CN1858566A - 超短脉冲精确实时测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超短脉冲实时测量装置，是一种超短脉冲频率分辨光学开关测量装置，由分束器、微动台、扩束装置、大角度菲涅尔双棱镜、厚非线性晶体、圆柱透镜、光阑和CCD探测器和计算机构成，本发明具有消除飞秒脉冲展宽，实时测量、结构紧凑、光路调节方便、测量精度高和成本低的优点。

Description

超短脉冲精确实时测量装置

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种超短脉冲精确实时测量装置，它是一种采用厚非线性晶体的单发频率分辨光学开关法的超短脉冲测量装置。

背景技术

随着超短激光脉冲技术的飞速发展，经放大后飞秒脉冲的峰值功率已达太瓦(10¹²瓦)以上。飞秒激光脉冲的超短和超强特性使得其在物理学，化学，生物学，医学，以及工业领域有广泛的应用，是研究超快现象及各种非线性现象的有力工具。

飞秒激光技术的发展，不仅取决于激光技术本身的积累性发展，同时还得益于测量装置的改进和新方法的问世。飞秒脉冲的精确、可靠而又简单的测量方法对产生更短持续时间的激光脉冲有巨大的指导作用。同时，飞秒激光脉冲作用下各种馅子昂的研究是通过飞秒脉冲测量技术实现的，精确测量飞秒脉冲的时域、频域以及传输等特性可以获得飞秒动态系统响应的物理本质。

飞秒激光的脉冲宽度在10^-15秒量级，超过了电学方法测量的响应时间范围，所以一般采用间接测量方法，通过两束光脉冲的干涉测出干涉光二次谐波的光强分布，并由二次谐波的光强分布计算出被测飞秒脉冲激光的脉冲宽度。飞秒激光脉冲测量方法有很多种，其中频率分辨光学开关法(frequency-resolvedoptical gating，以下简称为FROG方法)[参见在先技术1“Frequency-Resolvedoptical Gating：The Measurement of Ultrashort Laser Pulses”Rick Trebino，2002Kluwer Academic Publishers]和光谱位相相干直接重构法(spectral phaseinterferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)[参见在先技术2“Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashortoptical pulses”C.Iaconis，A.Walmsley，Optics Letters，Vol.23Issue 101998]是目前采用较多的两种方法。

图1是现有频率分辨光学开关法的测量装置，该装置采用半透半反的分束器。频率分辨光学开关法测量装置基本结构是将飞秒脉冲透过半透半反的分束镜分为两束，其中一束作为探测光，另一束作为开关光，并将作为开关的光束通过调节微动台引入一个时间延迟τ，然后再让两束光通过透镜聚焦非线性介质产生频率转换，在通过光阑获得二次谐波强度相对于时间和频率的二维图谱(称为FROG Trace)，对图谱利用脉冲迭代算法[参见在先技术1]就可以得到飞秒脉冲的振幅和位相。频率分辨光学开关法要保证两个脉冲具有一个延迟序列，因此不可进行实时测量，同时由图1可以看出反射镜很多，增加了光路调节难度，由于要求两束光关于晶体对称，因而不能判断出入射脉冲啁啾的正负。由于相位匹配带宽要求采用非常薄的二次谐波晶体，加工比较复杂，同时影响了测量信号的强度和精度。因而普通的FROG方法不仅操作复杂，且价格比较昂贵。

发明内容

本发明的目的就是要弥补上述现有的FROG方法的不足，提供一种超短脉冲实时测量装置，该装置应具有消除飞秒脉冲展宽，实时测量、结构紧凑、光路调节方便、测量精度高和成本低的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种超短脉冲实时测量装置，是一种超短脉冲频率分辨光学开关测量装置，其构成包括分束器、微动台、扩束装置、大角度菲涅尔双棱镜、厚非线性晶体、圆柱透镜、光阑和CCD探测器，其位置关系是：当一待测超短脉冲光入射到所述的分束镜上，该分束镜将超短脉冲光束分为夹角为90°的两束光，一束经第二反射镜反射到扩束装置，另一束经所述的微动台上的第三反射镜反射到扩束装置，该两束光经扩束装置扩束后转换为一平行光束入射到所述的大角度菲涅尔双棱镜上，该大角度菲涅尔双棱镜将所述的平行光束再分成两交叉光束，该两交叉光束在所述的非线性晶体的中心位置聚合，通过第一光阑、圆柱透镜和第二光阑，在所述的CCD探测器上成像，然后送到计算机。

所述的超短激光脉冲为钛宝石振荡器输出的展宽脉冲。

所述的微动台由计算机控制一步进电机驱动沿该微动台的第三反射镜的法线方向运动。

所述的大角度菲涅尔双棱镜的夹角大于160°。

所述的扩束装置由一平凹透镜和双凸透镜构成。

所述的厚非线性晶体为偏硼酸钡晶体。

所述的待测超短脉冲光是通过第一反射镜引导至所述的分束镜的。

所述的微动台可以调整大角度菲涅尔双棱镜产生的延迟范围，实现正负啁啾测量和展宽测量范围的作用；主要延迟是通过扩束装置使脉冲扩束，经大角度菲涅尔双棱镜分成有大夹角的两束光交叉重合于晶体，在纵轴和横轴位置上形成的。光束经大角度菲涅尔双棱镜分为两束会聚于厚非线性晶体，通过光阑由CCD探测器成像。

