飞秒级超短光脉冲测量方法及装置制造方法及图纸

一种超短光脉冲测量装置，其特征在于：该仪器包括有下列部件：　　　　（１）啁啾产生器１６；　　　　　（２）分束器１７；　　　　（３）偏振控制器１８；　　　　（４）延迟控制器１９，是由反射镜１、２和透射反射镜４构成；　　　　（５）反射镜１、２、３、５、６、７、８、９、１０，反射镜３、６表面为镀金金属膜，反射镜１、２、５、７、８、９、１０表面为镀银金属膜；　　　　（６）聚焦镜１１；　　　　（７）非线性晶片１３；　　　　（８）多通道分析仪１４；　　　　（９）微机１５。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种超快领域中超短光脉冲的测量方法及装置，目的是在各种超短光脉冲应用中测量出包括幅值、脉宽和相位在内的完整光脉冲信息参数。属于超快现象中的光测量

技术介绍
在超快过程的研究中，超快光源的研究和开发尤为重要，它是超快科学研究的基础，特别是光脉冲的精确测量愈来愈显得重要。自从脉冲激光器问世以来，脉冲的宽度变得越来越窄，由60年代中期的几个纳秒(1ns＝10-9s)逐步过渡到几个飞秒(1fs＝10-15s)，如此短的脉冲宽度在超快物理和化学过程的研究、超高速通信等领域正起着不可替代的作用。特别近10年来，超短光脉冲技术获得了突飞猛进的发展，在近红外波段通过啁啾脉冲放大及压缩，可获得接近两个光波振荡周期的4-5fs光脉冲，德国的Max-Born研究所报道了利用超快分子相位调制技术可产生3.8fs的单脉冲。在超紫外光谱区，通过高阶非线性光学过程即气体高次谐波可以产生阿秒(1as＝10-18s)级脉冲。脉冲宽度为几个光学周期时，脉冲光谱较宽且结构复杂，获得光脉冲振幅和相位的时间与频率演化，对于研究超短光脉冲产生的物理机制、以及对更短脉冲都非常重要。目前，测量高速光脉冲的方法归纳起来可分为两大类直接测量法和间接测量法。直接测量法利用快速光电效应进行测量，包括电光条纹相机、快速脉冲取样等方法；间接测量法利用非线性光学效应进行测量，包括二次谐波产生、频率分辨光学门、光谱相位干涉直接电场重建等方法。但是当脉宽低于1皮秒(1ps＝10-12s)时，直接测量的方法就不可能实现了，所以只有采用间接测量的方法，在间接测量方法中，现有的方法为二次谐波产生、频率分辨光学门、光谱相位干涉直接电场重建等方法，以下介绍这三种方法二次谐波产生法(SHG)二次谐波产生法(SHG)都是通过测定光脉冲的二次自相关函数的脉宽来反推被测脉冲宽度的。SHG法原理如图1所示，被测脉冲被分光镜S等分为两束，其中一束经固定反射镜M1直接反射，另一束被可动反射镜M2反射，M2置于由可逆电机控制的可平移调整台上，可前后移动改变两束光之间的光程差从而改变它们的延迟时间。两束光经透镜L聚焦共线入射到倍频晶体磷酸二氢钾(KDP)中，在满足一定的位相匹配条件下，两脉冲相互作用产生强的二次谐波，利用光电倍增管检测M2不同位置时的倍频光，就可以得到此脉冲的二次自相关函数。归一化无背景二次自相关函数G2(τ)可表示为G2(τ)=∫-∞∞I(t)I(t-τ)dt/∫-∞∞I2(t)dt]]>式中I(t)为被测脉冲的光强；τ为两脉冲相对延迟时间。由强度自相关函数理论可知，G2(τ)的半高全宽(FWHM)与被测脉冲的半高全宽成正比，比例系数只与被测脉冲形状有关，为一常数。若被测脉冲形状已知，则可得其脉宽。但是，SHG法还存在不足之处SHG法必须事先设定脉冲波形，但实际上被测光脉冲波形多是未知的，通过G2(τ)对脉冲波形进行评价并不严格，仅是提供一个脉冲宽度的大概估计。由G2(τ)的定义可知，无论被测脉冲是否对称，G2(τ)总是对称的，故无法获知脉冲波形和相位的有关信息；SHG法不能测量单个光脉冲，要求激光器输出的多次脉冲很稳定；非线性晶体的位相匹配条件限制了可测量光脉冲的范围。