CN116448243A - 一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置及方法，该装置及方法从待测激光脉冲中分出一部分能量产生XPW脉冲，以XPW脉冲作为参考光进行测量，并根据测量结果以及XPW脉冲与待测脉冲之间的非线性转换关系，利用迭代算法重构待测光的三维光场。该方法克服了现有技术中进行超快激光三维光场的单帧干涉测量需要外部参考光的缺陷，有助于相关测量技术的仪器化和实用化。

Description

一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置及方法

技术领域

本发明属于超短脉冲激光三维光场的自参考干涉测量领域，尤其涉及一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置及方法。

背景技术

超短超强激光聚焦后远场功率密度可以达到10²³W/cm²量级，是人们研究极端物理条件下物质状态和物理现象的主要工具。然而，超短超强激光系统中普遍存在“时空耦合”（spatiotemporal coupling，STC）现象，“时空耦合”现象是指激光束横截面内不同空间点的时域特征，比如脉冲宽度、脉冲前沿、脉冲波形等各不相同。STC一方面会导致超短超强激光的聚焦功率密度下降，另一方面会影响对激光远场参数的准确评估，妨碍了超短超强激光的性能提升和相关物理规律的探索。

对STC进行准确表征是对STC进行优化和补偿，提升超短超强激光性能的必要前提。完整描述超短超强激光的STC特征需要掌握其三维光场信息，即光束横截面内两个空间维度和频谱/时间维度的强度和相位信息，另外由于超短超强激光一般以较低重频或单发模式运行，因此要求相关的三维光场测量技术必须在单次测量中完整获取这些信息。目前已经发展出了几种超短脉冲激光三维光场的单帧测量技术，比如载波频分复用光谱干涉方法（CFDMSI）、频分复用波前干涉方法（FDMWFI）和STRIPED FISH方法等，这些测量方法均基于干涉测量技术来获取相位信息，需要使用参考脉冲和待测脉冲进行干涉，直接测量得到的结果并非是待测光的三维光场，而是待测光和参考光的强度积的平方根和相位差，即：

式中x和y表示垂直于光束传输方向的两个空间维度，ω表示光电场的角频率；和/>分别表示通过干涉测量方法直接测量的强度和相位的结果，/>和/>表示待测光的强度和相位，/>和/>表示参考光的强度和相位。从上式可知，必须使用三维强度和相位完全已知的激光脉冲作为参考光，才能够得到待测光的三维光场信息，而这样的参考光在实际中是难以获得的，而且从外部引入参考光到测量系统也会给实际测量操作带来诸多不便。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于交叉偏振波（cross-polarized wave，XPW）的三维光场自参考测量装置及方法，该方法从待测激光脉冲中分出一部分能量产生XPW脉冲，以XPW脉冲作为参考光进行测量，并根据测量结果以及XPW脉冲与待测脉冲之间的非线性转换关系，利用迭代算法重构待测光的三维光场。

为达此目的，本发明第一方面采用以下技术方案：一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，所述装置包括：半波片、偏振分束器、延时调节平台、色散补偿片、离轴抛物面镜Ⅰ、交叉偏振波晶体、离轴抛物面镜Ⅱ、偏振滤光片和三维光场干涉测量装置；

所述半波片和偏振分束器按先后顺序排列，将入射光分为p偏振光和s偏振光，其中p偏振光作为信号光，s偏振光作为参考光；

所述延时调节平台、色散补偿片和三维光场干涉测量装置沿着光传输的方向依次设置在信号光路上；

所述离轴抛物面镜Ⅰ、交叉偏振波晶体、离轴抛物面镜Ⅱ、偏振滤光片和三维光场干涉测量装置沿着光传输的方向依次设置在参考光路上；

所述交叉偏振波晶体设置在离轴抛物面镜Ⅰ和离轴抛物面镜Ⅱ的共同焦平面处。

优选的，所述延时调节平台由多个反射镜组成。

优选的，所述交叉偏振波晶体为氟化钡晶体。

本发明第二方面采用以下技术方案：一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量方法，所述方法基于上述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置进行，所述方法包括：

首先，搭建如上所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，并进行光路调节；

接着，利用已经完成光路调节的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置进行待测光路测量，得到测量结果；

最后，根据测量结果，迭代恢复待测三维光场；

优选的，所述光路调节过程包括：

S1-1：移开交叉偏振波晶体，调节参考光路中偏振滤光片的角度使参考光强度最弱；

S1-2：将交叉偏振波晶体置于离轴抛物面镜Ⅰ和离轴抛物面镜Ⅱ的焦点处，绕光轴旋转交叉偏振波晶体的角度，使参考光强度最强；

S1-3：旋转半波片的角度使信号光和参考光的强度最相近；

S1-4：调节延时调节平台，使三维光场干涉测量装置采集到测量需要的干涉条纹；

优选的，所述迭代恢复待测三维光场的过程包括：

S3-1：随机初始化待测光三维光场，其中，x和y表示待测光三维光场空间坐标，ω为频率；

S3-2：根据公式由初始化的待测光场/>或上一次迭代得到的待测光场/>，计算第n次迭代的参考光场/>，n≥1；/>表示待测光场，若n=1，则/>=/>，若n＞1，则/>=/>；FT _3D{}表示沿着(x,y,ω)三个维度进行傅里叶变换；IFT _3D{}表示沿着(x,y,ω)三个维度进行傅里叶逆变换；

