适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪

摘要

本发明涉及整形脉冲测量领域，更具体地，涉及一种适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪。本发明采用平面光栅、第一凹面反射镜、双缝挡板、第一反射镜和第二反射镜组成一个特殊的4f零色散压缩器，该4f零色散压缩器中平面光栅、第一反射镜和第二反射镜到第一凹面反射镜的距离等于第一凹面反射镜的焦距f，用该4f零色散压缩器加双缝挡板的方式来获得两个准单色长脉冲，使之与待测脉冲发生和频。这种方式能够避免剪切量Ω和参与和频的辅助脉冲片段的带宽δω随待测脉冲的特性变化而改变，又可方便地改变剪切量Ω来测量同一脉冲，并且能够独立求解脉冲每个频率所对应的相位差，因而能够准确测量各种特性的整形脉冲。

说明书

技术领域

本发明涉及整形脉冲测量领域，更具体地，涉及一种适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪。

背景技术

飞秒脉冲整形技术在在光化学、量子相干控制、显微成像、光通信、微加工等领域具有重要的应用。飞秒脉冲整形技术主要基于傅立叶转换原理，利用可编程空间光调制器（SLM）来调制脉冲各光谱成分的强度和相位。目前脉冲整形器主要采用液晶型空间光调制器，其可独立调制脉冲各光谱成分的强度和相位，但其容易造成脉冲光谱和/或相位的突变，甚至容易合成出光谱分成几段的脉冲，其很难应用于准确测量复杂的整形脉冲。

目前，测量复杂的整形脉冲，一般需要满足以下条件：（1）应能独立求解脉冲每个频率所对应的相位差；（2）应能方便地选取两个或以上的光谱剪切量Ω来测量同一整形脉冲，从而能准确重现待测脉冲相位曲线的细节；（3）剪切量Ω以及参与和频的辅助脉冲片段的带宽δω这两个系统参数，在脉冲整形和实时测量过程中应该不随待测脉冲特性的变化而改变。

虽然光谱相位相干电场重构法（SPIDER）已成为国际上主流的飞秒脉冲测量技术之一，但传统的SPIDER系统大都采用待测脉冲与强啁啾脉冲和频的方式，致使剪切量Ω和参与和频的辅助脉冲片段的带宽δω与待测脉冲的特性存在关联。而由于在脉冲整形过程中所得到的整形脉冲的特性（特别是啁啾量和脉冲宽度）会有较大范围的改变，而且光谱和相位曲线可能含有瞬变的成分，因而利用传统的SPIDER系统测量上述复杂的整形脉冲时就容易出现误差，准确性低。也就是说，现有各种SPIDER系统在测量整形脉冲方面存在一定的局限性。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种能够准确地重构各种整形后的复杂超短脉冲的适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪，包括依照待测脉冲传播路径排列而成的分束镜、平面光栅、第一凹面反射镜、双缝挡板、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、直角反射镜、可将脉冲偏振方向旋转90度的潜望镜、中间设有小孔的第四反射镜、二类匹配和频晶体、空间过滤器、光栅光谱仪；所述平面光栅、第一反射镜、第二反射镜到第一凹面反射镜的距离均等于第一凹面反射镜的焦距；其中，待测脉冲的传播路径分两路进行：

第一路由分束镜透射进入平面光栅，经平面光栅、第一凹面反射镜反射进入双缝档板，通过双缝档板形成两个频率有差别的准单色光谱成分，一个准单色光谱成分经第一反射镜、另一个准单色光谱成分经第二反射镜后，再经第一凹面反射镜和平面光栅反射至原入射光束的上方，合成两个不同高度的准单色长脉冲，两个不同高度的准单色长脉冲经过第三反射镜、第四反射镜的非小孔区域进入二类匹配和频晶体；

第二路由分束镜反射，再经直角反射镜、再经过可将脉冲偏振方向旋转90度的潜望镜，然后穿过第四反射镜中间的小孔进入二类匹配和频晶体上，第二路光束在二类匹配和频晶体上的入射位置、入射时间和两个不同高度的准单色长脉冲的入射位置、入射时间相同；

在二类匹配和频晶体上待测脉冲同时与两个准单色长脉冲发生和频作用，生成两个光谱分布相互错开的和频脉冲；

从二类匹配和频晶体出射的光束经过空间过滤器将三个基频脉冲挡住而让两个和频脉冲通过，两个和频脉冲通过空间过滤器后入射至光栅光谱仪。

本发明中的平面光栅、第一凹面反射镜、双缝挡板、第一反射镜和第二反射镜组成一个特殊的4f零色散压缩器，该4f零色散压缩器中平面光栅、第一反射镜和第二反射镜到第一凹面反射镜的距离等于第一凹面反射镜的焦距f，用该4f零色散压缩器加双缝挡板的方式来获得两个准单色长脉冲，使之与待测脉冲发生和频。这种方式能够避免剪切量Ω和参与和频的辅助脉冲片段的带宽δω随待测脉冲的特性变化而改变，又可方便地改变剪切量Ω来测量同一脉冲，并且能够独立求解脉冲每个频率所对应的相位差，因而能够准确测量各种特性的整形脉冲。

