CN116952397A - 一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法，用于解决现有测量光路中由于采用多个透射式光学元件且引入了定量的材料色散，导致对少周期乃至单周期的飞秒超短脉冲激光不能简单、有效测量的技术问题。本发明提供的测量装置设置有第一光阑，将待测超短脉冲激光通过第一光阑上大孔的光作为泵浦光，通过小孔的光作为信号光；泵浦光依次经第二反射镜、凹面镜、介质反射后，被遮挡物完全遮挡；信号光依次经第一反射镜、凹面镜、介质反射后，再通过第二光阑的边缘区域及透镜聚焦至光谱仪；通过移动第一反射镜或第二反射镜上的延时线，对不同延时下信号光光强进行采样，获得不同延时下基频光调制强度曲线。
Description
技术领域
本发明涉及激光脉冲，尤其涉及一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法。
背景技术
随着激光技术的发展，飞秒激光已经广泛应用于生物医学、超精密加工、信息科学等领域。飞秒激光作为更精确、更准、更快的工具，为上述领域提供了全新的技术手段，解决了一些固有难题，成为学科交叉融合的重要方向。目前，超快飞秒激光器已经十分成熟，波长可涵盖从紫外到中红外波段，但如何对不同波段的飞秒激光脉冲进行全方位的诊断，仍是一个十分具有挑战且重要的研究内容。
激光的脉冲特性在时间域通常包括波长、脉宽、相位等信息，在空间域通常包括光斑质量、发散角等，此外激光的脉冲特性还包括能量、重复频率等信息。不同的脉冲特性需要使用不同的仪器进行测量，其中时间域的特性测量尤为复杂，对于超短脉冲激光，国际上通常使用频率分辨光学开关法、光谱位相相干直接电场重建法、阿秒条纹相机、pHz光学示波器以及最近发展的基于空气隧穿电离微扰理论的脉冲采样方法。其中基于空气隧穿电离微扰理论的脉冲采样方法能够准确获得脉冲光谱和相位信息，且系统光路和算法均较为简单，很快受到超快领域的关注。然而其测量光路中采用了多个透射式光学元件，引入了定量的材料色散，导致其对于少周期乃至单周期的飞秒超短脉冲激光，并不能简单、有效的进行测量。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的激光脉冲特性测量光路中由于采用多个透射式光学元件且引入了定量的材料色散，导致对少周期乃至单周期的飞秒超短脉冲激光不能简单、有效测量的技术问题，而提供一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特殊之处在于，包括第一光阑、第一反射镜、第二反射镜、凹面镜、介质、遮挡物、第二光阑、透镜以及光谱仪；
所述第一光阑位于待测超短脉冲激光的入射光路上，第一光阑上开设有大孔和小孔，用于将待测超短脉冲激光分为两束，将通过大孔的透射光作为泵浦光，将通过小孔的透射光作为信号光；
所述大孔的面积需要确保透射的泵浦光能量大于7μJ，小孔和大孔的面积比为1：25～1：36；
所述第一反射镜或第二反射镜上设置有延时线，用于改变信号光和泵浦光间的相对延时；所述第一反射镜和第二反射镜在信号光和泵浦光间的相对延时为0时位于同一平面上；
所述凹面镜焦距的取值用于确保泵浦光聚焦强度大于5×1012W/cm2；
所述第二反射镜、凹面镜、介质以及遮挡物依次位于泵浦光的入射光路上；泵浦光依次经第二反射镜、凹面镜、介质反射后，被遮挡物完全遮挡；
所述第二光阑的中心区域设置有遮挡，边缘区域用于透射；
所述第一反射镜、凹面镜、介质、第二光阑、透镜以及光谱仪依次位于信号光的入射光路上；信号光依次经第一反射镜、凹面镜、介质反射后，再依次通过第二光阑的边缘区域及透镜聚焦至光谱仪。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜之间保持1mm-2mm的间隙；
所述小孔和大孔之间的间距大于等于2mm。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜为D形镜，两个D形镜对称设置在间隙两侧，且靠近间隙的一侧为直线边。
进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜之间的间隙为1mm；
所述小孔和大孔之间的间距为2mm。
进一步地，所述介质为融石英或SiO2。
进一步地，所述第二光阑为中心区域遮挡、边缘区域透射的玻璃薄片。
进一步地，所述延时线通过将第一反射镜放置在可移动平台上并沿垂直于第一反射镜的方向前后移动可移动平台形成；优选的，所述移动平台为压电陶瓷位移台。
进一步地，所述延时线通过将第二反射镜放置在可移动平台上并沿垂直于第二反射镜的方向前后移动可移动平台形成，优选的，所述移动平台为压电陶瓷位移台。
本发明还提供了一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1】移动延时线，利用不同延时下泵浦光在介质表面对信号光的光场微扰形成基频光调制，并通过光谱仪对不同延时下信号光的光强进行采样，获得不同延时下的基频光调制强度曲线；
