光谱相位干涉装置及重建超快光场的光谱干涉测量系统

摘要

本发明提供了一种光谱相位干涉装置及重建超快光场的光谱干涉测量系统，其大多数关键的光学元件中基于等腰直角棱镜进行设计完成，同时避免了现有的装置中对反射光学元件的大量使用，大大简化了整个装置的结构，且由于等腰直角棱镜设计可以减少使用能够引起光路振动的二维光学调整架，从而使得基于等腰直角棱镜设计的装置或系统具有更高的稳定性和紧凑性。

说明书

技术领域

本发明属于超快光学技术领域，尤其涉及光谱相位干涉装置及重建超快光场的光谱干涉测量系统。

背景技术

超短激光脉冲技术在物理、化学、材料、生物医学、国防、工业加工等各个领域均已获得了广泛应用，在各个领域应用超短激光脉冲技术的过程中，大多需要对超短脉冲激光时间/光谱特性进行测量，因此，超短脉冲激光时间/光谱特性的测量技术至关重要。

在现有的各种超短脉冲测量技术中，有一种常用的技术手段是利用传统的光谱剪切干涉的光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)技术。该技术能够测量光脉冲的宽度、形状和相位，它的优点是：测量在光谱域进行，不需快响应接收器；装置内不含任何移动元件，稳定可靠；递代算法简单，有利于高重复率实时检测。

现有的SPIDER技术对于形状比较复杂的光谱，或者是超短脉冲较窄的光谱，测量的精度就比较差。而且现有的装置或系统往往使用许多的反射光学元件，使得系统构造比较复杂，并降低了系统的稳定性和紧凑性。

发明内容

本发明提供一种光谱相位干涉装置及重建超快光场的光谱干涉测量系统，旨在解决基于SPIDER技术的光谱相位干涉装置的稳定性和紧凑性低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光谱相位干涉装置，所述装置包括：

第一分束器、用于产生啁啾脉冲的脉冲色散器、第一脉冲延时线、用于产生啁啾脉冲对的50:50的非偏振分束器、第二脉冲延时线、第一180度光路折返器、用于实现二步相移测量的宽带半波片、聚焦镜、非线性和频晶体、用于调节和频脉冲对相对时间延迟的第三脉冲延时线、第二180度光路折返器、第一棱镜反射器、第二棱镜反射器、聚焦透镜以及用于测量光谱干涉环的光谱仪；

所述脉冲色散器、第一脉冲延时线、第二脉冲延时线、第一180度光路折返器、第三脉冲延时线、第二180度光路折返器、第一棱镜反射器以及第二棱镜反射器均基于等腰直角棱镜进行设计。

进一步地，所述第一分束器，将获取的待测脉冲分离成反射脉冲和透射脉冲，并将所述反射脉冲输出至所述第一脉冲延时线，将所述透射脉冲输出至所述脉冲色散器；

所述第一脉冲延时线，用于使所述反射脉冲产生延时，并将已延时的反射脉冲输出至所述聚焦镜；

所述脉冲色散器，用于对所述透射脉冲进行展宽变为啁啾脉冲，并输出啁啾脉冲至所述非偏振分束器；

所述非偏振分束器，用于将所述啁啾脉冲分成第一啁啾子脉冲和第二啁啾子脉冲，并将所述第一啁啾子脉冲输出至所述第二脉冲延时线，将所述第二啁啾子脉冲输出至所述宽带半波片；

所述第二脉冲延时线，用于使获取的第一啁啾子脉冲产生延时，并将已延时的第一啁啾子脉冲传输至所述聚焦镜；

所述宽带半波片，用于使所述第二啁啾子脉冲产生相对π相移的光谱干涉环，并将相移后的第二啁啾子脉冲传输至所述第一180度光路折返器；

所述第一180度光路折返器，用于将所述第二啁啾子脉冲反射至聚焦镜；

所述聚焦镜，用于将所述已延时的第一啁啾子脉冲和所述第二啁啾子脉冲、与获取的已延时的反射脉冲汇聚，并将汇聚后的脉冲入射至所述非线性和频晶体；

所述非线性和频晶体，用于将所述汇聚后的脉冲进行和频处理，以生成第一和频脉冲与第二和频脉冲，并将所述第一和频脉冲传输至所述第一棱镜反射器，及将所述第二和频脉冲传输至所述第三脉冲延时线；

