CN117470389A - 一种亚周期脉冲时域采样装置及采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种亚周期脉冲时域采样装置，包括光阑、二元凹面镜、压电促动器、滤波片、透镜、探测器。待测激光通过光阑进入到二元凹面镜，经二元凹面镜聚焦产生基频光、微扰光，在压电促动器驱动下，基频光与微扰光重合，产生三倍频光，滤波片将三倍频光与其他光束分开，透镜将三倍频光聚焦至探测器。探测器为光谱仪，还可以为CCD，还可以为光电探头。本发明还涉及一种亚周期脉冲时域采样方法，利用三倍频信号调制对光场进行采样，通过算法获得脉冲光谱和相位信息。本发明基于全光学器件，系统搭建简易，且操作简单、测量精度高、探测信息全面。
Description
技术领域
本发明属于脉冲测量技术领域，具体是一种基于空气中微扰三倍频过程的亚周期脉冲时域采样装置及采样方法。
背景技术
随着激光技术的发展，飞秒激光目前已经广泛应用于生物医学、超精密加工、信息科学等领域，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。波形可控的超短激光脉冲，特别是脉宽在一个周期以下的亚周期脉冲，在孤立阿秒激光的产生，电子加速，原子分子波包动力学研究等超快强场物理领域具有重要应用价值。因此，近年来亚周期脉冲的产生和应用研究已经成为超快科学领域最前沿方向之一。
亚周期脉冲的波形精确测量是开展亚周期脉冲驱动的超快过程研究的必要前提条件：在亚周期脉冲产生方面，需要在超过一个倍频程的光谱范围内精确控制光谱相位，使所有光谱成分在亚周期时间窗口内形成一个孤峰，而对脉冲波形的精确测量是指导色散补偿最为直接有效的方式；在超快过程研究方面，亚周期脉冲的波形测量一方面为光场驱动的强场物理研究提供了输入光场参数，另一方面也是通过光场来调控超快过程研究中不可缺少的步骤。
相较于多周期和少周期脉冲的测量，亚周期脉冲测量要求覆盖更大的光谱范围，因此目前只有少数测量技术被成功用于该类脉冲的时域测量。目前研究人员使用阿秒条纹相机和二维光谱剪切干涉技术成功对亚周期脉冲进行了测量，但是它们在使用上都存在着缺点。例如阿秒条纹相机包括阿秒脉冲产生系统和电子飞行时间谱仪，系统复杂，调试困难，且需要在真空中进行，而二维光谱剪切干涉技术只能测量光谱相位信息，因此其光谱需要独立进行测量，并且相位测量精度与光谱剪切频率的校准精度相关，导致校准精度要求极高。
发明内容
为了克服常规亚周期脉冲测量装置存在的系统负责或者校准精度要求高问题，本发明提出了一种基于空气中微扰三倍频过程的亚周期脉冲时域采样装置及采样方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种亚周期脉冲时域采样装置，包括光阑、二元凹面镜、压电促动器、滤波片、透镜、探测器。
所述待测激光通过光阑进入到二元凹面镜，经所述二元凹面镜聚焦在焦点处产生基频光、微扰光，在所述压电促动器驱动下，基频光与微扰光的相对延迟被调节，产生三倍频调制光信号，所述滤波片将三倍频光与其他光束分开，所述透镜将三倍频光聚焦至所述探测器。
上述的亚周期脉冲时域采样装置，包括棱镜，由所述棱镜代替所述滤波片。
上述的亚周期脉冲时域采样装置，所述二元凹面镜包括内镜、外镜。
所述内镜反射的光束为微扰光，所述外镜反射的光束为基频光。所述压电促动器控制内镜相对外镜的位置，调节基频光和微扰光的相对延时，产生三倍频光。
上述的亚周期脉冲时域采样装置，所述二元凹面镜的焦距为根据光强确定，需要产生可探测三倍频信号。
上述的亚周期脉冲时域采样装置，所述探测器为光谱仪，还可以为CCD，还可以为光电探头。
上述的亚周期脉冲时域采样装置，所述压电促动器的行程不小于100微米，位移精度优于5nm。
一种亚周期脉冲时域采样方法，包括以下步骤：
