小型化全反射式飞秒激光脉冲形状测量装置

摘要

小型化全反射式飞秒激光脉冲形状宽度测量装置，信号光产生之前全部使用反射式元件，避免了透射式元件引入色散而造成的测量误差，并且避免了带宽的限制；装置的光路结构紧凑稳定，小巧牢固且易于调节。该测量装置原理上采用了自参考光谱干涉方法，利用玻璃薄片等材料的三阶非线性效应获得瞬态光栅信号作为自参考光并与延时待测光进行光谱干涉得到光谱干涉条纹，通过傅里叶变换光谱干涉等方法对干涉条纹的分析处理重建出待测光的光谱和相位信息，从而还原出待测脉冲形状和相位，实现飞秒脉冲形状和宽度的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术研究领域中的飞秒激光脉冲的时域脉冲的形状和相位测量，特别是一种小型化全反射式飞秒激光脉冲形状测量装置。

背景技术

随着超短激光系统的出现，飞秒激光脉冲在物理学、材料科学、化学、生物学和生物工程等许多科学研究领域得到了广泛的应用。飞秒激光脉冲的时间分布和相位测量直接关系到飞秒激光脉冲在这些领域的应用，这些参数也为激光系统的运行状态检测提供了重要的指标。在过去的三十年中，频率分辨光学开关(FROG)、光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)、光谱干涉法(SI)、色散扫描(d-scan)和多光子脉冲内干涉相位扫描(MIIPS)相继被提出。2010年提出的自参考光谱干涉法(SRSI)具有线性、解析、灵敏、准确的特性，更为重要地是其具有直接的光谱重建和相位求解迭代算法，只需几步就可以迭代完成，可以实现对飞秒激光脉冲的实时测量和监测。SRSI是通过三阶非线性效应产生参考光，将其与待测光进行光谱干涉，得到干涉光谱然后通过傅里叶变换光谱干涉算法重建得到待测光的时域形状和相位。目前，根据参考光的产生方法，可将SRSI分为基于交叉偏振波的自参考光谱干涉法(XPW-SRSI)、基于自衍射效应的自参考光谱干涉法(SD-SRSI)和基于瞬态光栅效应的自参考光谱干涉法(TG-SRSI)，三种方法各有优势。

目前基于TG-SRSI方法的测量装置大都可分为透射式和反射式两类。对于透射式装置，一方面透射元件引入色散，使测量结果不够准确，特别是对于周期量级的飞秒激光脉冲，色散的影响尤其显著，限制了装置在对周期量级飞秒脉冲测量领域的应用；另一方面，不同的透射元件有不同的透光波段，因此无法在较宽的激光光谱范围实现准确测量。对于反射式装置一般使用球面或抛物面反射镜。球面反射镜在离轴聚焦过程中会引入彗差，影响测量；抛物面反射镜相比较于球面反射镜聚焦特性更为优良，但是光路调节比较困难，并且由于工艺原因往往会带来杂散光。

发明内容

本发明提出一种基于TG-SRSI方法的小型化全反射式飞秒激光脉冲时域形状测量装置，其特征在于信号光产生之前全部使用反射式元件，避免了透射式元件引入色散而造成测量误差，并且避免了带宽的限制；在兼备以上优越性的基础上具有结构紧凑、光路简单、稳定且易于调节的特点。

本发明的技术解决方案如下：

小型化反射式飞秒激光脉冲形状测量装置1，特点在于其构成包括：四小孔光阑板，第一平面反射镜，第二平面反射镜，第一球面反射镜，第一非线性介质，第三平面反射镜，第四平面反射镜，透镜，光纤耦合器，单模光纤和光谱仪。