工作过程如下：

当一束待测的超短脉冲激光入射到分束镜上，该分束镜将光束分为夹角为90°的两束光，一束经反射镜入射到扩束镜上，另一束经放在微动台上的反射镜反射到扩束装置上，当需要测量啁啾的正负和扩展测量范围时刻，调整微动台实现聚焦点的变化和延迟范围的展宽，两束光经扩束装置扩束后通过透镜转换为平行光入射到大角度菲涅尔双棱镜上，该大角度菲涅尔双棱镜将光束再分成两束，两束在非线性晶体的中心位置聚合，通过光阑获得二次谐波光谱信息，由圆柱透镜成像再CCD探测器上，再送计算机处理。

本发明超短脉冲实时测量装置，即超短脉冲频率分辨光学开关测量装置的工作原理说明如下：

通常为了得到充分的相位匹配要求最小群速度失谐(GVM)最小(假设入射光交迭于整个二次谐波晶体)，须满足：

GVM*L＜＜τ_p                                     (1)

GVM≡1/V_g(λ₀/2)-1/V_g(λ0₎(V_g(λ)是在波长λ时的群速度，λ₀是基本波长)L是非线性晶体长度，τ_p脉冲宽度。

而对于本装置，采用二次谐波频率分辨光学开关法，为了解决频谱相位匹配带宽必须满足：

GVM*L＞＞τ_p                                      (2)

上式可以保证基波和二次谐波在离开晶体前停止交迭，起到频率滤波的作用。同时晶体也不能太厚，否则群速度散射(GVD)引起脉冲在时间展开扭曲：

GVD*＜＜τ_c                                       (3)

其中GVD ≡1/V_g(λ₀-δλ/2)-1/V_g(λ₀+δλ/2)，δλ脉冲带宽，τ_c脉冲相干时间。考虑通常情况下GVD＜GVM，结合上面可以得到：

GVD(τ_p/τ_c)＜＜τ_p/L＜＜GVM                      (4)

当GVM和GVD同时满足下式时，晶体长度L同时满足这些条件：

GVM/GVD＞＞TBP                              (5)

由此可以根据被测脉冲选择合适的晶体厚度。当激光脉冲通过菲涅尔双棱镜12分为对称的两束光以大角度同时入射到非线性晶体中时，设两束光在非线性晶体中夹角为φ′，得到延迟τ与坐标x(x为晶体垂直方向)关系为

τ(x)＝2(x/c)sin(φ′/2)≈xφ′/c           (6)

其中d为光束直径，φ′为小角度。两束光的时间强度分布分别为I₁(t)和I₂(t)，则在晶体中心坐标Z₀处，瞬时二次谐波的信号强度正比于I₁(t-τ)I₂(t+τ)。由于探测器对二次谐波的响应是一个对时间的积分过程，所以探测器所接收到的光信号S(x)为

$S\left(x\right)\∝\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{I}_1(t-\mathrm{\τ})I_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}\∝G_2\left(2\mathrm{\τ}\right)---\left(7\right)$

因此，通过记录二次谐波信号的空间分布，就能得到入射的激光脉冲的二阶强度相关曲线，通过对相关曲线的计算可实现对脉冲宽度的测量。

当确定了入射光束宽度和菲涅尔双棱镜的角度时两光束延迟τ就确定了，为了提高精度便可调节微动台10实现延迟拓展。同时光谱仪原理就是分光计，一般通过校准镜、光栅和聚焦使脉冲不同波长的部分对应交叉在相机的各点，反映出来就是像素信息，单脉冲就可以表征完整地光谱信息。随着非线性晶体厚度13增加，由于不同波长的相位匹配会产生出射角度的不同，可以将不同波长脉冲区分开，也就起到了光谱仪的作用。

本发明的技术效果如下：

1、本方法的核心是采用厚非线性晶体，可以实现单次脉冲的测量，很容易实现二次谐波的产生。由于采用厚晶体代替了薄晶体和光谱仪，可降低入射脉冲强度的要求，具有测量精度高、成本低的优点。

2、同时在延迟装置采用菲涅尔双棱镜，很容易实现脉冲的等光程，不需多次调节微动台可以实时测量，具有结构紧凑，光路调节方便的优点。

附图说明

图1是现有的频率分辨光学开关法的测量装置结构示意图。

图2是本发明超短脉冲实时测量装置实施例的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2是本发明超短脉冲实时测量装置实施例的俯视结构示意图。由图可见，本发明超短脉冲实时测量装置的构成包括分束器1、微动台10、扩束装置11、大角度菲涅尔双棱镜12、厚非线性晶体13、圆柱透镜(14)、光阑8和CCD探测器15，其位置关系是：当一待测超短脉冲光入射到所述的分束镜1上，该分束镜1将超短脉冲光束分为夹角为90°的两束光，一束经第二反射镜52反射到扩束装置11，另一束经所述的微动台10上的第三反射镜53反射到扩束装置11，该两束光经扩束装置11扩束后转换为一平行光束入射到所述的大角度菲涅尔双棱镜12上，该大角度菲涅尔双棱镜12将所述的平行光束再分成两交叉光束，该两交叉光束在所述的非线性晶体13的中心位置聚合，通过第一光阑81、成像透镜14和第二光阑82，在所述的CCD探测器15上成像，然后送到计算机16。