1)待测激光通过光阑来调整光束大小，再经二元凹面镜聚焦，其中外镜反射的光束为基频光，内镜反射的光束为微扰光。
2)内镜通过压电促动器控制相对外镜的位置来调节基频光和微扰光的相对延时。
3)基频光与微扰光在焦点处空间重合，产生三倍频光。
4)使用滤波片或者棱镜将三倍频光与其他光束分开，然后通过透镜将三倍频光聚焦至探测器。
5)通过探测器测量不同相对延时条件下三倍频信号，获得三倍频调制信号：
δ(τ)∝∫E(t-τ)5E(t)dt
其中，E(t)为待测脉冲光场，τ为基频光与微扰光的相对延时。
6)边调节待测脉冲CEP，边观察三倍频调制信号的频谱，当频谱两端的强度最大时，待测脉冲的CEP至0或者π，此时三倍频调制信号的频谱近似于待测脉冲频谱，则所测量的三倍频调制信号可以被认为等价于待测脉冲波形。
上述的亚周期脉冲时域采样方法，所述压电促动器的行程根据待测脉冲宽度选择，不小于100微米；其位移精度优于5nm。
所述微扰脉冲光强小于基频脉冲光强的1％，所述探测器是光谱仪、CCD或者光电探头，所述采样环境为空气。
本发明的有益效果是：
一种亚周期脉冲时域采样装置及采样方法，利用三倍频过程中的光场微扰所造成的三倍频信号调制对光场进行采样，然后通过简单算法即可获得脉冲光谱和相位信息。该装置基于全光学器件，系统搭建简易，且操作简单、测量精度高、探测信息全面。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是空气中微扰三倍频示意图；
图3(a)是不同CEP的亚周期脉冲波形；粗实线为载波包络相位CEP＝0，虚线为载波包络相位CEP＝π/4，浅色实线为载波包络相位CEP＝π/2。
图3(b)是不同CEP的亚周期光谱相位，粗实线为载波包络相位CEP＝0，虚线为载波包络相位CEP＝π/4，浅色实线为载波包络相位CEP＝π/2；
图4是使用该方法测量的少周期中红外脉冲波形。
图中：1.光阑；2.二元凹面镜；3.压电促动器；4.滤波片；5.透镜；6.探测器。
具体实施方式
实施例1
一种亚周期脉冲时域采样装置，如图1所示。
待测激光通过一个光阑1来调整光束大小，然后经二元凹面镜2聚焦至空气中，焦距根据脉冲光强选择，需可在聚焦处产生三倍频光。二元凹面镜2分为内外两个部分，分别为基频光和微扰光。经过外镜反射的光束为基频光，经过内镜反射的光束为微扰光。其中内镜通过压电促动器3控制相对外镜的位置来调节基频光和微扰光的相对延时。压电促动器3的行程根据待测脉冲宽度选择，一般不小于100微米，位移精度优于5nm。
微扰脉冲光强远低于基频脉冲光强，比例小于1％。
基频光与微扰光在焦点处空间重合，产生三倍频光，如图2所示。
使用滤波片4，或者棱镜，可以将三倍频光与其他光束分开，然后通过透镜将三倍频光聚焦至探测器6。
探测器6可以是光谱仪，CCD或者光电探头。
通过探测器6测量不同相对延时条件下三倍频信号，获得三倍频调制信号，可由下式表示：
δ(τ)∝∫E(t-τ)5E(t)dt，
其中E(t)为待测脉冲光场，τ为基频光与微扰光的相对延时。将上式进行傅里叶变换之后，可以看到
δ(ω)∝F[Ef 5(t)]*Ep(ω)，
三倍频调制信号的频谱为微扰脉冲频谱与Ef 5(t)频谱复共轭的乘积。当Ef 5(t)频谱中间区域能够覆盖基频脉冲光谱且其光谱相位平坦时，就能够实现对待测脉冲的高精度时域采样。图3(a)为中心波长800nm的亚周期脉冲Ef(t)(脉宽2.5fs)。当基频脉冲近似于无啁啾脉冲时，Ef 5(t)的光谱的基频谐波部分宽于Ef(t)，而且Ef 5(t)的色散会趋于零。从图3(b)可以看到对于亚周期脉冲，Ef 5(t)频谱的基频和三倍频谐波成分将产生重合，载波包络相位(CEP)的变化除了影响Ef 5(t)光谱形状以外还会因干涉导致其光谱相位的畸变。因此，需一边调节待测脉冲CEP一边观察三倍频调制信号的频谱，当频谱两端的强度最大时，待测脉冲的CEP至0或者π，此时三倍频调制信号的频谱近似于待测脉冲频谱，于是所测量的三倍频调制信号可以被认为等价于待测脉冲波形。