所述第一棱镜反射器，用于将所述第一和频脉冲反射至所述第二180度光路折返器；

所述第二180度光路折返器，用于将所述第一和频脉冲传输至所述聚焦透镜；

所述第三脉冲延时线，用于使所述第二和频脉冲产生延时，并将已延时的第二和频脉冲传输至所述第二棱镜反射器；

所述第二棱镜反射器，用于将所述已延时的第二和频脉冲反射至所述聚焦透镜；

所述聚焦透镜，用于将所述第一和频脉冲和所述已延时的第二和频脉冲汇聚，并将汇聚后的脉冲入射至所述光谱仪；

所述光谱仪，用于将入射脉冲的光谱干涉环数据记录。

进一步地，所述光谱仪，用于在调节所述宽带半波片，使所述第二啁啾子脉冲的偏振方向与所述宽带半波片的快轴方向处于平行角度时，记录第一光谱干涉环数据；所述光谱仪，用于在调节所述宽带半波片，使所述第二啁啾子脉冲的偏振方向与所述宽带半波片的快轴方向处于垂直角度时，记录第二光谱干涉环数据。

进一步地，所述第一脉冲延迟线由两个180°折反镜组组成，其中一个所述180°折反镜组置于线性移动平移台上；每个所述180°折反镜组均包含两个等腰直角棱镜，所述等腰直角棱镜的斜边表面均镀有45°高反膜，且两个所述等腰直角棱镜的其中一个直角邻面均贴至于同一基准面上。

进一步地，所述脉冲色散器由第一等腰直角棱镜和第二等腰直角棱镜组成，所述第一等腰直角棱镜置于线性平移台上；所述第一等腰直角棱镜与所述第二等腰直角棱镜的斜边面均镀有针对脉冲的宽带增透膜。

进一步地，所述非偏振分束器为50:50的宽带非偏振立方棱镜分束器，所述非偏振分束器将所述啁啾脉冲等分成所述第一啁啾子脉冲与所述第二啁啾子脉冲。

进一步地，所述第二脉冲延时线由置于线性平移台上的第三等腰直角棱镜组成，所述第三等腰直角棱镜的斜边面上镀有零度入射的待测脉冲中心波长附近的宽带增透膜；所述第一180度光路折返器由第四等腰直角棱镜组成，所述第四等腰直角棱镜的斜边面镀有零度入射的待测脉冲中心波长附近的宽带增透膜。

进一步地，所述第三脉冲延时线由置于线性平移台上的第六等腰直角棱镜组成，所述第六等腰直角棱镜的斜边面上镀有零度入射的和频脉冲中心波长附近的宽带增透膜；所述第二180度光路折返器由第五等腰直角棱镜组成，所述第五等腰直角棱镜的斜边面上镀有零度入射的和频脉冲中心波长附近的宽带增透膜。

进一步地，所述第一棱镜反射器与所述第二棱镜反射器均由等腰直角棱镜组成，且其两个直角邻面上均镀有针对和频脉冲的45°反射膜。

本发明还提供了一种包括上述光谱相位干涉装置的重建超快光场的光谱干涉测量系统。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明所提供的装置或系统，其关键的光学元件大多数基于等腰直角棱镜进行设计完成，大量减少了现有的装置中对反射光学元件的使用，从而大大简化了整个装置的结构。由于等腰直角棱镜设计可以减少使用能够引起光路振动的二维光学调整架，从而使得基于等腰直角棱镜设计的装置或系统具有更高的稳定性和紧凑性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光谱相位干涉装置示意图；

图2是本发明实施例提供的第一脉冲延时线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，BS表示第一分束器，DL1表示脉冲延时线，Stretcher表示脉冲色散器，FM表示聚焦镜，NPS表示非偏振分束器，BHW表示宽带半波片，DL2表示第二脉冲延时线，P4表示第一180度光路折返器，SHG表示非线性和频晶体，PM1表示第一棱镜反射器，DL3表示第三脉冲延时线，P5表示第二180度光路折返器，Lens表示聚焦透镜，PM2表示第二棱镜反射器，SP表示光谱仪，P3表示第三等腰直角棱镜，P6表示第六等腰直角棱镜，P1表示第一等腰直角棱镜，P2表示第二等腰直角棱镜，M1\M2\M3\M4\M5\M6均表示反射镜。

