CN1554931A - 飞秒级超短光脉冲测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种测量飞秒级光脉冲的测量方法及装置。该装置能实现对脉宽达到飞秒级超短光脉冲的快速实时测量，在结构上不需要移动的延迟设备，有利于设备集成化；在算法上快速简便。装置能很好地解决超短光脉冲的测量，其原理是把一个本地同频率的零差脉冲和复制脉冲同时与一强啁啾脉冲发生两次上频转换，把两次上频转换产生的相位差经过傅立叶变换得到原始脉冲的相位信息。装置为超短光脉冲测量提供一种便于集成化和快速实时的测量工具，能够测量脉宽低于10飞秒的光脉冲。有广泛的应用前景。

Description

飞秒级超短光脉冲测量方法及装置

技术领域

本发明是一种超快领域中超短光脉冲的测量方法及装置，目的是在各种超短光脉冲应用中测量出包括幅值、脉宽和相位在内的完整光脉冲信息参数。属于超快现象中的光测量技术领域。

背景技术

在超快过程的研究中，超快光源的研究和开发尤为重要，它是超快科学研究的基础，特别是光脉冲的精确测量愈来愈显得重要。自从脉冲激光器问世以来，脉冲的宽度变得越来越窄，由60年代中期的几个纳秒(1ns＝10^-9s)逐步过渡到几个飞秒(1fs＝10^-15s)，如此短的脉冲宽度在超快物理和化学过程的研究、超高速通信等领域正起着不可替代的作用。特别近10年来，超短光脉冲技术获得了突飞猛进的发展，在近红外波段通过啁啾脉冲放大及压缩，可获得接近两个光波振荡周期的4-5fs光脉冲，德国的Max-Born研究所报道了利用超快分子相位调制技术可产生3.8fs的单脉冲。在超紫外光谱区，通过高阶非线性光学过程即气体高次谐波可以产生阿秒(1as＝10^-18s)级脉冲。脉冲宽度为几个光学周期时，脉冲光谱较宽且结构复杂，获得光脉冲振幅和相位的时间与频率演化，对于研究超短光脉冲产生的物理机制、以及对更短脉冲都非常重要。

目前，测量高速光脉冲的方法归纳起来可分为两大类：直接测量法和间接测量法。直接测量法利用快速光电效应进行测量，包括电光条纹相机、快速脉冲取样等方法；间接测量法利用非线性光学效应进行测量，包括二次谐波产生、频率分辨光学门、光谱相位干涉直接电场重建等方法。但是当脉宽低于1皮秒(1ps＝10^-12s)时，直接测量的方法就不可能实现了，所以只有采用间接测量的方法，在间接测量方法中，现有的方法为二次谐波产生、频率分辨光学门、光谱相位干涉直接电场重建等方法，以下介绍这三种方法：

二次谐波产生法(SHG)

二次谐波产生法(SHG)都是通过测定光脉冲的二次自相关函数的脉宽来反推被测脉冲宽度的。SHG法原理如图1所示，被测脉冲被分光镜S等分为两束，其中一束经固定反射镜M1直接反射，另一束被可动反射镜M2反射，M2置于由可逆电机控制的可平移调整台上，可前后移动改变两束光之间的光程差从而改变它们的延迟时间。两束光经透镜L聚焦共线入射到倍频晶体磷酸二氢钾(KDP)中，在满足一定的位相匹配条件下，两脉冲相互作用产生强的二次谐波，利用光电倍增管检测M2不同位置时的倍频光，就可以得到此脉冲的二次自相关函数。归一化无背景二次自相关函数G₂(τ)可表示为

$G_2\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}I\left(t\right)I(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}/{\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中：I(t)为被测脉冲的光强；τ为两脉冲相对延迟时间。由强度自相关函数理论可知，G₂(τ)的半高全宽(FWHM)与被测脉冲的半高全宽成正比，比例系数只与被测脉冲形状有关，为一常数。若被测脉冲形状已知，则可得其脉宽。但是，SHG法还存在不足之处：