S3-3：根据三维光场测量得到的和参考光场/>，计算待测光场：

式中，k为常数，i表示虚数，arg()表示辐角；

S3-4：比较与/>之间的差别，若两者差别超过允许范围，则重复步骤S3-2~S3-3迭代计算待测光场/>；若两者差别在允许范围内，则结束迭代，并以本次迭代计算的/>作为最终的三维光场恢复结果。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置及方法，从待测激光脉冲中分出一部分能量产生XPW脉冲，以XPW脉冲作为参考光进行测量，并根据测量结果以及XPW脉冲与待测脉冲之间的非线性转换关系，利用迭代算法重构待测光的三维光场。该方法克服了现有技术中进行超快激光三维光场的单帧干涉测量需要外部参考光的缺陷，有助于相关测量技术的仪器化和实用化。

附图说明

图1为本发明的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置的结构示意图；

图中：1.半波片2.偏振分束器3.延时调节平台4.色散补偿片5.离轴抛物面镜Ⅰ6.交叉偏振波晶体7.离轴抛物面镜Ⅱ8.偏振滤光片9.三维光场干涉测量装置10.反射镜。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种如图1所示的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，该装置包括：半波片1、偏振分束器2、延时调节平台3、色散补偿片4、离轴抛物面镜Ⅰ5、交叉偏振波晶体6、离轴抛物面镜Ⅱ7、偏振滤光片8和三维光场干涉测量装置9；

其中，半波片1和偏振分束器2按先后顺序排列，将入射光分为p偏振光（偏振方向平行纸面）和s偏振光（偏振方向垂直纸面），其中p偏振光为信号光，s偏振光作为参考光，旋转半波片1的角度可以调节p偏振和s偏振光的强度比；

信号光经过延时调节平台3和色散补偿片4后到达三维光场干涉测量装置9，其中三维光场干涉测量装置9可以使用CFDMSI技术或STRIPED FISH技术等，色散补偿片4用于补偿信号光路的材料色散，使信号光路和参考光路材料色散一致。

参考光经过离轴抛物面镜Ⅰ5、交叉偏振波晶体6、离轴抛物面镜Ⅱ7和偏振滤光片8后，经过反射镜10后，到达三维光场干涉测量装置9，其中，交叉偏振波晶体6设置在离轴抛物面镜Ⅰ5和离轴抛物面镜Ⅱ7的共同焦平面处，参考光s偏振光经离轴抛物面镜Ⅰ5聚焦后打在交叉偏振波晶体6，发生交叉偏振波（cross-polarized wave，XPW）效应，产生p偏振光，p偏振光经离轴抛物面镜Ⅱ7准直后由偏振滤光片8过滤掉未转化的s偏振光，只保留p偏振光作为参考光到达三维光场测量装置，上述的交叉偏振波晶体6一般为氟化钡晶体，延时调节平台3由多个反射镜组成。

XPW效应可以产生与入射光电场强度E _in三次方成正比的另一偏振方向的输出光，输出光电场为E _XPW，用公式表示为：，在图1中，交叉偏振波晶体放置于两个离轴抛物面镜的共同焦平面处，假设焦平面处的空间坐标为/>，经过XPW效应后输出的光电场可以进一步表示为：

上式中表示入射光在两个离轴抛物面镜的共同焦平面处的电场分布，表示经 XPW效应后输出光的的电场分布，t表示时间。

假设激光近场处的空间坐标为，根据傅里叶光学的基本原理有：，即激光远场（两个离轴抛物面镜的共同焦平面处）的空间分布和近场的空间分布互为傅里叶变换关系；同时，激光的时域特性和频域特性也满足傅里叶变换关系，因此有：

式中，表示入射光的近场光场分布，FT _3D{}表示沿/>三个维度进行傅里叶变换。

由于产生的XPW脉冲的电场强度与入射光电场强度的三次方成正比，因此相比于/>在远场空间域以及时间域上能量更集中，即焦斑更小、脉宽更短，这意味着XPW脉冲的频谱宽度更宽，谱相位更平坦，同时其近场光强和波前的空间分布也更为平坦，XPW过程起到了空间域两个空间维度和频谱维度的三维滤波作用。

图1中三维光场干涉测量装置9采用CFDMSI或STRIPED FISH等三维光场干涉测量方法进行测量，测量得到的结果用表示，/>的模和辐角分别满足：

上式中和/>分别表示待测光场和参考光场的光电场，表示/>的模，/>为待测光场/>三维强度分布，/>为参考光场/>三维强度分布，/>表示/>的辐角，/>为待测光场/>场的辐角，/>为参考光场/>场的辐角。