本发明第一实施例提供了一种光谱相位干涉装置，如图1所示，该装置包括：

第一分束器BS、用于产生啁啾脉冲的脉冲色散器Stretcher、第一脉冲延时线DL1、用于产生啁啾脉冲对的50:50的非偏振分束器NPS、第二脉冲延时线DL2、第一180度光路折返器P4、用于实现二步相移测量的宽带半波片BHW、聚焦镜FM、非线性和频晶体SHG、用于调节和频脉冲对相对时间延迟的第三脉冲延时线DL3、第二180度光路折返器P5、第一棱镜反射器PM1、第二棱镜反射器PM2、聚焦透镜Lens以及用于测量光谱干涉环的光谱仪SP；

其中，脉冲色散器Stretcher、第一脉冲延时线DL1、第二脉冲延时线DL2、第一180度光路折返器P4、第三脉冲延时线DL3、第二180度光路折返器P5、第一棱镜反射器PM1以及第二棱镜反射器PM2均基于等腰直角棱镜进行设计。等腰直角棱镜可以减少使用能够引起光路振动的二维光学调整架，从而提高了整个装置的稳定性，使得整个装置中的结构更加的紧凑。

本实施例所提供的光谱相位干涉装置，光谱在该装置中的传输过程如下：

第一分束器BS，将获取的待测脉冲分离成反射脉冲和透射脉冲，并将反射脉冲输出至第一脉冲延时线DL1，将透射脉冲输出至脉冲色散器Stretcher；

第一脉冲延时线DL1，用于使反射脉冲产生延时，并将已延时的反射脉冲输出至聚焦镜FM；

脉冲色散器Stretcher，用于对透射脉冲进行展宽变为啁啾脉冲，并输出啁啾脉冲至非偏振分束器NPS；

非偏振分束器NPS，用于将上述啁啾脉冲分成第一啁啾子脉冲和第二啁啾子脉冲，并将第一啁啾子脉冲输出至第二脉冲延时线DL2，将第二啁啾子脉冲输出至宽带半波片BHW；

第二脉冲延时线DL2，用于使获取的第一啁啾子脉冲产生延时，并将已延时的第一啁啾子脉冲传输至聚焦镜FM；

宽带半波片BHW，用于使第二啁啾子脉冲产生相对π相移的光谱干涉环，并将相移后的第二啁啾子脉冲传输至第一180度光路折返器P4；

第一180度光路折返器P4，用于将第二啁啾子脉冲反射至聚焦镜FM；

聚焦镜FM，用于将已延时的第一啁啾子脉冲和第二啁啾子脉冲、与获取的已延时的反射脉冲汇聚，并将汇聚后的脉冲入射至非线性和频晶体SHG；

非线性和频晶体SHG，用于将上述汇聚后的脉冲进行和频处理，以生成第一和频脉冲与第二和频脉冲，并将第一和频脉冲传输至第一棱镜反射器PM1，及将第二和频脉冲传输至第三脉冲延时线DL3；

第一棱镜反射器PM1，用于将第一和频脉冲反射至所述第二180度光路折返器P5；

第二180度光路折返器P5，用于将第一和频脉冲传输至聚焦透镜Lens；

第三脉冲延时线DL3，用于使第二和频脉冲产生延时，并将已延时的第二和频脉冲传输至第二棱镜反射器PM2；

第二棱镜反射器PM2，用于将已延时的第二和频脉冲反射至聚焦透镜Lens；

聚焦透镜Lens，用于将第一和频脉冲和已延时的第二和频脉冲汇聚，并将汇聚后的脉冲入射至光谱仪SP；

光谱仪SP，用于将入射脉冲的光谱干涉环数据记录。

进一步地，光谱仪SP，除了用于在调节宽带半波片BHW，使第二啁啾子脉冲的偏振方向与宽带半波片BHW的快轴方向处于平行角度时，记录第一光谱干涉环数据；光谱仪SP，还用于在调节宽带半波片BHW，使第二啁啾子脉冲的偏振方向与宽带半波片BHW的快轴方向处于垂直角度时，记录第二光谱干涉环数据。