作为一种优选方案，所述双缝挡板为一薄金属板，所述薄金属板上设置有一条长细狭缝和一组短细狭缝，待测脉冲入射至双缝挡板时选取长细狭缝和任意一条短细狭缝通过，获得两个频率有差别的准单色光谱成分。剪切量Ω可以通过上下平移双缝挡板来实现。由于待测脉冲各个光谱成分在4f零色散压缩器中往返传播的光程相等，因而平移或更换双缝挡板的操作，不会改变最终获得的两个准单色长脉冲的传播路径和光程，这可为系统测量不同特性的脉冲提供较大的便利。

作为进一步的优选方案，各短细狭缝与长细狭缝之间的水平间距和垂直间距依次递增。

作为一种优选方案，还包括第二凹面反射镜和第五反射镜，待测脉冲和两个准单色长脉冲经过第四反射镜后还分别通过第二凹面反射镜的聚焦和第五反射镜的反射再进入二类匹配和频晶体中。由于和频效率是和光强的平方成正比的，因此通过设置第二凹面反射镜和第五反射镜对光束进行聚焦，提高光强的强度，从而确保和频的效率。此外，第二凹面反射镜和第五反射镜的设置使得通过第四反射镜的待测脉冲和两个准单色长脉冲能够很好地聚焦到二类匹配和频晶体，确保待测脉冲与两准单色长脉冲在二类匹配和频晶体内重合，即确保待测脉冲与两准单色长脉冲能够聚到二类匹配和频晶体的同一点上。

作为进一步的优选方案，还包括空间过滤器，二类匹配和频晶体出射的光束经过该空间过滤器将三个基频脉冲挡住而让两个和频脉冲通过，两个和频脉冲通过空间过滤器后入射至光栅光谱仪。

作为更进一步的优选方案，还包括第三凹面反射镜、第六反射镜和第七反射镜，两个和频脉冲经过空间过滤器后还经过第三凹面反射镜聚焦后再经第六反射镜和第七反射镜的反射，最终进入光栅光谱仪。

作为一种优选方案，所述光栅光谱仪内置有面阵CCD相机。

作为一种优选方案，所述双缝挡板安装在精密平移台上。

作为一种优选方案，第一反射镜安装在精密平移台上。

作为一种优选方案，直角反射镜安装在精密平移台上。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用4f零色散压缩器加双缝挡板的方式来获得两个准单色长脉冲，使之与待测脉冲发生和频。这种方式比现有SPIDER系统具有更宽广的适用范围，能够胜任各种结构的超短脉冲的准确测量，其中包括光谱和相位存在若干跳变的复杂脉冲。因此，本发明可以作为脉冲整形技术的实时监测工具，有利于大大提高脉冲整形器的灵活性，使之可以随心所欲地调节脉冲的结构来适应各种实际应用的需要，这将对脉冲整形技术应用的拓展将起到较大的推动作用。

附图说明

图1为本发明中一种适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪的结构原理图。

图2为本发明中双缝挡板的结构示意图。

图3为本发明具体应用实例中待测脉冲的光谱图和生产的两个准单色长脉冲的光谱图。

图4为本发明具体应用实例中两个剪切量分别对应的二维干涉谱。

图5为本发明具体应用实例中重构出来的整形脉冲光谱相位曲线。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪，包括依照待测脉冲传播路径排列而成的分束镜1、平面光栅2、第一凹面反射镜3、双缝挡板4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、直角反射镜8、可将脉冲偏振方向旋转90度的潜望镜9、中间设有小孔的第四反射镜10、第二凹面反射镜11、第五反射镜12、二类匹配和频晶体13、空间过滤器14、第三凹面反射镜15、第六反射镜16、第七反射镜17、光栅光谱仪18；

其中，平面光栅2、第一凹面反射镜3、双缝挡板4、第一反射镜5、第二反射镜6组成一个特殊的4f零色散压缩器，平面光栅2、第一反射镜5、第二反射镜6到第一凹面反射镜3的距离均等于第一凹面反射镜3的焦距f；