入射的激光光束的中心与所述的四小孔光阑板上四个等大的小孔组成的矩形的中心重合，所述的四小孔光阑板将所述入射光分成几乎一样的四束光a，b，c和d。光束a，b，c经所述的第一平面反射镜反射。光束d经所述的第二平面反射镜反射。所述的第二平面反射镜未镀膜，一方面对光束d进行衰减，并且可以通过调节其俯仰或者偏折来进一步改变光束d耦合到光纤中的能量大小；另一方面可以通过调节其与所述的第一平面反射镜的相对位置来引入光束d与其他三束光的时间差。将经过所述的第二平面反射镜后引入了时间延迟和能量衰减的d光束作为未知光U。所述的第一球面反射镜将光束a,b,c,U按原光轴反向聚焦。所述的第一非线性介质位于所述的第一球面反射镜的焦点附近。三束光a,b,c经过所述的第一非线性介质产生瞬态光栅信号作为参考光R。未知光U与参考光R在空间上近乎共线，称之为S。所述的第三平面反射镜使四束光偏转便于光束S的采集。为了使光路更加紧凑小型化，所述的第四平面反射镜再次对四束光进行偏转并经由所述的透镜准直。所述的光纤耦合器仅使光束S耦合入所述的单模光纤。所述的单模光纤可以充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好地去除，并将光束S耦合进入所述光谱仪。

发明装置的激光传播和测量过程如下：

入射激光经过所述的四小孔光阑板被分成几乎一样的四束光a，b，c和d，其中光束a，b，c入射到所述的第一平面反射镜上，光束d入射到所述的第二平面反射镜上引入时间延迟和能量衰减作为未知光U。四束光a，b，c和d经过所述的第一平面反射镜和所述的第二平面反射镜反射后光路偏折，沿着光路方向依次经过的是所述的第一球面反射镜，所述的第一非线性介质，所述的第三平面反射镜。所述的第一球面反射镜对四束平行光线聚焦，所述的第一非线性介质在所述的第一球面反射镜焦点附近。三束光a,b,c经过所述的第一非线性介质产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，未知光U与参考光R在空间上近乎共线，称之为S。所述的第三平面反射镜使四束光再次偏折便于光束S的采集。为了使光路更加紧凑小型化，所述的第四平面反射镜再次对四束光进行偏转并经由所述的透镜准直。所述的光纤耦合器仅使光束S被耦合入所述的单模光纤并最终导入所述的光谱仪。具有一定时间间隔的未知光U与参考光R在所述的光谱仪中形成光谱干涉条纹，通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终可以重建出未知光U时域脉冲形状和相位以及频域脉冲光谱和相位，从而实现对于入射激光脉冲的测量。

小型化反射式飞秒激光脉冲形状测量装置2，特点在于其构成包括：

四小孔光阑板，第一平面反射镜，第二平面反射镜，第五平面反射镜，第二球面反射镜，第二非线性介质，透镜，光纤耦合器，单模光纤和光谱仪。

入射的激光光束的中心与所述的四小孔光阑板上四个等大的小孔组成的矩形的中心重合，所述的四小孔光阑板将所述入射光分成几乎一样的四束光a，b，c和d。光束a，b，c经所述的第一平面反射镜反射。光束d经所述的第二平面反射镜反射。所述的第二平面反射镜未镀膜，一方面对光束d进行衰减，并且可以通过调节其俯仰或者偏折来进一步改变光束d耦合到光纤中的能量大小；另一方面可以通过调节其与所述的第一平面反射镜的相对位置来引入光束d与其他三束光的时间差。将经过所述第二平面反射镜后引入了时间延迟和能量衰减的d光束作为未知光U。所述的第五平面反射镜圆心处有一小孔，所述的第二球面反射镜将光束a,b,c和U按原光轴反向传播穿过所述的第五平面反射镜圆心处的圆孔并在所述的第二非线性介质片附近聚焦。三束光a,b,c经过所述的第二非线性介质产生瞬态光栅信号作为参考光R。未知光U与参考光R在空间上近乎共线，称之为S。所述的光纤耦合器仅使光束S耦合入所述的单模光纤。所述的单模光纤可以充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好地去除，并将光束S耦合进入所述光谱仪。