SHG法必须事先设定脉冲波形，但实际上被测光脉冲波形多是未知的，通过G₂(τ)对脉冲波形进行评价并不严格，仅是提供一个脉冲宽度的大概估计。由G₂(τ)的定义可知，无论被测脉冲是否对称，G₂(τ)总是对称的，故无法获知脉冲波形和相位的有关信息；

SHG法不能测量单个光脉冲，要求激光器输出的多次脉冲很稳定；

非线性晶体的位相匹配条件限制了可测量光脉冲的范围。例如，由于无法满足非线性晶体所需的位相条件，且大多数晶体在紫外波段不透明，采用SHG法测量紫外波段脉冲有一定困难；

光脉冲都有一定带宽，而非线性晶体的有限相位匹配带宽无法以相同的转换效率将全部频率分量转换，导致脉冲光谱畸变。为了减小由此带来的测量误差，晶体必须极薄。例如，当测量10fs以下的脉冲时，非线性晶体的厚度应小于25μm，使非线性晶体的效率降低，加工困难。

频率分辨光学门(FROG)

该技术包括硬、软件两部分：产生被测光脉冲FROG图形的实验装置和从FROG图形中提取被测光脉冲强度和相位信息的相位迭代算法。其基本原理为：将被测脉冲E(t)等分为两个光脉冲，两脉冲经过不同光程后入射到一个具有瞬时响应的非线性光学门中，实现对光脉冲的时间选通，得到的信号为E_sig(t，τ)，FROG相位迭代算法的目的就是确定出光脉冲的强度和相位信息，首先通过估计给E(t)设定一个初值，根据公式计算出信号E_sig(t，τ)，对其求傅里叶变换得到频域信号E_sig(ω，τ)，然后用实验测得的I_FROG(ω，τ)(I_FROG为光强)代替信号E_sig(ω，τ)的幅度得到新的E_sig(ω，τ)，经过逆傅里叶变换得到新的E_sig(t，τ)，最后应用一定的限定条件，由新的E_sig(t，τ)计算出新的E(t)作为下一次迭代的初值。重复这个过程，直到FROG图形误差达到一个可以接受的值。然而，FROG法也存在一些问题。例如，对于SHG FROG法，在低于10fs光脉冲的测量中，同SHG法一样，受到非线性晶体有限相位匹配带宽的限制。此外，由于FROG法测量装置是由各种光学分立元件组成，脉冲延迟需要移动装置，存在体积大、成本高，不利于设计出小型化的测试设备。因此它一般只用于实验室中。

光谱相位干涉直接电场重建(SPIDER)

在FROG之后，基于光谱错位干涉(SSI)原理，人们又提出了一种新型的超短光脉冲测量方法—光谱相位干涉直接电场重建(SPIDER)。其原理如图2所示，将被测脉冲复制为固定延迟值为τ的p1和p2两个脉冲，分别与一强啁啾脉冲p3(由被测脉冲扩展得到，其脉宽远大于τ)的不同准单色频率分量发生作用，然后在一非线性晶体χ^(N)中发生上频转换，从而在两个脉冲间形成频率差δω，使用光谱仪检测两脉冲的干涉信号，结果可表示为：

S(ω_c)＝|E(ω_c)|²+|E(ω_c+δω)|²+2|E(ω_c)E(ω_c+δω)|cos[φ_ω(ω_c+δω)-φ_ω(ω_c)+ω_cτ]

其中S(ω_c)为标准的光谱错位干涉图，其干涉条纹的间隔为2π/τ；E(ω)和ω(ω)分别表示被测脉冲电场和相位的频域，ω_c为光谱分析仪通带中心频率。脉冲的相位信息以相位差的形式包含在余弦项中，可通过一快速非迭代算法恢复出来。相位重建过程为：首先对复制脉冲与啁啾脉冲产生的干涉图进行傅立叶逆变换得到其时域表示(由中心分别在-τ，0和τ附近的3个时间序列组成)。用滤波器滤掉-τ和0两个时间序列后，对剩下的τ时间序列进行傅里叶变换，变换结果的幅角即为光谱相位差φ_ω(ω_c+δ_ω)-φ_ω(ω_c)+ω_cτ；再测量两个复制脉冲在无光谱错位时的光谱干涉图，消除相位差中的线性相位项ω_cτ；最后对φ_ω(ω_c+δ_ω)-φ_ω(ω_c)积分获得被测脉冲的光谱相位，经傅里叶逆变换后即可得到脉冲的时间相位。被测脉冲的强度可以通过测量频谱得到。