假设光谱仪SP测到的第一光谱干涉环数据D₁的计算公式如下：

D₁＝|E₁(ω)|²+|E₂(ω-Ω)|²+2|E₁(ω)E₂(ω-Ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)]

其中，E表示电场，τ表示第一和频脉冲与第二和频脉冲之间的时间延迟，Ω表示第一和频脉冲与第二和频脉冲之间的中心频率差，ψ表示相位。

相应的，光谱仪SP测到的第二光谱干涉环数据D₂的计算公式则如下：

D₂＝|E₁(ω)|²+|E₂(ω-Ω)|²-2|E₁(ω)E₂(ω-Ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)]

则通过两次傅里叶变换可得到超短脉冲激光的时间(光谱)振幅和相位，计算公式如下：

D₁-D₂＝4|E₁(ω)E₂(ω-Ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)]

如图2所示，第一脉冲延迟线DL1由两个180°折反镜组组成，其中一个180°折反镜组置于线性移动平移台上；每个180°折反镜组均包含两个等腰直角棱镜，该等腰直角棱镜的斜边表面均镀有45°高反膜，且两个等腰直角棱镜的其中一个直角邻面均贴至于同一基准面上。需要说明的是，本发明所提供的如图2所示的第一脉冲延时线，不但具有使脉冲延时的作用，还具有同时实现光路多次折返的作用。因此，通过调节两个180°折反镜组其中一个180°折反镜组，可在垂直于入射光方向平移量控制光折返次数，即第一脉冲延时线DL1能够灵活控制光在其内部多次折返的次数，从而使得该第一脉冲延时线的结构更加紧凑，同时具有调整灵活的优点。

脉冲色散器Stretcher由第一等腰直角棱镜P1和第二等腰直角棱镜P2组成，第一等腰直角棱镜P1置于线性平移台上；第一等腰直角棱镜P1与第二等腰直角棱镜P2的斜边面均镀有针对脉冲的宽带增透膜。本发明所提供的脉冲色散器Stretcher的入射光一般以0度角度附近入射。

非偏振分束器NPS为50:50的宽带非偏振立方棱镜分束器，非偏振分束器NPS将所述啁啾脉冲等分成所述第一啁啾子脉冲与所述第二啁啾子脉冲。本发明所提供的非偏振分束器NPS设计为立方棱镜结构，是为了将入射到该非偏振分束器NPS的入射脉冲，分成两个比例相等的子脉冲，且两个子脉冲的偏振状态与入射脉冲的偏振状态相同。

第二脉冲延时线DL2由置于线性平移台上的第三等腰直角棱镜P3组成，第三等腰直角棱镜P3的斜边面上镀有零度入射的待测脉冲中心波长附近的宽带增透膜。需要说明的是，将等腰直角棱镜固定在线性平移台上，可以使其起到时间延迟线的作用。因此，在本发明中，将第三等腰直角棱镜P3固定在线性平移台上，使得其整体组成了一个脉冲延时器DL2，起到了延时的作用。同时，通过在入射光方向平移该第三等腰直角棱镜P3，可以调节光程。

本发明实施例中将宽带半波片BHW置于啁啾脉冲光路中，因此，对该宽带半波片BHW的相位控制的宽带要求较低，更利于后面过程中对π相移的控制。

第一180度光路折返器P4由第四等腰直角棱镜组成，第四等腰直角棱镜的斜边面镀有零度入射的待测脉冲中心波长附近的宽带增透膜。

第三脉冲延时线DL3由置于线性平移台上的第六等腰直角棱镜P6组成，第六等腰直角棱镜P6的斜边面上镀有零度入射的和频脉冲中心波长附近的宽带增透膜。将等腰直角棱镜固定在线性平移台上，可以使其起到时间延迟线的作用。因此，在本发明中，将第六等腰直角棱镜P6固定在线性平移台上，使得其整体组成了一个脉冲延时器DL3，起到了延时的作用。本发明所提供的第六等腰直角棱镜的斜边面上镀有针对和频脉冲的增透膜，主要用于调节第一和频脉冲与第二和频脉冲之间的相对时间延时，从而调节后面过程中光谱仪记录到的光谱干涉环数据的疏密程度。

