，可以以简单的方式高效地产生横向倍频信号，还能有效减少高阶模的影响，提高信噪比。
图3细实线表示对应于图2得到的横向倍频光的空间分布图，粗实线表示对该空间分布的双曲正割拟合曲线。
图4为成像光谱仪13采集到的横向倍频信号不同空间位置的频谱强度，得到图像即为谱图信息，其中横轴坐标为时延(也即空间位置)，纵轴为波长。考虑反卷积因子和波导群折射率后，将测量得到的信号修正为常规形式的谱图信号。接下来，我们根据二维相位反解问题算法对谱图信息进行迭代计算，即可得到脉冲的完整信息。
图5为根据本发明测量还原出来的脉冲时域信息，实线代表强度，虚线代表相位。
图6为根据本发明测量还原出来的脉冲频域信息，实线代表强度，虚线代表相位。结合图5、图6可知，时域半高全宽为182fs，频域谱宽为8.5nm，算法重构误差0.005。可以看出重构误差很小。用标准超短脉冲测量仪测得时域半高全宽为180fs，本发明的测量结果与其十分接近，可见本发明几乎不引入额外的脉冲畸变，证明了本发明测量方法的实用有效性。
综上所述，本发明采用片上非线性光波导10作为倍频介质，结合空间耦合的方式，结构非常简单，就可以获得高灵敏、高信噪比的横向倍频信号。使用成像光谱仪13只需采集一次不同位置的频谱强度信息，经过修正后采集的信号可以转化为常规形式的谱图信息，然后采用反演算法进行迭代计算，能够获得包括脉宽、相位等超短脉冲完整信息，测量速度快，精度高。
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 (10)
1.一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，其特征在于：包括沿超短脉冲激光光路依次设置的分束器、耦合装置和片上非线性光波导，片上非线性光波导设有第一抛光端面和第二抛光端面，分束器用于将超短脉冲激光分成反射光束和透射光束，耦合装置用于将反射光束和透射光束分别共线空间耦合到片上非线性光波导的第一抛光端面和第二抛光端面中相向传播，以使片上非线性光波导产生横向倍频信号；片上非线性光波导一侧对应设有成像光谱仪，用于采集横向倍频信号不同空间位置的频谱强度信息；成像光谱仪连接有信息处理装置，信息处理装置用于将频谱强度信息转化为标准超短脉冲测量装置的谱图信息，并对谱图信息采用反演算法计算，得到超短脉冲激光复电场的完整表达式。
2.按照权利要求1所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，其特征在于：片上非线性光波导为集成于基片上的由非线性材料组成的线状波导，第一抛光端面和第二抛光端面位于线状波导的两端。
3.按照权利要求1所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，其特征在于：耦合装置包括第一凸透镜和第二凸透镜，第一凸透镜和第二凸透镜相对设置，反射光束经过第一凸透镜耦合于第一抛光端面，透射光束经过第二凸透镜耦合于第二抛光端面。
4.按照权利要求3所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，其特征在于：耦合装置还包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜用于将分束器分出来的反射光束反射进入第二反射镜，第二反射镜用于将第一反射镜的出射光反射进入第一凸透镜。
5.按照权利要求4所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，其特征在于：耦合装置还包括第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜，第三反射镜用于将分束器分出来的透射光束反射进入第四反射镜，第四反射镜用于将第三反射镜的出射光反射进入第五反射镜，第五反射镜用于将第四反射镜的出射光反射进入第二凸透镜。
6.按照权利要求5所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置，其特征在于：耦合装置还包括一维调整架，第四反射镜和第五反射镜对应设于一维调整架。
7.一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，通过分束器将超短脉冲激光分成反射光束和透射光束；
S2，通过耦合装置将反射光束和透射光束分别共线空间耦合到片上非线性光波导的第一抛光端面和第二抛光端面中相向传播，以使片上非线性光波导产生横向倍频信号；
S3，通过成像光谱仪采集横向倍频信号的不同位置的频谱强度信息；
S4，对采集到的不同位置的频谱强度信息进行修正，转化为标准超短脉冲测量装置的谱图信息；
S5，对谱图信息采用反演算法计算，得到超短脉冲激光复电场的完整表达式。
8.按照权利要求7所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量方法，其特征在于：S2中，通过一维调整架来调节反射光束和透射光束的光程差，以使反射光束和透射光束在片上非线性光波导内耦合。
9.按照权利要求7所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量方法，其特征在于：S4中对采集到的不同位置的频谱强度信息进行修正的方式为，考虑脉冲反向传播产生的横向倍频信号时间上的宽度与标准方法测量结果的差异，将采集到的不同位置的频谱强度信息通过时域上的修正因子进行修正，即可转化为脉冲同向传播的标准超短脉冲测量装置的谱图形式。
10.按照权利要求7所述的一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量方法，其特征在于：S5中，反演算法为二维相位反解问题迭代算法。
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| CN202210409037.4A CN114910178A (zh) | 2022-04-19 | 2022-04-19 | 一种基于横向倍频的超短脉冲激光测量装置和测量方法 |
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