利用同步移相干涉术测量激光脉冲宽度与相对相位的方法与装置

摘要

本发明公开了一种直接测量超短脉冲脉宽和相对相位的方法与装置，可测量脉宽很窄的飞秒脉冲及阿秒脉冲。该技术采用组合棱镜对光束进行分束，同时结合偏振干涉的方法在空域一次采集到多幅同步移相干涉条纹图。通过对多路干涉场的计算分析，可直接测量得到超短脉冲的脉宽和相位。本发明方法简单，原理清晰，测量结果也有很好的抗震性，可实现超快过程中对超短脉冲脉宽和相对相位的现场动态测量和监控。测量过程简单、方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用同步移相干涉术测量激光脉冲脉宽和相对相位的方法与装置，具体说来可测量皮秒、飞秒及阿秒超短激光脉冲的脉冲宽度和测量经一束激光脉冲分光后的两束光脉冲的相对相位延迟量。

背景技术

20世纪80年代中期，超短激光脉冲技术获得了飞速发展，从皮秒进入了飞秒阶段。超短脉冲技术被广泛应用于研究各种超快现象及强场下的物理行为，如分子的弛豫过程、生物细胞的新陈代谢、化学反应动力学、快点火激光核聚变、台面核物理等。纵观超短脉冲产生技术的发展历史，其进步与测量技术的发展是离不开的，因此研究探索飞秒乃至阿妙激光脉冲测量的新技术，完整准确地了解脉冲的宽度、相位及形状信息，是超快技术中非常重要的内容。

如，在超快泵浦-探测实验中，一束从激光器出射的激光被分束镜分成两束：一束作为泵浦光，作用于待检测目标，产生物理化学变化；另一束作为探测光，经时间延迟线时间延迟后再作用到待检测目标上，以探测相关物理量的变化。而在该实验中，如何实时测量泵浦脉冲和探测脉冲的相对相位和监控脉冲的脉宽，是超快泵浦-探测实验分辨精度的关键因素。只有实时监控脉冲的脉宽和相对相位，才能实现对超快过程的精确控制。

现有的测量超短脉冲脉宽和位相的技术包括脉冲自相关技术(包括强度自相关和干涉自相关)、频率分辨光学开关法(Frequency-resolved OpticalGrating，FROG)、自参考光谱位相相干电场重建法(Self-referencing SpectralPhase Interferometry for Direct Electric Reconstruction，SPIDER)等，这些技术都属于间接测量法。因为现有的测量脉宽和相对相位的技术都需要应用非线性晶体的非线性效应，当脉宽很窄时非线性效应很难保证良好的效率，所以对于测量几个飞秒甚至阿秒脉冲的脉宽和相位是极其困难的。

发明内容

为了克服利用非线性晶体间接测量脉宽和相位的弊端，本发明提供一种使用简便、制造容易的可直接测量脉宽和相对相位的技术。它采用组合棱镜对光束进行分束，同时结合偏振干涉的方法在空域一次采集多幅干涉条纹图。通过对多路干涉场的实时观测与获得干涉条纹图的光强计算分析，可得到超短脉冲的脉宽和相对相位。该技术因直接使用干涉方法进行测量，没有使用非线性晶体，故可测量脉宽很窄的飞秒脉冲和阿秒脉冲。

本发明中分光、同步移相及成像的方法，以形成四路干涉场为例：入射光脉冲经分束棱镜分束成脉冲1和脉冲2。脉冲1经三角棱镜3后投射到半透半反棱镜5上；脉冲2经四分之一波片4后投射到半透半反棱镜5上。经由半透半反棱镜5反射的脉冲1和透射的脉冲3虽然传播方向一致，但偏振性不同，组成的合成光束经偏振分光棱镜8后形成干涉场#1和#2。经由半透半反棱镜5透射的脉冲1和反射的脉冲2组成的合成光束经偏振分光棱镜10后形成干涉场#3和#4。同过该四个干涉场可得到四幅干涉条纹图。

基于上述形成四路干涉场的测量方法，本专利方法可扩充形成六路、八路等多路干涉场。四路扩展至六路干涉场：四路干涉场中的三角棱镜置换成半透半反棱镜6，从该半透半反棱镜出射的合成光束再经过由偏振分光棱镜和三角棱镜组成的新的偏振移相单元可形成干涉场#5和#6，这样就形成了六路干涉场。同理，在六路干涉场的基础上，通过用半透半反分束棱镜置换三角棱镜、添加新的偏振移相单元可扩充至八路等多路干涉场。