所述的超短激光脉冲为钛宝石振荡器输出的展宽脉冲。

所述的微动台10由计算机16控制一步进电机驱动沿该微动台10的第三反射镜53的法线方向运动。所述的微动台10可以调整大角度菲涅尔双棱镜12产生的延迟范围，主要延迟是通过扩束装置11使脉冲扩束，经菲涅尔双棱镜12分成有大夹角的两束光交叉重合于晶体13，在纵轴和横轴位置分布上形成的延迟。

所述的大角度菲涅尔双棱镜12的夹角等于168°。

所述的扩束装置11由一平凹透镜和双凸透镜6构成，其扩束倍数为6。

所述的厚非线性晶体13为偏硼酸钡晶体，所述的厚非线性晶体为5mmBBO(偏硼酸钡β-BaB₂O₄，简称BBO)晶体。

考虑钛宝石(Ti：Sapphire)振荡器输出展宽、放大、压缩后得到的脉冲超短脉冲中心波长1053nm时域宽度820飞秒的情况。被测超短脉冲通过分束器1分为两束，通过控制微动台10改变光程使两束光同时入射非线性晶体中心位置，可以通过CCD探测器15实时观测调节效果；两束光会聚后经扩束镜11扩束，经透镜转换为平行光束，经菲涅尔双棱镜12分为两束会聚于非线性晶体13，由光阑8得到二次谐波信号，经CCD传入计算机进行计算。根据菲涅尔双棱镜夹角要大于160°选择菲涅尔双棱镜夹角为168°，选择晶体厚度为5mm，对于中心波长1053nm时域宽度820飞秒情况为100fs/cm＜＜820fs/0.5cm＝1640fs/cm＜＜2000fs/cm，满足公式(4)，产生的谐波效率最大。BBO晶体(偏硼酸钡β-BaB₂O₄，简称BBO)具有很高的二次谐波装换效率，可以测量较弱的飞秒脉冲光，因此晶体7采用BBO作为频率装换晶体。通过CCD探测探测器15测量和频光图谱，与原有频率分辨光学开光法得到的图谱比较可以发现测量结果非常接近，说明该方法精确可行。

本发明采用厚非线性晶体实现了超短脉冲光测量，从而消除了传统的晶体厚度对入射强度要求和二次谐波产生效率的影响，同时厚非线性晶体代替光谱仪，使结构简单易于操作，而且由于采用菲涅尔双棱镜不需要多次调节延迟直接实现了连续延迟变化的要求，可以实现实时测量和单脉冲测量，因此具有结构简单易调节、成本低的优点。

Claims (7)

1、一种超短脉冲实时测量装置，特征在于其构成包括分束器(1)、微动台(10)、扩束装置(11)、大角度菲涅尔双棱镜(12)、厚非线性晶体(13)、圆柱透镜(14)、光阑(8)和CCD(15)，其位置关系是：当一待测超短脉冲光入射到所述的分束镜(1)上，该分束镜(1)将超短脉冲光束分为夹角为90°的两束光，一束经第二反射镜(52)反射到扩束装置(11)，另一束经所述的微动台(10)上的第三反射镜(53)反射到扩束装置(11)，该两束光经扩束装置(11)扩束后转换为一平行光束入射到所述的大角度菲涅尔双棱镜(12)上，该大角度菲涅尔双棱镜(12)将所述的平行光束再分成两交叉光束，该两交叉光束在所述的非线性晶体(13)的中心位置聚合，通过第一光阑(81)、成像透镜(14)和第二光阑(82)，在所述的CCD探测器(15)上成像，然后送到计算机(16)。

2、根据权利要求1所述的超短脉冲实时测量装置，其特征在于所述的超短激光脉冲为钛宝石振荡器输出的展宽脉冲。

3、根据权利要求1所述的超短脉冲实时测量装置，其特征在于所述的微动台(10)由计算机(16)控制一步进电机驱动沿该微动台(10)的第三反射镜(53)的法线方向运动。

4、根据权利要求1所述的超短脉冲实时测量装置，其特征在于所述的大角度菲涅尔双棱镜(12)的夹角大于160°。

5、根据权利要求1所述的超短脉冲实时测量装置，其特征在于所述的扩束望远镜(11)由一平凹透镜和双凸透镜构成。

6、根据权利要求1所述的超短脉冲实时测量装置，其特征在于所述的厚非线性晶体(13)为偏硼酸钡晶体。

7、根据权利要求1至6任一项所述的超短脉冲实时测量装置，其特征在于所述的待测超短脉冲光是通过第一反射镜(51)引导至所述的分束镜(1)的。

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