2】根据不同延时下的基频光调制强度曲线，通过反演算法获得待测超短脉冲激光的光谱、相位以及脉宽信息。
本发明相比于现有技术的有益效果如下：
1、本发明提供的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，通过第一光阑将待测超短脉冲激光分为泵浦光和信号光，再通过改变信号光和泵浦光间的相对延时，实现对不同延时下信号光光强的采样，即利用不同延时下泵浦光在介质表面对信号光的光场微扰形成基频光调制，实现对不同延时下信号光光强的采样，从而获得不同延时下基频光调制强度曲线；本发明的测量装置采用全光学器件和全反射式光路，系统搭建简易、操作简单、测量精度高且探测信息更全面。
2、本发明提供的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，第一反射镜和第二反射镜之间保持1mm-2mm的间隙，可以避免移动延时线时对第一反射镜产生影响，进而保证了测量精度。
3、本发明提供的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，第一反射镜和第二反射镜均设置为D形镜，使得第一反射镜和第二反射镜占地减小的同时，形成的光斑反而更大。
4、本发明提供的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量方法，通过改变信号光和泵浦光间的相对延时，实现对不同延时下信号光光强的采样，获得不同延时下的基频光调制强度曲线，再通过反演算法即可获得脉冲光谱和相位信息，测量方法简单、快速且测量精度高。
附图说明
图1为本发明一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置实施例的结构示意图；
图2为本发明测量方法实施例的步骤1】中获得的不同延时下的基频光调制强度曲线图；
图3为本发明测量方法实施例的步骤2】中通过反演算法获得的待测超短脉冲激光的光谱和相位示意图；
图4为本发明测量方法实施例的步骤2】中通过反演算法获得的脉宽信息的示意图。
具体附图标记如下：
1-第一光阑；2-第一反射镜；3-第二反射镜；4-凹面镜；5-介质；6-遮挡物；7-第二光阑；8-透镜；9-光谱仪；10-延时线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，如图1所示，包括第一光阑1、第一反射镜2、第二反射镜3、凹面镜4、介质5、遮挡物6、第二光阑7、透镜8以及光谱仪9。
本实施例中待测超短脉冲激光由中心波长为800nm的飞秒激光器提供；第一光阑1位于待测超短脉冲激光的入射光路上，第一光阑1上开设有大孔和小孔，用于将待测超短脉冲激光分为两束，将通过大孔的透射光作为泵浦光，将通过小孔的透射光作为信号光。其中，大孔的面积需要确保透射的泵浦光能量大于7μJ，小孔和大孔的面积比可以在1：25～1：36之间进行选择，本实施例中小孔和大孔的面积比为1：36。小孔和大孔之间的间距需要保证信号光和泵浦光之间相互不影响，根据经验其间距通常需要大于等于2mm，优选2mm。
第二反射镜3、凹面镜4、介质5以及遮挡物6依次位于泵浦光的入射光路上。本实施例中，在第二反射镜3上设置有延时线10，用于改变信号光和泵浦光间的相对延时，同时，第一反射镜2和第二反射镜3在信号光和泵浦光间的相对延时为0时位于同一平面上；在本发明的其他实施例中也可以在第一反射镜2上设置延时线，以改变信号光和泵浦光间的相对延时。优选的，延时线10通过将第二反射镜3放置在可移动平台上并沿垂直于第二反射镜3的方向前后移动可移动平台形成，本实施例中可移动平台为压电陶瓷位移台，本发明通过前后移动压电陶瓷位移台形成延时线10，以改变信号光和泵浦光间的相对延时；在本发明的其他实施例中也可以采用其他形式的延时线10。同时，本实施例中凹面镜4的焦距取值为200mm，可以确保泵浦光聚焦强度大于5×1012W/cm2。介质5可以为融石英或SiO2等介质材料，本实施例中选择厚度100μm的融石英。泵浦光依次经第二反射镜3和凹面镜4反射后，通过凹面镜4聚焦至介质5表面，经介质5反射后，被遮挡物6完全遮挡。
第一反射镜2、凹面镜4、介质5、第二光阑7、透镜8以及光谱仪9依次位于信号光的入射光路上。其中，第二光阑7为中心区域遮挡、边缘区域透射的玻璃薄片，用于使入射信号光的中心区域被遮挡，其边缘区域通过第二光阑7进行透射。信号光依次经第一反射镜2和凹面镜4反射后，通过凹面镜4聚焦至介质5表面，经介质5反射后，再通过第二光阑7的边缘区域透射至透镜8，通过透镜8聚焦至光谱仪9。此时移动延时线10，可以通过光谱仪9对不同延时下信号光的强度变化进行采样。
为了避免移动延时线10时对第一反射镜2产生影响，需要在第一反射镜2和第二反射镜3之间保持一定的间隙。但第一反射镜2和第二反射镜3之间的间隙又不能过大，过大会使得信号光和泵浦光不能分别通过第一反射镜2和第二反射镜3，因此，本发明在第一反射镜2和第二反射镜3之间设置1mm-2mm的间隙，优选1mm。同时，本实施例中第一反射镜2和第二反射镜3优选设置为D形镜，两个D形镜对称设置在间隙两侧，且靠近间隙的一侧为直线边，这种设计使得第一反射镜2和第二反射镜3占地减小的同时，形成的光斑反而更大。