本发明中测量脉宽和相对相位的方法：通过对多路干涉场的实时观测与对获得干涉条纹图的光强计算分析，获得超短脉冲的脉宽和相对相位。以四路干涉场为例：激光脉冲经半透半反棱镜作用后分束成1和2两束脉冲，脉冲1再经时间延迟线作用后，通过脉冲扫描方式与脉冲2形成四路干涉场：#1、#2、#3、#4。利用干涉场中干涉条纹强度的分布与间距变化测量脉冲的时间宽度；利用四路干涉光的强度值I₁、I₂、I₃、I₄确定两束光的相对相位其满足关系：

四分之一波片4的快轴方向与脉冲1和2的偏振方向相差45度。

偏振分光棱镜反射光的电矢量方向与入射的脉冲1和脉冲2的偏振方向相差45度。

本发明方法和装置，方法简单，原理清晰，装置紧凑，易于使用。装置中各部分器件容易获得，能达到很高精度，可有效的降低实验误差。运用本装置可以实现脉超短激光脉冲脉宽和相对相位差的高精度动态测量。

附图说明

图1是本发明提出的利用四路同步移相干涉术测量超短激光脉冲脉宽和相对相位的分光、同步移相及成像装置的光路和结构示意图

图1中：1：入射的第一束脉冲，2：入射的另一束脉冲，4：四分之一波片，3、6、7、9、11和13：直角全反镜，5：半透半反棱镜，8、10和12：偏振分光棱镜，#1、#2、#3、#4，…，#n+1：分别为得到的n+1个干涉场

图2是图1中n+1路干涉场的基本偏振移相单元的光路和结构示意图

图2中：1：半透半反棱镜，2：偏振分光棱镜，3：直角全反镜

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细说明实现本发明所提出的利用同步移相干涉术测量超短脉冲的脉宽和相对相位的方法。

实施例：如图1所示：待测超短脉冲首先经分束棱镜分成两束，一束作为图1光路中的脉冲1，一束作为图1光路中的脉冲2。利用该测量方法可测量脉冲1和2的脉宽的相对相位。

脉冲1利用扫描方式与脉冲2作用形成干涉场：#1、#2、#3、#4，…，#n+1.

第一个干涉场#1：脉冲1经直角全反镜3反射后被半透半反棱镜5反射；脉冲2经四分之一波片4后变为圆偏振光，该圆偏振光再次经半透半反棱镜5透射后与半透半反棱镜5的反射光——脉冲1组成合成光束，该合成光束经偏振分光棱镜8和直角全反镜7反射后形成干涉场#1，利用探测器采集可得第一幅干涉条纹图。

第二个干涉场#2：脉冲1经直角全反镜3反射后被半透半反棱镜5反射；脉冲2经四分之一波片4后变为圆偏振光，该圆偏振光再次经半透半反棱镜5透射后与半透半反棱镜5的反射光——脉冲1组成合成光束，该合成光束经偏振分光棱镜8透射后形成干涉场#2，利用探测器采集可得第二幅干涉条纹图。

第三个干涉场#3：脉冲1经直角全反镜3反射后被半透半反棱镜5透射；脉冲2经四分之一波片4后变为圆偏振光，该圆偏振光再次被半透半反棱镜5反射与半透半反棱镜5的透射光——脉冲1组成合成光束，该合成光束经半透半反棱镜6、偏振分光棱镜10和直角全反镜9反射后形成干涉场#3，利用探测器采集可得第三幅干涉条纹图。

第四个干涉场#4：脉冲1经直角全反镜3反射后被半透半反棱镜5透射；脉冲2经四分之一波片4后变为圆偏振光，该圆偏振光再次被半透半反棱镜5反射与半透半反棱镜5的透射光——脉冲1组成合成光束，该合成光束分别经半透半反棱镜6和偏振分光棱镜10反射和透射后形成干涉场#4，利用探测器采集可得第四幅干涉条纹图。

同理，可得到第5个，第6个，…，第n+1个干涉场。

通过分析n+1个干涉场中干涉条纹的光强值的变化和条纹干涉间距的变化，可得到待测的超短脉冲的脉宽信息；通过得到的n+1幅干涉条纹图的干涉光强值可直接推算得到脉冲1和脉冲2之间的相对相位。

以四路干涉场为例：四路干涉场需将半透半反镜6置换成直角全反镜6。激光脉冲经半透半反棱镜作用后分束成1和2两束脉冲，脉冲1再经时间延迟线作用后，通过脉冲扫描方式与脉冲2形成四路干涉场：#1、#2、#3、#4。利用干涉场中干涉条纹强度的分布与间距变化测量脉冲的时间宽度；利用四路干涉光的强度值I₁、I₂、I₃、I₄确定两束光的相对相位其满足关系：