第二180度光路折返器P5由第五等腰直角棱镜组成，所述第五等腰直角棱镜的斜边面上镀有零度入射的和频脉冲中心波长附近的宽带增透膜。第二180度光路折返器P5除了用于折返传输第一和频脉冲以外，还用于平衡第一和频脉冲与第二和频脉冲的光路的色散。

第一棱镜反射器PM1与第二棱镜反射器PM2均由等腰直角棱镜组成，且其两个直角邻面上均镀有针对和频脉冲的45°反射膜。

另外，需要说明的是，本发明实施例中还应用到了几个如M1至M6所示的反射镜，用于在该装置中起到协作作用，从而使脉冲反射至相应位置，在这里不详加赘述。

在本实施例的仿真实验中，当待测脉冲在10飞秒左右时，第一分束器BS将该待测脉冲分为两束，反射脉冲输出至第一脉冲延时器DL1，经由DL1输出至聚焦镜FM，而透射脉冲输出至脉冲色散器Stretcher，该透射脉冲被脉冲色散器Stretcher展宽为时间宽度约5皮秒的啁啾脉冲。该啁啾脉冲经过NPS后，被分成第一啁啾子脉冲和第二啁啾子脉冲。第一啁啾子脉冲经由置于一线性平移台上的等腰直角棱镜P3传输至聚焦镜FM，第二啁啾子脉冲经由宽带半波片BHW和第一180度光路折返器P4传输至聚焦镜FM。用一离轴抛物面镜作为聚焦镜FM，将上述三个脉冲一起入射聚焦至非线性和频晶体SHG，从而产生第一和频脉冲和第二和频脉冲。本实验中，该非线性和频晶体SHG为非线性和频晶体，可用一厚度约为几十微米的β-BBO晶体，可采用第一类相位匹配，也可采用第二类相位匹配。第一和频脉冲和第二和频脉冲的光谱形状相似，但中心频率偏移约2.5纳米。第一和频脉冲随后经过PM1和P5，而第二和频脉冲则经过由置于一线性平移台上的等腰直角棱镜P6和PM2，两和频脉冲的相对时间延迟约400飞秒。最终，两和频脉冲被透镜Lens聚焦在光谱仪SP的入射狭缝处，从而被光谱仪接收。测量时，调节宽带半波片BHW，使得其入射脉冲的偏振方向与波片的快轴平行，光谱仪SP记录第一光谱干涉环数据；然后转动宽带半波片BHW，使得其入射脉冲的偏振方向与波片的快轴垂直，光谱仪SP再记录第二光谱干涉环数据。本实验中，光谱仪SP为光纤光谱仪，光谱分辨率约为0.02纳米。

需要说明的是，与现有技术相比，本发明所提供的光谱干涉装置通过二步相移技术记录两幅光谱干涉环数据，使得在数据处理上能轻易消除传统装置中直流量对交流量时间截取时的影响，从而带来两个方面的好处：首先，当被测量的光谱的形状较复杂，或者被测量的超短脉冲的光谱较窄、时间较宽时，可有效地避免直流量与交流量在时间域上的重叠，从而有效地拓宽可测量范围；其次，选取的交流分量不再靠时间窗截取，而是靠两台同样性能的光谱仪测到的光谱干涉环的加权相减，能够有效地减少噪声的影响。

综上所述，本发明第一实施例所提供的装置，其关键的光学元件大多数基于等腰直角棱镜进行设计完成，大量减少了现有的装置中对反射光学元件的使用，从而大大简化了整个装置的结构。由于等腰直角棱镜设计可以减少使用能够引起光路振动的二维光学调整架，从而使得基于等腰直角棱镜设计的装置或系统具有更高的稳定性和紧凑性。

本发明第二实施例提供了一种重建超快光场的光谱干涉测量系统，所述系统包括上述光谱相位干涉装置内所包含的所有元件，以及具有上述光谱相位干涉装置所具有的功能，在此处不详加赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。