上述光谱相位干涉直接电场重建原理是将被测脉冲复制成两个固定时延为τ的脉冲，这两个复制脉冲再分别与一强啁啾脉冲的不同分量在非线性晶片上发生上频转移效应。由于被测脉冲被复制成两个脉冲，在相位恢复过程中，线性项不能自动消除，在实时测量中容易造成延迟。

本发明把一个本地同频率的零差脉冲和复制脉冲同时与一强啁啾脉冲发生两次上频转换，把两次发生的上频转换产生的相位差经过傅立叶变换得到原始脉冲的相位信息。

发明内容

本发明是一种能测量飞秒级光脉冲的测试仪器。该仪器能实现脉宽达到飞秒级超短光脉冲快速、实时的测量，此仪器在结构上不需要移动的延迟设备，因此更利于设备集成化。在算法上快速简便。

该仪器包括下列部件和步骤：

一、仪器的组成部件为(如图3所示)：

(1)啁啾产生器16，光脉冲进入啁啾产生器后会产生强啁啾脉冲；

(2)分束器17，把光脉冲分为两个部分，一部分成为本地振荡的零差脉冲，另一部分成为复制脉冲；

(3)偏振控制器18，是控制待测脉冲的偏振方向而产生复制脉冲；

(4)延迟控制器19，是由反射镜1、2和透射反射镜4构成，把复制脉冲和零差脉冲之间的时间延迟量控制为一固定值τ(τ为时间量，单位为飞秒)；

(5)反射镜1、2、3、5、6、7、8、9、10，反射镜表面镀有不同的金属膜，3、6为镀金反射镜，1、2、5、7、8、9、10为镀银反射镜；

(6)透射反射镜4；

(7)聚焦镜11，把不共线的两束光聚合到同一个平面上；

(8)非线性晶片13，使通过它的光脉冲发生频率上移效应；

(9)多通道分析仪14，接收、显示光脉冲的自相关曲线；

(10)微机15，接收和处理光脉冲自相关曲线，通过相位恢复算法计算出光脉冲的时域分布，显示待测光脉冲的形状。

二、仪器实现的步骤为(如图3所示)：

(1)待测光脉冲在啁啾发生器16的入射表面被分为两部分，第一部分光脉冲经过折射入射到啁啾发生器的内部，另一部分光脉冲经过反射进入分束器；

(2)进入啁啾发生器16的光脉冲在啁啾发生器中经过脉冲展宽变为强啁啾脉冲，并射向反射镜10；

(3)步骤(1)所述的进入到分束器17的光脉冲被分为两部分，一部分光脉冲进入到偏振控制器18中，另一部分光脉冲进入到延迟控制器19中；

(4)步骤(3)所述的进入到偏振控制器18中的光脉冲经过偏振方向的控制变为复制脉冲；

(5)步骤(3)所述的进入到延迟控制器19的光脉冲，经过反射镜1、2的反射后再经过透射反射镜4透射出去，成为零差脉冲；

(6)步骤(4)所述的复制脉冲经过反射镜3的反射后，与步骤(5)中所述的零差脉冲共线向反射镜6入射；

(7)步骤(5)所述的零差脉冲和步骤(4)所述复制脉冲在时间上相差的延迟量为固定值τ；

(8)步骤(2)所述的强啁啾脉冲经过反射镜10、8、9、7、5的反射后入射到反射镜6上；

(9)步骤(2)所述的啁啾脉宽远大于步骤(7)所述的时间延迟量τ，在脉冲带宽上满足采样定理；

(10)反射镜6将步骤(8)所述的强啁啾脉冲和步骤(6)所述的共线光束平行地反射到聚焦镜11上；

(11)聚焦镜11把步骤(10)所述的两平行光束汇聚到非线性晶片13上；

(12)步骤(11)所述的两束平行光汇聚到非线性晶片13的表面，在非线性晶片13的内部发生如图4所示的相位相干，其中黑长方体20代表强啁啾脉冲，粗黑线条R1、R2代表复制脉冲，虚黑线条H代表零差脉冲，图4中左边的图形表示复制脉冲和零差脉冲第一次分别与强啁啾脉冲发生光谱相位相干，图4中右边的图形代表复制脉冲和零差脉冲第二次分别与强啁啾脉冲发生光谱相位相干；

