一种超短激光脉冲宽度的测量方法和装置

摘要

本发明提出了一种超短激光脉冲宽度的测量方法和装置。将待测激光脉冲分成两路，其中一路调节延迟时间与另一路发生激光脉冲重叠干涉。在每个延迟时间点上采集激光脉冲的强度相干幅值波动，且经数据处理系统甄别出幅值的最大值和最小值，计算出两者之间差值。因不同延迟时间点两路激光脉冲的干涉重叠面积不同，导致脉冲干涉幅值波动的差值不同，得到与不同延迟时间一一对应的幅值波动差，即测得超短激光脉冲的时域形状曲线，进而得出脉冲宽度。上述的方法以及实现该方法的装置具有结构简单，成本低廉，不易受外界环境干扰，能够实现封闭式测量，具备操作简单、测量脉冲激光的波长和脉冲宽度范围大、精准度高、尺寸精巧、方便携带的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光脉冲宽度测量的新方法，尤其是涉及一种超短脉冲宽度测量的方法和装置。

背景技术

超短脉冲激光在化学分子鉴定、生物医学、物理学、激光精确加工等领域具有重要的应用价值，其能够在较低功耗下产生较高的峰值功率，已经成为重要的生产使用工具。不管是科学研究还是工业应用，必须精确知道超短激光的脉冲宽度信息，才能充分认识和使用这类激光器；即脉冲宽度测量或分光脉冲(皮秒或飞秒脉冲)的精细结构是制造和运用超短脉冲激光器的关键。当前随着示波器技术的进步，毫秒、微秒、纳秒甚至几百皮秒量级的激光脉冲宽度都可以通过高速示波器配合高速光电探测器精准的测量出来，但百皮秒至飞秒宽度的超短脉冲激光则几乎不能通过这一方法测量，大多采用相对复杂的技术和设备。

对于超短激光脉冲的测量已有如下传统技术：自相关测量法、频率分辨光学门法(FROG：Frequency Resolved Optical Gating)、光谱相位相干直接电场重构法(SPIDER:Spectral Phase Inerferometry for DirectElectric-field Reconstruction)。自相关仪仅可测量超短激光脉冲的强度形状包络；FROG和SPIDER这两种方法不仅能够测量脉冲强度形状包络，而且也能够测量脉冲相位特性。它们整体思路为将激光分成两束光，在其中一束光的光路中加入可调机械步进机电机，然后将两束光汇聚到非线性晶体上，通过控制步进电机利用相位匹配实现激光脉冲宽度的测量，所述方法不仅需要非线性晶体(用于光倍频、和频等)，而且结构复杂(非全光纤结构)，价格昂贵，基本被国外公司垄断(如德国APE、美国Femtochrome Research等)。另外，上述技术均存在操作繁琐(需多部件联动精密调节)的问题，使用难度较大；且测量激光波段有限，不同的激光波段需频繁更换非线性光学倍频晶体，实际操作过程中还受光偏振态的影响明显。

早期的双光子荧光法和条纹相机也可以实现皮秒激光脉冲宽度的测量，但前者带有很强的背景干扰信号，使得主脉冲附近的弱信号很难被探测到，后者价格昂贵、时间延迟和动态范围不易调整，而且时间分辨率较低(几个皮秒)。

发明内容

本发明所要解决的主要问题是提出一种全光纤式，结构简单，成本低廉，不易受外界环境干扰的超短激光脉冲宽度测量方法和装置，实现封闭式测量，操作简单，测量波长和时域范围大，精准度高，尺寸精巧，方便携带。

为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种超短激光脉冲宽度的测量方法，包括如下步骤：

1)将待测脉冲激光分为两路，一路为参考激光，另一路经过光延迟装置后为延迟激光；

2)参考激光脉冲和延迟激光脉冲进行干涉，实时测量干涉数据，并在延迟装置的最大延迟范围内调节延迟量，在两路激光脉冲重叠干涉发生时间段内，逐个计算每一个延迟时间点上两路激光脉冲因为干涉而产生的最大干涉幅值波动差；

3)根据每个延迟时间点上与之对应的干涉幅值波动差，得出最大幅值波动差与延迟时间一一对应的时域波形图，从而得到超短激光脉冲的时间宽度。

在一较佳的实施例中：所述步骤2中，包括以第一时间精度全面扫描延迟装置的最大延迟范围，进行第一次数据采集，以此判断两路光在不同的延迟时间点下干涉现象的强弱，最终确定两路光的干涉发生的时间段，所述干涉发生时间段包括干涉起始时间、干涉最强时间、干涉结束时间。