使用该方法对1.7微米少周期中红外脉冲进行测量(脉宽小于2个周期)，测量得到的脉冲波形如图4所示。
Claims (10)
1.一种亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，包括光阑(1)、二元凹面镜(2)、压电促动器(3)、滤波片(4)、透镜(5)、探测器(6)；
所述待测激光通过光阑(1)进入到二元凹面镜，经所述二元凹面镜(2)聚焦产生基频光、微扰光，在所述压电促动器(3)驱动下，基频光与微扰光的相对延迟被调节，产生三倍频调制光信号，所述滤波片(4)将三倍频光与其他光束分开，所述透镜(5)将三倍频光聚焦至所述探测器(6)。
2.根据权利要求1所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，包括棱镜，由所述棱镜代替所述滤波片(4)。
3.根据权利要求1或2所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，所述二元凹面镜(2)包括内镜、外镜；
所述内镜反射的光束为微扰光，所述外镜反射的光束为基频光；所述压电促动器(3)控制内镜相对外镜的位置，调节基频光和微扰光的相对延时，产生三倍频光。
4.根据权利要求3所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，所述二元凹面镜(2)的焦距根据光强确定，需要产生可探测三倍频信号。
5.根据权利要求1或2所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，所述探测器(6)为光谱仪。
6.根据权利要求1或2所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，所述探测器(6)为CCD。
7.根据权利要求1或2所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，所述探测器(6)为光电探头。
8.根据权利要求7所述的亚周期脉冲时域采样装置，其特征在于，所述压电促动器(3)的行程不小于100微米，位移精度优于5nm。
9.一种亚周期脉冲时域采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)待测激光通过光阑(1)来调整光束大小，再经二元凹面镜(2)聚焦，其中外镜反射的光束为基频光，内镜反射的光束为微扰光；
2)内镜通过压电促动器(3)控制相对外镜的位置来调节基频光和微扰光的相对延时；
3)基频光与微扰光在焦点处空间重合，产生三倍频光；
4)使用滤波片(4)或者棱镜将三倍频光与其他光束分开，然后通过透镜将三倍频光聚焦至探测器(6)；
5)通过探测器(6)测量不同相对延时条件下三倍频信号，获得三倍频调制信号：
δ(τ)∝∫E(t-τ)5E(t)dt，
其中，E(t)为待测脉冲光场，τ为基频光与微扰光的相对延时；
6)边调节待测脉冲CEP，边观察三倍频调制信号的频谱，当频谱两端的强度最大时，待测脉冲的CEP至0或者π，此时三倍频调制信号的频谱近似于待测脉冲频谱，则所测量的三倍频调制信号可以被认为等价于待测脉冲波形。
10.权利要求9所述一种亚周期脉冲时域采样方法，其特征在于，所述压电促动器(3)的行程根据待测脉冲宽度选择，不小于100微米；其位移精度优于5nm；所述微扰脉冲光强小于基频脉冲光强的1％，所述探测器(6)是光谱仪，CCD或者光电探头，所述采样环境为空气。
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