发明装置的激光传播和测量过程如下：

入射激光经过所述的四小孔光阑板被分成几乎一样的四束光a，b，c和d，其中光束a，b，c入射到所述的第一反射镜上，光束d入射到所述的第二反射镜上引入时间延迟和能量衰减作为未知光U。四束光a，b，c和d经过所述的第一反射镜和所述的第二反射镜反射后光路偏折，再经由所述的第五平面反射镜反射到所述的第二球面反射镜上。所述的第二球面反射镜将光束a,b,c和U按原光轴反向传播穿过所述的第五平面反射镜圆心处的圆孔并在所述的第二非线性介质片附近聚焦。三束光a,b,c经过所述的第二非线性介质产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，未知光U与参考光R在空间上近乎共线，称之为S。所述的透镜对光束S进行准直。所述的光纤耦合器仅使光束S被耦合入所述的单模光纤并最终导入所述的光谱仪。具有一定时间间隔的未知光U与参考光R在所述的光谱仪中形成光谱干涉条纹，通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终可以重建出未知光U时域脉冲形状和相位以及频域脉冲光谱和相位，从而实现对于入射激光脉冲的测量。

本发明具有如下的显著特点：

1、在参考光产生之前都没有使用透射元件，减少了透射元件引入的色散影响，测量更加准确，因此可以实现对周期量级的飞秒激光脉冲的测量，同时可以对从紫外到近红外不同光谱范围的飞秒激光脉冲进行测量。

2、第二平面反射镜一方面对光束d进行衰减，并且可以通过调节其俯仰进一步改变未知光束U耦合到光纤中的能量大小；另一方面可以通过调节其与所述的第一平面反射镜的相对位置来引入光束d与其他三束光的时间差。这样装置的待测光与参考光之间的能量关系和时间间隔可以灵活调节。

3、球面反射镜将四束平行光按原光轴反向会聚，避免球面反射镜离轴反射引入彗差，影响测量结果。

4、单模光纤将参考光和未知导入光纤光谱仪中，其可以充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好的去除。

附图说明

图1(a)为本发明小型化全反射式飞秒激光脉冲形状宽度测量装置的实施例1结构光路图；图1(b)为本发明小型化全反射式飞秒激光脉冲形状宽度测量装置的实施例2结构光路图

图2为实施例1的测量结果图，其中(a)是频率域干涉条纹(Inter，黑色实线)，参考脉冲光谱(Ref，黑色点划线)和待测脉冲光谱(Test，黑色点线)；(b)为实际测量与算法重建的参考脉冲与待测脉冲对比：实际测量参考脉冲光谱(黑色虚线)，算法重建参考脉冲光谱(浅灰色实线)，实际测量待测脉冲(深灰色实线)，算法重建待测脉冲(黑色点划线)，频域相位(深灰色短点划线)；(c)是待测脉冲重建所得到的时域形状(黑色虚线)和时域相位信息(黑色实线)。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的实施例1测量装置如图1(a)所示，整个装置置于一块250*150mm的光学平板上，实例装置中用到的器件包括：四小孔光阑板1(每个小孔直径为3mm，间距为4.24mm)，第一平面反射镜2(镀银膜的L型反射镜)，第二平面反射镜3(未镀膜的顶角为5°楔形石英玻璃片)，第一球面反射镜4(镀银膜，焦距为100mm)，第一非线性介质5(0.5mm厚的石英玻璃片)，第三平面反射镜6(镀银膜，直径约为3mm)，第四平面反射镜7(镀银膜反射镜)，透镜8(石英，焦距100mm)，光纤耦合器9，单模光纤10和光谱仪11。