(13)步骤(12)所述的复制脉冲和零差脉冲第一次分别与强啁啾脉冲作用得到的相位信息θ₁为ψ(ω)-(ω-ω₀)+ωτ；

(14)步骤(12)所述的复制脉冲和零差脉冲第二次分别与强啁啾脉冲作用得到的相位信息θ₂为ψ(ω)-(ω-ω₀+Ω)+ωτ；

(15)把步骤(13)和步骤(14)所述的两次相位信息即θ₁和θ₂相减，就可以得到包括原始脉冲相位信息的代数项θ₃：

θ₃＝(ω-ω₀+Ω)-(ω-ω₀)；

(16)步骤(12)所述的复制脉冲和零差脉冲的相干光束在非线性晶片13内部发生上频效应；

(17)步骤(2)所述的强啁啾脉冲的宽度足够宽，能让复制脉冲和零差脉冲按照步骤(12)所述那样发生两次上频效应；

(18)步骤(14)所述的两次光谱相干图由多通道分析仪14接收并显示；

(19)多通道分析仪14把步骤(18)所述的两次光谱相干图信息传入微机15中进行数据处理和计算；

(20)微机15把接收到的相干光谱信息，利用SPIDER算法把待测光脉冲的相位从相干光谱信息中恢复出来，并显示出待测光脉冲的时域分布，从而得到完整的待测光脉冲形状。

本仪器能实现对脉宽达到飞秒级超短光脉冲的快速实时测量，对非线性晶体的相位匹配带宽和探测器的光谱响应都不敏感，能测量小于10飞秒的光脉冲，不需要移动的延迟设备，因此更利于设备集成化，只需要一个复制脉冲，线性项ωτ能自动消除，不需要额外的消除步骤。具有很好的应用前景。

附图说明

图1是二次谐波测量法的工作原理示意图。

图2是相位干涉直接电场重建(SPIDER)原理示意图。

图3是本发明的原理示意图。

图4是光谱相位相干示意图。

具体实施方式

本发明是一种飞秒级超短光脉冲测试仪器。啁啾发生器16是采用普通硅玻璃制成的长方体，入射表面经过抛光处理，啁啾发生器的材料和几何尺寸直接关系到啁啾脉冲的宽度。待测的光脉冲首先入射到啁啾发生器16的表面，在16的表面同时发生折射和反射，于是待测光脉冲被分成两部分，形成两条光路，发生折射的一部分光脉冲进入到16内部并从另一端面射出到反射镜10，发生反射的另一部分光脉冲入射到分束器17的表面。分束器17为半透半反射镜，从16反射过来的光脉冲入射到17的表面并被分为两部分，一部分光为反射光射向延迟控制器19，另一部分光为透射光射向偏振控制器18。延迟控制器19是由反射镜1、2和透射反射镜4构成，反射镜1、2由表面镀银的反射镜构成，反射镜1、2都与17平行，从17反射过来的光脉冲束以45°角入射到1表面，然后在1表面发生反射而改变传播方向以45°角入射到2的表面，然后经过2表面的反射后以45°角入射到4的表面，4与2成90°角放置，4的表面镀有透射反射膜，从2反射过来的光脉冲束能从4中透射出去射向6，该光脉冲就是零差脉冲。从17透射并射向偏振控制器18的光脉冲束入射到偏振控制器18中，经偏振控制器后，传播方向改变90°角，这束从偏振控制器出来的光脉冲束为复制脉冲，复制脉冲从偏振控制器18射到反射镜3，反射镜3与4平行，为消除色散的影响，在反射镜3表面镀一层金反射膜，复制脉冲经过3的反射后以45°角入射到4的表面，复制脉冲在4的表面发生反射，传播方向改变90°角。从4反射出来复制脉冲和从4透射出来的零差脉冲以相同的路径以45°角射向反射镜6，反射镜6与3、4平行。复制脉冲和零差脉冲经过6的反射后，射向聚焦镜11。