其中，光栅光谱仪18内置有面阵CCD相机；

其中，双缝挡板4、第一反射镜5、直角反射镜8分别安装在精密平移台上。

基于上述架构，待测脉冲的传播路径分两路进行：

第一路由分束镜1透射进入平面光栅2，经平面光栅2、第一凹面反射镜3反射进入双缝档板4，通过双缝档板4形成两个频率有差别的准单色光谱成分， 

一个准单色光谱成分经第一反射镜5、另一个准单色光谱成分经第二反射镜6后，再经第一凹面反射镜3和平面光栅2反射至原入射光束的上方，合成两个不同高度的准单色长脉冲；此时，待测脉冲的光谱由平面光栅2展开，第一凹面反射镜3聚焦到第一反射镜5、第二反射镜6的位置，利用放置在第一反射镜5、第二反射镜6前面的双缝挡板4选取准光谱成分；两个不同高度的准单色长脉冲经过第三反射镜7、第四反射镜10的非小孔区域，再通过第二凹面反射镜11的聚焦和第五反射镜12的反射再进入二类匹配和频晶体13中；

第二路由分束镜1反射，经直角反射镜8的反射、再经过可将脉冲偏振方向旋转90度的潜望镜9，然后穿过第四反射镜10中间的小孔，接着通过第二凹面反射镜11的聚焦和第五反射镜12的反射进入二类匹配和频晶体13上，第二路光束在二类匹配和频晶体13上的入射位置、入射时间和两个不同高度的准单色长脉冲的入射位置、入射时间相同；

在二类匹配和频晶体13上待测脉冲同时与两个准单色长脉冲发生和频作用，生成两个光谱分布相互错开的和频脉冲；

从二类匹配和频晶体13出射的光束包括了三个基频脉冲和两个和频脉冲，空间过滤器14用于挡住三个基频脉冲而让两个和频脉冲通过，其中，三个基频脉冲指的是入射至二类匹配和频晶体13的待测脉冲和两个准单色长脉冲。因此，通过空间过滤器14的两个和频脉冲经过第三凹面反射镜15聚焦后再经第六反射镜16和第七反射镜17的反射，最终进入光栅光谱仪18。

本发明使用特殊的4f零色散压缩器来产生两个准单色长脉冲，然后让两个准单色长脉冲与待测脉冲发生和频效应，进而利用两个和频脉冲的二维干涉谱，求解出待测脉冲的相位结构。在本发明中，光谱剪切量和准单色长脉冲带宽这两个重要参数都由4f零色散压缩器中的双缝尺寸所决定，不随待测脉冲的宽度和啁啾情况的变化而改变，而且只需平移双缝挡板即可改变剪切量来测量同一个待测脉冲，从而可准确再现待测脉冲相位结构的细节，因而对多种不同结构特性（脉冲宽度、啁啾情况等）的超短脉冲具有较强的适应性，尤其适用于测量结构复杂的整形脉冲。

本发明的适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪要求待测脉冲和两个准单色长脉冲到达二类匹配和频晶体13时的光程必须严格一致，这个严格一致可以通过调整各个部件之间的相对位置实现。

本发明采用4f零色散压缩器加双缝挡板的方式来获得两个准单色长脉冲，使之与待测脉冲发生和频，能够实时地、准确地重构各种整形后的复杂超短脉冲，包括脉冲形状和相位结构的完整信息。

基于上述方案，本发明通过设置空间过滤器来过滤基频脉冲，使得最后进入光栅光谱仪18的只有两个和频脉冲，排除了基频脉冲对超短脉冲重构的干扰。

基于上述方案，本发明分别设置了第二凹面反射镜11、第三凹面反射镜15来对光束进行汇聚，使得光束更加有效地到达后续的部件中。

在具体实施过程中，如图2所示，双缝挡板为一薄金属板，薄金属板上设置有一条长细狭缝41和一组短细狭缝42，一组短细狭缝42中的所有短细狭缝的宽度相等，各短细狭缝42与长细狭缝41之间的水平间距和垂直间距依次递增；待测脉冲入射至双缝挡板时选取长细狭缝和任意一条短细狭缝通过，获得两个频率有差别的准单色光谱成分。

长细狭缝41和短细狭缝42的宽度和间距的具体尺寸要根据平面光栅的刻线密度和第一凹面反射镜的焦距所决定的线色散系数来设计；各短细狭缝42与长细狭缝41之间的间距取简单且互质的整数比关系，如5/12，5/18。将双缝挡板安装在精密平移台上，可从待测脉冲的光谱中选取两个准单色成分。两个准单色成分的中心频率的差值即为光谱剪切量Ω。通常可以制备多块缝宽不同的双缝挡板，从而可根据待测脉冲的带宽δω选用其中一块固定在精密平移台上，以满足准单色脉冲带宽δω≤Δω///100的要求。改变Ω可通过在精密平移台上下平移双缝挡板来实现。由于脉冲各个光谱成分在4f零色散压缩器中往返传播的光程相等，因而平移或更换双缝挡板的操作，不会改变最终获得的两个准单色脉冲的传播路径和光程。这可为系统测量不同特性的脉冲提供较大的便利。