此处参考光为待测光产生的XPW脉冲，因此满足关系：

式中，IFT _3D{}表示三维傅里叶逆变换。

根据三维光场干涉测量装置9测量得到的以及上述的/>和之间的关系，可以通过迭代算法求解待测光场/>的三维光场分布。

上述实现基于交叉偏振波的三维光场自参考测量的方法具体而言如下：

首先，搭建如上所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，并进行光路调节，具体如下：

S1-1：移开交叉偏振波晶体，调节参考光路中偏振滤光片的角度使参考光强度最弱；

S1-2：将交叉偏振波晶体置于离轴抛物面镜Ⅰ和离轴抛物面镜Ⅱ的焦点处，绕光轴旋转交叉偏振波晶体的角度，使参考光强度最强；

S1-3：旋转半波片的角度使信号光和参考光的强度最相近；

S1-4：调节延时调节平台，使三维光场干涉测量装置采集到测量需要的干涉条纹；

接着，利用已经完成光路调节的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置进行待测光路测量，得到测量结果；

最后，根据测量结果，迭代恢复待测三维光场，具体过程如下：

S3-1：随机初始化待测光三维光场，其中，x和y表示待测光三维光场空间坐标，ω为频率；

S3-2：根据公式由初始化的待测光场/>或上一次迭代得到的待测光场/>，计算第n次迭代的参考光场/>，n≥1；/>表示待测光场，若是n=1，则/>=/>，若n＞1，则/>=/>；FT _3D{}表示沿着(x,y,ω)三个维度进行傅里叶变换；IFT _3D{}表示沿着(x,y,ω)三个维度进行傅里叶逆变换；

S3-3：根据三维光场测量得到的和参考光场/>，计算待测光场：

式中，k为常数，i表示虚数，arg()表示辐角；

S3-4：比较与/>之间的差别，即比较/>与/>或者/>与上一次迭代得到的待测光场之间的差别，若两者差别较大，则重复步骤S3-2~S3-3；若两者差别足够小，则结束迭代，并以/>作为最终的三维光场恢复结果。

Claims (6)

1.一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，其特征在于，所述装置包括：半波片、偏振分束器、延时调节平台、色散补偿片、离轴抛物面镜Ⅰ、交叉偏振波晶体、离轴抛物面镜Ⅱ、偏振滤光片和三维光场干涉测量装置；

所述半波片和偏振分束器按先后顺序排列，将入射光分为p偏振光和s偏振光，其中p偏振光作为信号光，s偏振光作为参考光；

所述延时调节平台、色散补偿片和三维光场干涉测量装置沿着光传输的方向依次设置在信号光路上；

所述离轴抛物面镜Ⅰ、交叉偏振波晶体、离轴抛物面镜Ⅱ、偏振滤光片和三维光场干涉测量装置沿着光传输的方向依次设置在参考光路上；

所述交叉偏振波晶体设置在离轴抛物面镜Ⅰ和离轴抛物面镜Ⅱ的共同焦平面处。

2.根据权利要求1所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，其特征在于，所述延时调节平台由多个反射镜组成。

3.根据权利要求1所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，其特征在于，所述交叉偏振波晶体为氟化钡晶体。

4.一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置进行，所述方法包括：

首先，搭建如权利要求1所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置，并进行光路调节；

接着，利用已经完成光路调节的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置进行待测光路测量，得到测量结果；

最后，根据测量结果迭代恢复待测三维光场。

5.根据权利要求4所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量方法，其特征在于，

所述光路调节包括：

S1-1：移开交叉偏振波晶体，调节参考光路中偏振滤光片的角度使参考光强度最弱；

S1-2：将交叉偏振波晶体置于离轴抛物面镜Ⅰ和离轴抛物面镜Ⅱ的焦点处，绕光轴旋转交叉偏振波晶体的角度，使参考光强度最强；

S1-3：旋转半波片的角度使信号光和参考光的强度最相近；

S1-4：调节延时调节平台，使三维光场干涉测量装置采集到测量需要的干涉条纹。

6.根据权利要求4所述的基于交叉偏振波的三维光场自参考测量方法，其特征在于，

所述迭代恢复待测三维光场的过程包括：

S3-1：随机初始化待测光三维光场，其中，x和y表示待测光三维光场空间坐标，ω为频率；

S3-2：根据公式由初始化的待测光场/>或上一次迭代得到的待测光场/>，计算第n次迭代的参考光场/>，n≥1；/>表示待测光场，若是n=1，则/>=/>，若n＞1，则/>=/>；FT _3D{}表示沿着(x,y,ω)三个维度进行傅里叶变换；IFT _3D{}表示沿着(x,y,ω)三个维度进行傅里叶逆变换；

S3-3：根据三维光场测量得到的结果和第n次迭代的参考光场/>，计算待测光场/>：

式中，k为常数，i表示虚数，arg()表示辐角；

S3-4：比较与/>之间的差别，若两者差别超过允许范围，则重复步骤S3-2~S3-3迭代计算待测光场/>；若两者差别在允许范围内，则结束迭代，并以本次迭代计算的/>作为最终的三维光场恢复结果。