对于待测脉冲入射到16表面经折射而进入到16内部并从另一端面射出的光线，由于16的非线性极化作用，超短光脉冲在它内部传播会产生强啁啾脉冲。从16出来的强啁啾光脉冲以45°角入射到反射镜10，经10发生反射，传播方向改变90°角，再以45°角入射到8，经8反射，方向改变90°角，然后以45°角入射到9，经9发生两次反射，方向改变180°，以45°角入射到反射镜7，经反射镜7反射，方向改变90°，以45°角入射到5并被反射，方向改变90°射向反射镜6。其中反射镜10、8、5相互平行，并与7垂直，9是由两块互相垂直的反射镜组成，光束入射端的一块与10、8、5相互平行，光束出射端的一块与7平行。从5出来的强啁啾脉冲光束以45°角射向反射镜6，反射镜6与反射镜5垂直。

从5射向反射镜6的光线与从4射向反射镜6的光线经过6反射后相互平行，并都向聚焦镜11入射。聚焦镜11把入射到它表面的两束光汇聚到非线性晶片13上。非线性晶片13是按照II类相位匹配来进行角度切割和确定长、宽、高的尺寸。当强啁啾脉冲和复制脉冲、零差脉冲进入非线性晶片13后，由于强啁啾脉冲的脉宽相对于延迟τ足够宽，于是复制脉冲和零差脉冲能先后与强啁啾脉冲中不同的分量分别发生两次上频移作用，如图2所示。13中发生的光谱干涉图及相干信息由多通道分析仪14接收，14是由光谱仪构成，通过计算接收脉冲所需的时间来确定其响应时间，根据光脉冲的波长等参数选择匹配的光谱仪。多通道分析仪14把接收的信息传输到微机15中，15是通用的微型计算机，15利用相位恢复算法把两次发生的上频转换产生的相位差θ₃经过傅立叶变换得到原始脉冲的相位信息和超短光脉冲的时域分布，从而可以显示完整的超短光脉冲形状。本仪器便于集成化，实现了超短脉冲的实时测量，并对更短脉冲的研究具有很大的意义。

Claims (10)

1、一种超短光脉冲测量装置，其特征在于：该仪器包括有下列部件：

(1)啁啾产生器16；

(2)分束器17；

(3)偏振控制器18；

(4)延迟控制器19，是由反射镜1、2和透射反射镜4构成；

(5)反射镜1、2、3、5、6、7、8、9、10，反射镜3、6表面为镀金金属膜，反射镜1、2、5、7、8、9、10表面为镀银金属膜；

(6)聚焦镜11；

(7)非线性晶片13；

(8)多通道分析仪14；

(9)微机15。

2、根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述的部件(1)中的啁啾发生器，是由硅玻璃制成的长方体。

3、根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述的部件(4)中的延迟控制器是非移动延迟控制器，把复制脉冲和零差脉冲之间的时间延迟量控制为一固定值τ(τ为时间量，单位为飞秒)。

4、根据权利要求1所述的部件，其特征在于：所述的部件(7)中的非线性晶片由β-偏硼酸钡(BBO)晶片构成。其中的BBO晶片是按照II类相位匹配来进行角度切割及几何尺寸确定的。