基于本发明的适用于测量整形脉冲的光谱剪切干涉仪，本发明用于测量整形面层时的具体测量步骤如下：

（1）让待测脉冲以水平偏振状态入射到图1所示的分束镜1中；

（2）根据待测脉冲的带宽δω选取合适的双缝挡板4，安装在精密平移台上。让待测脉冲光谱入射其中一组双缝，获得两个频率稍有差别的准单色长脉冲；

（3）仔细调整第四反射镜10，使待测脉冲与步骤（2）所得到的两个准单色长脉冲聚焦到二类匹配和频晶体13上的同一位置；

（4）分别调节第五反射镜5和直角反射镜8处的精密平移台，以便调整待测脉冲与两个准单色长脉冲之间的相对延时，使这三个脉冲同时到达二类匹配和频晶体13。这时生成的两个和频脉冲的强度达到最大值；

（5）仔细调节两个和频脉冲聚焦入射光栅光谱仪18，用光栅光谱仪18上的面阵CCD相机拍摄这两个和频脉冲的二维干涉谱；

（6）拍摄待测脉冲和两个准单色长脉冲的光谱：可在第四反射镜10和第二凹面反射镜11之间插入一个反射镜，将待测脉冲和两个准单色长脉冲引出并导入光栅光谱仪18中，分别拍摄这三个脉冲的光谱。将两个准单色长脉冲光谱的中心频率相减即可得到剪切量Ω的值；

（7）改变剪切量测量同一脉冲：平移双缝挡板4让脉冲光谱通过另外一组双缝，进而拍摄另一幅和频脉冲的二维干涉谱。新的Ω值可通过再次拍摄两个准单色长脉冲的光谱来测量，也可根据这组狭缝与步骤（2）所选用的狭缝之间的间距比例关系来推算；

（8）待测脉冲相位的重构：

两个和频脉冲的二维干涉谱的强度分布可表示为

，其中为需要求解的光谱相位差，I表示光强，E表示振幅，ω表示和频脉冲频率，为一变量，可在后期数据处理中将和频脉冲频谱与待测脉冲频谱对应转换，K为两束和频光的波矢差。对每个频率ω以x为自变量作傅里叶变换滤波处理，将在k空间中得到相距为K的三个单峰包络。对三峰包络进行滤波处理，选取出k=+K的包络，然后作反傅里叶变换。对变换结果取辐角θ，应有θ=ΔΦ(ω)+Kx。由此减去已校正的Kx项，即可求出该处的ΔΦ(ω)。分别求解出各频率对应的ΔΦ(ω)值，然后将它们以Ω为间隔串联起来，即可得到脉冲的Φ(ω)曲线。结合前面拍摄的待测脉冲的光谱曲线，可得到脉冲的频域表示式。经傅里叶变换就可得到脉冲的时域表示式，从而得到待测脉冲的形状和相位结构。

其中，校正Kx可采用试探逼近的方法：分别对同一脉冲两个剪切量的和频干涉谱做上述傅里叶滤波处理，求得各自的辐角。设定一个试探值Kx代入这两个辐角，从而求出相应的ΔΦ(ω)曲线，然后分别将对应的ΔΦ(ω)串联起来，从而可得到两条Φ(ω)曲线。若这两条Φ(ω)曲线并不相等，就调整试探值x的大小来逐渐逼近，直至对应两个剪切量而重构出来的Φ(ω)曲线完全相同，则这时的x值为校正值。

下面结合一个应用实例来具体说明本发明测量整形脉冲的测量方法。

一个由钛宝石飞秒激光器输出的飞秒脉冲，其中心波长为820nm，带宽Δλ=35nm。经过脉冲整形后其光谱分成两段，且光谱相位曲线内有两个落差约为π/2的方形跳变；然后透过一块厚40mm的BK7玻璃使之展宽。将该脉冲引入图1所示的光学系统进行测量。拍摄得到的该整形脉冲及其准单色长脉冲的光谱强度分布如图3所示。从图3可以计算得到所选用的两个剪切量分别为Ω1=ω2-ω1=2π*1.6 THz和Ω2=ω3-ω1=2π*10.4 THz。这两个剪切量分别对应的二维干涉谱如图4所示，可以看到方形相位跳变所引起的干涉谱条纹的错位。图5是重构出来的该整形脉冲的光谱相位曲线（实线曲线），其中，虚线是该整形脉冲的光谱图。利用光谱强度分布和光谱相位曲线，即可求出该整形脉冲的全部信息。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。