在一较佳的实施例中：所述步骤2中，以第二时间精度对所述干涉发生时间段内两路光的干涉数据进行第二次数据采集；所述第二时间精度高于所述第一时间精度，逐个计算所述干涉发生时间段内每一个延迟时间点上两路激光脉冲因为干涉而产生的最大干涉幅值波动差。

在一较佳的实施例中：所述步骤1中，待测脉冲激光被分为两路，两路激光的功率比为任意的功率比。

在一较佳的实施例中：第一时间精度为飞秒级或者皮秒级，第二时间精度为飞秒级或者皮秒级。

在一较佳的实施例中：所述最大干涉幅值波动差是指在每一个延迟时间点上两路激光因为干涉而产生幅值的波动，该幅值变化过程中的最大值和最小值的差。

在一较佳的实施例中：在延迟装置的最大延迟范围内以单调递增或者单调递减区间内逐点调节光纤可调延迟装置。

本发明还提供了一种超短激光脉冲宽度的测量装置，包括：第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光程差匹配光纤、光纤可调延迟装置、光电探测器、数据采集卡、数据处理系统；

其中所述第一光纤耦合器的公共输入端连接待测脉冲激光，其两个输出端中的一个连接所述光纤可调延迟装置的输入端，另一个连接所述光程差匹配光纤的输入端；所述光纤可调延迟装置的输出端、所述光程差匹配光纤的输出端分别和所述第二光纤耦合器的两个输入端口相连，使得两路激光汇聚后发生干涉；

所述第二光纤耦合器的公共输出端与所述光电探测器相连，将光信号转变为电信号，光电探测器和数据采集卡相连，数据采集卡对接收的电信号进行采样，将采样后的数据送入数据处理系统进行处理。

在一较佳的实施例中：所述测量装置中使用的光纤为石英基质光纤或氟化物基质光纤或硫化物基质光纤或其他基质类型光纤。

在一较佳的实施例中：在延迟装置的最大延迟范围内以单调递增或者单调递减区间内逐点调节光纤可调延迟装置。

附图说明

图1为本发明优选实施例中超短激光脉冲宽度的测量装置的示意图；

图2为本发明优选实施例中利用本方法和商用自相关仪测量的1.56μm波段飞秒激光脉冲对比图；

图3为为本发明优选实施例中利用本方法和商用自相关仪测量的1.06μm波段皮秒激光脉冲对比图；

图4为本发明优选实施例利用本方法测量1.96μm波段皮秒激光脉冲图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，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。

实施例1

参阅图1，本实例提供了超短激光脉冲宽度的测量装置，包括第一光纤耦合器1、和第二光纤耦合器2、光程差匹配光纤3、光纤可调延迟装置4、光电探测器5、数据采集卡6、数据处理系统7。其中所述第一光纤耦合器1的公共输入端连接待测脉冲激光，第一光纤耦合器的作用是将输入的脉冲激光均等的分成两束；其两个输出端中一个连接动臂，即光纤可调延迟装置4的输入端，另一端连接参考臂，参考臂中连接有一段光程差匹配光纤3的输入端，用于精确匹配两臂光程，优化两路相干特性；所述光纤可调延迟装置4的输出端、所述光程差匹配光纤3的输出端分别和所述第二光纤耦合器2的两个端口相连接，第二个光纤耦合器2的作用是将两臂激光汇聚于一处实现激光脉冲的干涉；所述第二光纤耦合器2的公共输出端与所述光电探测器5相连，将光信号转变为电信号，光电探测器5和数据采集卡6相连，数据采集卡6对接收的模拟电信号进行采样，将采样后的数据送入数据处理系统7进行处理。

在其他可能的实施例中，第一光纤耦合器/第二光纤耦合器的分光功率比为任意相等的分光功率比。所述测量装置中使用的光纤为石英基质光纤或氟化物基质光纤或硫化物基质光纤或其他基质类型光纤。在延迟装置的最大延迟范围内以单调递增或者单调递减区间内逐点调节光纤可调延迟装置。