例如，由于无法满足非线性晶体所需的位相条件，且大多数晶体在紫外波段不透明，采用SHG法测量紫外波段脉冲有一定困难；光脉冲都有一定带宽，而非线性晶体的有限相位匹配带宽无法以相同的转换效率将全部频率分量转换，导致脉冲光谱畸变。为了减小由此带来的测量误差，晶体必须极薄。例如，当测量10fs以下的脉冲时，非线性晶体的厚度应小于25μm，使非线性晶体的效率降低，加工困难。频率分辨光学门(FROG)该技术包括硬、软件两部分产生被测光脉冲FROG图形的实验装置和从FROG图形中提取被测光脉冲强度和相位信息的相位迭代算法。其基本原理为将被测脉冲E(t)等分为两个光脉冲，两脉冲经过不同光程后入射到一个具有瞬时响应的非线性光学门中，实现对光脉冲的时间选通，得到的信号为Esig(t，τ)，FROG相位迭代算法的目的就是确定出光脉冲的强度和相位信息，首先通过估计给E(t)设定一个初值，根据公式计算出信号Esig(t，τ)，对其求傅里叶变换得到频域信号Esig(ω，τ)，然后用实验测得的IFROG(ω，τ)(IFROG为光强)代替信号Esig(ω，τ)的幅度得到新的Esig(ω，τ)，经过逆傅里叶变换得到新的Esig(t，τ)，最后应用一定的限定条件，由新的Esig(t，τ)计算出新的E(t)作为下一次迭代的初值。重复这个过程，直到FROG图形误差达到一个可以接受的值。然而，FROG法也存在一些问题。例如，对于SHG FROG法，在低于10fs光脉冲的测量中，同SHG法一样，受到非线性晶体有限相位匹配带宽的限制。此外，由于FROG法测量装置是由各种光学分立元件组成，脉冲延迟需要移动装置，存在体积大、成本高，不利于设计出小型化的测试设备。因此它一般只用于实验室中。光谱相位干涉直接电场重建(SPIDER)在FROG之后，基于光谱错位干涉(SSI)原理，人们又提出了一种新型的超短光脉冲测量方法—光谱相位干涉直接电场重建(SPIDER)。其原理如图2所示，将被测脉冲复制为固定延迟值为τ的p1和p2两个脉冲，分别与一强啁啾脉冲p3(由被测脉冲扩展得到，其脉宽远大于τ)的不同准单色频率分量发生作用，然后在一非线性晶体χ(N)中发生上频转换，从而在两个脉冲间形成频率差δω，使用光谱仪检测两脉冲的干涉信号，结果可表示为S(ωc)＝|E(ωc)|2+|E(ωc+δω)|2+2|E(ωc)E(ωc+δω)|cos 其中S(ωc)为标准的光谱错位干涉图，其干涉条纹的间隔为2π/τ；E(ω)和ω(ω)分别表示被测脉冲电场和相位的频域，ωc为光谱分析仪通带中心频率。脉冲的相位信息以相位差的形式包含在余弦项中，可通过一快速非迭代算法恢复出来。相位重建过程为首先对复制脉冲与啁啾脉冲产生的干涉图进行傅立叶逆变换得到其时域表示(由中心分别在-τ，0和τ附近的3个时间序列组成)。用滤波器滤掉-τ和0两个时间序列后，对剩下的τ时间序列进行傅里叶变换，变换结果的幅角即为光谱相位差φω(ωc+δω)-φω(ωc)+ωcτ；再测量两个复制脉冲在无光谱错位时的光谱干涉图，消除相位差中的线性相位项ωcτ；最后对φω(ωc+δω)-φω(ωc)积分获得被测脉冲的光谱相位，经傅里叶逆变换后即可得到脉冲的时间相位。被测脉冲的强度可以通过测量频谱得到。上述光谱相位干涉直接电场重建原理是将被测脉冲复制成两个固定时延为τ的脉冲，这两个复制脉冲再分别与一强啁啾脉冲的不同分量在非线性晶片上发生上频转移效应。由于被测脉冲被复制成两个脉冲，在相位恢复过程中，线性项不能自动消除，在实时测量中容易造成延迟。本专利技术把一个本地同频率的零差脉冲和复制脉冲同时与一强啁啾脉冲发生两次上频转换，把两次发生的上频转换产生的相位差经过傅立叶变换得到原始脉冲的相位信息。
技术实现思路
本专利技术是一种能测量飞秒级光脉冲的测试仪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万江文，凌坚，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：