基于上述基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，本发明还提供了一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量方法，具体包括以下步骤：
1】移动延时线10，改变信号光和泵浦光间的相对延时，利用不同延时下泵浦光在介质表面对信号光的光场微扰形成基频光调制，并通过光谱仪9对不同延时下信号光的光强进行采样，获得如图2所示的不同延时下的基频光调制强度曲线；
2】根据不同延时下的基频光调制强度曲线，通过反演算法获得的如图3所示的待测超短脉冲激光的光谱和相位示意图，以及图4所示的脉宽信息的示意图。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
包括第一光阑(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、凹面镜(4)、介质(5)、遮挡物(6)、第二光阑(7)、透镜(8)以及光谱仪(9)；
所述第一光阑(1)位于待测超短脉冲激光的入射光路上，第一光阑(1)上开设有大孔和小孔，用于将待测超短脉冲激光分为两束，将通过大孔的透射光作为泵浦光，将通过小孔的透射光作为信号光；
所述大孔的面积需要确保透射的泵浦光能量大于7μJ，小孔和大孔的面积比为1：25～1：36；
所述第一反射镜(2)或第二反射镜(3)上设置有延时线(10)，用于改变信号光和泵浦光间的相对延时；所述第一反射镜(2)和第二反射镜(3)在信号光和泵浦光间的相对延时为0时位于同一平面上；
所述凹面镜(4)焦距的取值用于确保泵浦光聚焦强度大于5×1012W/cm2；
所述第二反射镜(3)、凹面镜(4)、介质(5)以及遮挡物(6)依次位于泵浦光的入射光路上；泵浦光依次经第二反射镜(3)、凹面镜(4)、介质(5)反射后，被遮挡物(6)完全遮挡；
所述第二光阑(7)的中心区域设置有遮挡，边缘区域用于透射；
所述第一反射镜(2)、凹面镜(4)、介质(5)、第二光阑(7)、透镜(8)以及光谱仪(9)依次位于信号光的入射光路上；信号光依次经第一反射镜(2)、凹面镜(4)、介质(5)反射后，再依次通过第二光阑(7)的边缘区域及透镜(8)聚焦至光谱仪(9)。
2.根据权利要1所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述第一反射镜(2)和第二反射镜(3)之间保持1mm-2mm的间隙；
所述小孔和大孔之间的间距大于等于2mm。
3.根据权利要2所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述第一反射镜(2)和第二反射镜(3)为D形镜，两个D形镜对称设置在间隙两侧，且靠近间隙的一侧为直线边。
4.根据权利要3所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述第一反射镜(2)和第二反射镜(3)之间的间隙为1mm；
所述小孔和大孔之间的间距为2mm。
5.根据权利要4所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述介质(5)为融石英或SiO2。
6.根据权利要5所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述第二光阑(7)为中心区域遮挡、边缘区域透射的玻璃薄片。
7.根据权利要1-6任一所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述延时线(10)通过将第一反射镜(2)放置在可移动平台上并沿垂直于第一反射镜(2)的方向前后移动可移动平台形成；
所述移动平台为压电陶瓷位移台。
8.根据权利要1-6任一所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于：
所述延时线(10)通过将第二反射镜(3)放置在可移动平台上并沿垂直于第二反射镜(3)的方向前后移动可移动平台形成；
所述移动平台为压电陶瓷位移台。
9.一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量方法，基于权利要求1-8任一所述的一种基于基频光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
1】移动延时线(10)，利用不同延时下泵浦光在介质表面对信号光的光场微扰形成基频光调制，并通过光谱仪(9)对不同延时下信号光的光强进行采样，获得不同延时下的基频光调制强度曲线；
2】根据不同延时下的基频光调制强度曲线，通过反演算法获得待测超短脉冲激光的光谱、相位以及脉宽信息。
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