大约1uJ/1kHz/800nm的待测飞秒激光依次经过所述的四小孔光阑板1，所述的第一平面反射镜2和所述的第二平面反射镜3。所述的入射激光光束的中心与所述的四小孔光阑板1上四个等大的小孔组成的矩形的中心重合，入射激光经过所述的四小孔光阑板1被分成几乎一样的四束光a，b，c和d，其中光束a，b，c入射到所述的第一平面反射镜2上，光束d入射到所述的第二平面反射镜3上。所述的第二平面反射镜3一方面对光束d进行衰减，并且可以通过调节其俯仰进一步改变光束d耦合到光纤中的能量大小；另一方面可以通过调节其与所述的第一平面反射镜2的相对位置来引入光束d与其他三束光的时间差。将引入了时间延迟和能量衰减的d光束作为未知光U。四束光a，b，c和d经过所述的第一平面反射镜2和所述的第二平面反射镜3反射后光路偏转90度，沿着光路方向依次经过的是所述的第一球面反射镜4，所述的第一非线性介质5，所述的第三平面反射镜6。所述的第一球面反射镜4对四束平行光线沿原光轴方向反向聚焦，将其引入的像差的影响降到最小。所述的第一非线性介质5位于所述的第一球面反射镜4焦点附近。能量较强的三束光a,b,c经过所述的第一非线性介质片5产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，未知光U与参考光R在空间上近乎共线，称之为S。所述的第三平面反射镜6与光轴成约45度角放置，使四束光再次偏转90度便于光束S的采集。为了使光路更加紧凑小型化，所述的第四平面反射镜7再次对四束光进行90度偏转并经由所述的透镜8准直。所述的光纤耦合器9仅使光束S被耦合入所述的单模光纤10，所述的单模光纤10可以充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好的去除。具有一定时间间隔的未知光U与参考光R在所述的光谱仪11中形成光谱干涉条纹，通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终可以重建出未知光U时域脉冲形状和相位以及频域脉冲光谱和相位，从而实现对于待测光的测量，测量结果如图2所示。

本发明的实施例2测量装置如图1(b)所示，整个装置置于一块250*150mm的光学平板上，实例装置中用到的器件包括：四小孔光阑板1(每个小孔直径为3mm，间距为4.24mm)，第一平面反射镜2(镀银膜的L型反射镜)，第二平面反射镜3(未镀膜的顶角为5°楔形石英玻璃片)，第五平面反射镜12(镀银膜，圆心处有一直径为3mm并与镜面成45^。角的圆孔)，第二球面反射镜13(镀银膜，焦距为100mm)，第二非线性介质14(0.5mm厚的石英玻璃片)，透镜8(石英，焦距100mm)，光纤耦合器9，单模光纤10和光谱仪11。

大约1uJ/1kHz/800nm的待测飞秒激光依次经过所述的四小孔光阑板1，所述第一平面反射镜2和所述的第二平面反射镜3。所述的入射激光光束的中心与所述的四小孔光阑板1上四个等大的小孔组成的矩形的中心重合，入射激光经过所述的四小孔光阑板1被分成几乎一样的四束光a，b，c和d，其中光束a，b，c入射到所述的第一平面反射镜2上，光束d入射到所述的第二平面反射镜3上。所述的第二平面反射镜3一方面对光束d进行衰减，并且可以通过调节其俯仰进一步改变光束d耦合到光纤中的能量大小；另一方面可以通过调节其与所述的第一平面反射镜2的相对位置来引入光束d与其他三束光的时间差。将引入了时间延迟和能量衰减的d光束作为未知光U。四束光a，b，c和d经过所述的第一平面反射镜2和所述的第二平面反射镜3反射后光路偏转90度，所述的第五平面反射镜12再一次使四束平行光线偏折90度入射到所述的第二球面反射镜13上。所述的第二球面反射镜13将四束平行光沿着原光轴反向聚焦，刚好穿过所述的第五平面反射镜12圆心处的圆孔。所述的第二非线性介质14位于所述的第二球面反射镜13焦点附近。能量较强的三束光a,b,c经过所述的第二非线性介质片14产生瞬态光栅信号作为参考光R，由瞬态光栅效应的相位匹配条件可以得出，未知光U与参考光R在空间上近乎共线，称之为S。所述的透镜8将光束S准直。所述的光纤耦合器9仅使光束S被耦合入所述的单模光纤10，所述的单模光纤10可以充当一个极好的空间滤波器，使得散射噪声得以很好的去除。具有一定时间间隔的未知光U与参考光R在所述的光谱仪11中形成光谱干涉条纹，通过对光谱干涉条纹进行傅里叶变换光谱干涉算法处理，最终可以重建出未知光U时域脉冲形状和相位以及频域脉冲光谱和相位，从而实现对于待测光的测量。