5、一种超短光脉冲的测量方法，其特征在于：在超短光脉冲测量中，该方法包括有下列步骤：

(1)待测光脉冲在啁啾发生器16的入射表面被分为两部分，第一部分光脉冲经过折射入射到啁啾发生器的内部，另一部分光脉冲经过反射进入分束器；

(2)进入啁啾发生器16的光脉冲在啁啾发生器中经过脉冲展宽变为强啁啾脉冲，并射向反射镜10；

(3)步骤(1)所述的进入到分束器1 7的光脉冲被分为两部分，一部分光脉冲进入到偏振控制器18中，另一部分光脉冲进入到延迟控制器19中；

(4)步骤(3)所述的进入到偏振控制器1 8中的光脉冲经过偏振方向的控制变为复制脉冲；

(5)步骤(3)所述的进入到延迟控制器19的光脉冲，经过反射镜1、2的反射后再经过透射反射镜4透射出去，成为零差脉冲；

(6)步骤(4)所述的复制脉冲经过反射镜3的反射后，与步骤(5)中所述的零差脉冲共线向反射镜6入射；

(7)步骤(5)所述的零差脉冲和步骤(4)所述复制脉冲在时间上相差的延迟量为固定值τ；

(8)步骤(2)所述的强啁啾脉冲经过反射镜10、8、9、7、5的反射后入射到反射镜6上；

(9)步骤(2)所述的啁啾脉宽远大于步骤(7)所述的时间延迟量τ，在脉冲带宽上满足采样定理；

(10)反射镜6将步骤(8)所述的强啁啾脉冲和步骤(6)所述的共线光束平行地反射到聚焦镜11上；

(11)聚焦镜11把步骤(10)所述的两平行光束汇聚到非线性晶片13上；

(12)步骤(11)所述的两束平行光汇聚到非线性晶片13的表面，在非线性晶片13的内部发生的相位相干，其中黑长方体20代表强啁啾脉冲，粗黑线条R1、R2代表复制脉冲，虚黑线条H代表零差脉冲，左边表示复制脉冲和零差脉冲第一次分别与强啁啾脉冲发生光谱相位相干，右边代表复制脉冲和零差脉冲第二次分别与强啁啾脉冲发生光谱相位相干；

(13)步骤(12)所述的复制脉冲和零差脉冲第一次分别与强啁啾脉冲作用得到的相位信息θ₁为Ψ(ω)-(ω-ω₀)+ωτ；

(14)步骤(12)所述的复制脉冲和零差脉冲第二次分别与强啁啾脉冲作用得到的相位信息θ₂为Ψ(ω)-(ω-ω₀+Ω)+ωτ；用得到的相位信息θ₂为Ψ(ω)-(ω-ω₀+Ω)+ωτ；

(15)把步骤(13)和步骤(14)所述的两次相位信息即θ₁和θ₂相减，就可以得到包括原始脉冲相位信息的代数项θ₃：

        θ₃＝(ω-ω₀+Ω)-(ω-ω₀)；

(16)步骤(12)所述的复制脉冲和零差脉冲的相干光束在非线性晶片13内部发生上频效应；

(17)步骤(2)所述的强啁啾脉冲的宽度足够宽，能让复制脉冲和零差脉冲按照步骤(12)所述那样发生两次上频效应；

(18)步骤(14)所述的两次光谱相干图由多通道分析仪14接收并显示；

(19)多通道分析仪14把步骤(18)所述的两次光谱相干图信息传入微机15中进行数据处理和计算；

(20)微机15把接收到的相干光谱信息，利用SPIDER算法把待测光脉冲的相位从相干光谱信息中恢复出来，并显示出待测光脉冲的时域分布，从而得到完整的待测光脉冲形状。

6、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤(2)中16为硅玻璃长方体，它对超短光脉冲有很大非线形极化作用，使脉冲发生展宽，从而得到脉冲很宽的强啁啾脉冲；

7、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤(5)中的零差脉冲是经过反射镜1、2反射后再经过透射反射镜4透射出去，它与步骤(4)所述的复制脉冲之间存在光程差，从而使零差脉冲和复制脉冲之间的时间延迟量为τ；

8、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤(16)中所述的上频效应是利用非线性晶体的非线形效应，使通过它的光脉冲在频率上发生向上转移；

9、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤(15)、(16)、(17)中是利用零差电场直接重建的原理得到原始脉冲相位信息的代数项θ₃，其中是利用强啁啾脉冲的不同的频率分量与零差脉冲和复制脉冲先后作用，产生不同的相干相位信息；

10、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤(20)中的相位恢复计算是利用快速相位恢复算法。

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