实施例2

利用实施例1的装置对1.56μm脉冲宽度未知的锁模激光脉冲宽度进行测量，具体包括以下的步骤：

1.分别打开光纤可调延迟装置4、光电探测器5和数据处理系统7的电源；连接好光纤可调延迟装置4和数据采集卡6同数据处理系统7的数据连接线；

2.通过数据处理系统7同步触发光纤延迟装置4的延迟时间点和数据采集卡6的采集时间点，在光纤延迟装置4最大延迟时间范围内调节延迟量，在两路激光脉冲重叠干涉发生时间段内，逐个计算每一个延迟时间点上两路激光脉冲因为干涉而产生的最大干涉幅值波动差；包括以第一时间精度全面扫描延迟装置的最大延迟范围，进行第一次数据采集，以此判断两路光在不同的延迟时间点下干涉现象的强弱，最终确定两路光的干涉发生的时间段，所述干涉发生时间段包括干涉起始时间、干涉最强时间、干涉结束时间。所述延迟时间范围是指由小到大的单调递增范围或者由大到小的单调递减的范围，将每个延迟时间点采集到的数据传输到数据处理系统7，从而得到两束激光在每个延迟时间点干涉幅值波动的最大值和最小值之差，根据幅值波动差值判定干涉现象的强弱；进而根据两束激光干涉现象的强弱寻找并确定两束激光干涉起始时间、干涉最强时间、干涉结束时间；全范围扫描时扫描精度为皮秒级，这个步骤主要是为了找到两束激光的干涉起始时间和干涉结束时间，因此通过对有限个延迟时间点上进行粗精度数据的采集和处理，能够较快的完成对干涉发生延迟时间范围的测定；本实施例中，所述延迟时间范围具体是指从0ps到560ps的单调递增扫描范围或者从560ps到0ps的单调递减扫描范围；设定光纤延迟线的扫描速度为10ps/second，时间精度为1ps，在560ps的全范围内，根据两束干涉激光幅值波动最大值和最小值之差的大小，确定两束激光干涉起始时间为370ps、干涉最强时间为372ps、干涉结束时间为375ps；因为在其他延迟时间点上两臂激光脉冲无重叠干涉，故无干涉幅值波动。

3.根据第2步所得的干涉发生的延迟时间范围只有5ps，设定光纤可调延迟线4扫描时间范围为370ps—374.5ps，时间精度为0.1ps(即100fs),共46个延迟时间点。通过数据处理系统7同步触发延迟线的延迟时间点和数据采集卡的采集时间点，在设定的延迟线扫描时间精度0.1ps(即100fs)和扫描范围370-374.5ps内，单向操控延迟线由小到大单调递增的方法，对46个延迟时间点都进行数据的采集和处理，获得46组与每个延迟时间点一一对应的干涉激光幅值波动差，从而实现高精度的数据采集。

4.根据每个延迟时间点上与之一一对应的干涉激光脉冲幅值波动的差值，可以得出超短激光脉冲与延迟时间一一对应的时域波形图，最终得到超短激光脉冲的时间宽度。

以延迟时间为横坐标，以每个延迟时间点上的幅度变化范围的最大值为纵坐标就可以画出该激光脉冲的时域波形。以第二时间精度对所述干涉发生时间段内两路光的干涉数据进行第二次数据采集；所述第二时间精度高于所述第一时间精度，逐个计算所述干涉发生时间段内每一个延迟时间点上两路激光脉冲因为干涉而产生的最大干涉幅值波动差。待测脉冲激光被分为两路，两路激光的功率比为任意的功率比。第一时间精度为飞秒级或者皮秒级，第二时间精度为飞秒级或者皮秒级。所述最大干涉幅值波动差是指在每一个延迟时间点上两路激光因为干涉而产生幅值的波动，该幅值变化过程中的最大值和最小值的差。在延迟装置的最大延迟范围内以单调递增或者单调递减区间内逐点调节光纤可调延迟装置。

参考图2通过本发明的方法测得的脉冲宽度图与利用商业化自相关仪(Femtochrome Research Inc.,FR-103XL)测定出的脉冲宽度图进行对比，基本完美重合。因此本方法和装置具备优异的精度和实用化使用的能力。

除了测量1.56μm锁模飞秒脉冲激光的脉冲宽度外，发明人还用上述实施例的装置和方法相继测量了1.06μm和1.96μm锁模脉冲激光，实验结果如图3、图4所示。

图3为1.06μm锁模脉冲激光通过本发明方法测得的脉冲宽度图与商业化自相关仪(Femtochrome Research Inc.,FR-103XL)测定出的脉冲宽度图进行对比，基本完美重合。进一步证明了本发明的装置和测量方法具有很高的精准度和实用化能力。

图4是利用本发明的测量装置测量的1.96μm锁模激光脉冲曲线，如图4所示被测激光脉冲形状光滑对称，因此本发明的装置具备1μm～2μm宽波长范围，飞秒级脉宽至皮秒级脉宽范围的测量能力。受当前商业化自相关仪(Femtochrome Research,Inc.FR-103XL)内部倍频晶体的限制，不能测量波长超过1.8μm的激光脉冲，但本发明的装置在光纤可传导的激光波长范围内都可以精准、稳定的工作。若本实施例装置改为氟化物或者硫化物光纤，测量激光的波长范围可以拓展到紫外(～0.3μm)到中红外(～4μm)波段；由于当前延迟线的最小延迟精度可以达到1fs,因此本发明的的测量装置最短测量脉冲宽度可以达到5fs(因脉冲波形至少需5个数据点才基本准确)。

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。