本发明专利技术涉及一种超短激光脉冲的测量方法及其测量装置，采用与传统的光谱相位相干电场重构法（ＳＰＩＤＥＲ）不同的光学结构，让一个待测脉冲的复制脉冲同时与两个频率稍有差别的准单色长脉冲进行和频，生成两个频谱剪切的和频脉冲；再通过压电驱动单个反射镜，或使用适当落差的阶梯反射镜，在这两个脉冲之间精确地引入特定的小量延时。这时，它们的干涉光谱将不呈现显著的干涉条纹。结合测得的单个和频脉冲的光谱，可逐点计算待测脉冲的光谱相位差的曲线，进而重构脉冲的光谱相位。该方法运算法则简单直接，准确度高，无需使用傅里叶变换滤波的处理；最重要的是，它能克服传统ＳＰＩＤＥＲ适用范围窄的缺点，能够胜任各种复杂的以及较长的脉冲的测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于超短激光脉冲的测量方法，以及能够实施这个方法的测量装置。该测量方法是一种延时受控的无条纹的光谱相位干涉法。
技术介绍
目前，飞秒激光技术得到了极大的发展，飞秒脉冲的产生、整形和应用要求精确测量脉冲的形状和相位结构。传统的自相关法只能对脉冲的宽度进行估算，已不能适应实际的需要。而频率分辨光学开关法(FROG)和光谱相位相干电场重构法(SPIDER)因相对简单和实用，能够给出脉冲的全部信息，已成为评价飞秒脉冲的标准方法。相对于FROG方法，SPIDER需要采集的数据量少，反演算法较简单，速度快，能实时监测，并能实现单个脉冲的测量。遗憾的是它难以准确测量相位和光谱结构比较复杂的脉冲，以及宽度长于1皮秒的脉冲，限制了其应用的普遍性。例如，由于脉冲整形技术容易合成出比较复杂的脉冲，目前很少采用SPIDER来监测脉冲整形的效果，而主要使用FROG。由于FROG重构脉冲的速度较慢，因而脉冲整形的速度受到了一定的限制。我们发现，SPIDER的局限性，来源于它所采用的光学结构。它用两个共线传播的相互延时为τ的待测脉冲的复制脉冲，分别与一个啁啾长脉冲的频率差为Ω的单色成分进行和频，从而产生一对相互延时为τ的频谱剪切的和频脉冲，发生光谱干涉。其干涉光谱的强度分布表示为D(ω)=D1(ω)+D2(ω)+2D1(ω)D2(ω)×cos---(1)]]>其中，D1(ω)和D2(ω)分别表示单个和频脉冲的光谱强度；Δφ(ω)＝φ(ω+Ω)-φ(ω)是待测脉冲的间隔为Ω的频谱成分之间的相位差。将求得的各个频率的Δφ(ω)值串连起来，就可重构脉冲的光谱相位φ(ω)。对于绝大多数的脉冲，只要频谱剪切量Ω不太大，在任一频率ω，都可满足-π/2＜Δφ(ω)＜π/2。但传统SPIDER的结构决定了τ是一个很大的量(一般为1-5ps)，在待测脉冲的整个频谱范围内，ωτ的值分布在几十个乃至上百个余弦函数的单值区间，于是干涉频谱图呈现稠密的条纹。这样cos是周期函数，而不是单值函数。在ωτ～nπ(n为整数)对应的频率位置上，就不能由cos的值导出唯一的Δφ(ω)，因为无法确定Δφ(ω)的正负甚至幅值。而这些存在非唯一解的频率位置，可能有近百个之多。为了实现脉冲相位的重构，SPIDER假定D1(ω)、D2(ω)和Δφ(ω)随ω的变化比ωτ缓慢许多，于是将公式(1)等号右边的项划分为直流和交流两个部分，并进行傅里叶变换滤波处理，来求解Δφ(ω)曲线。这实际上是假定待测脉冲相邻频率的Δφ(ω)是连续缓慢变化的，因而可借助它们在符号和幅值上的关联性，来消除某些频率位置上因余弦函数的周期性引起的歧异性。不幸的是，上述假定只能适用于简单脉冲，而不适用于光谱或/和相位结构存在突变的复杂脉冲。若对复杂脉冲的干涉频谱进行傅里叶变换滤波，则脉冲的D1(ω)、D2(ω)和Δφ(ω)曲线中的瞬变信息必将导致原来所谓的直流和交流成分发生部分的重叠，而且会存在某些超高延时的成分，远离位于t＝+τ的傅里叶变换滤波的窗口。这样，一部分Δφ(ω)的瞬变信息就容易丢失，而一部分D1(ω)和D2(ω)的瞬变信息却混入滤波窗口内，使得滤波窗口内所包含的，并非是全部的、纯粹的Δφ(ω)的信息，从而会导致脉冲相位的重构出现明显的偏差。另外，若要测量脉宽较大的脉冲，就需调节更大的延时τ，才能确保分别与两个复制脉冲发生和频的啁啾脉冲的两个频率成分的单色性，这样将导致干涉频谱的条纹更加稠密。一般来说，当要测量的脉冲宽度大于1皮秒时，其干涉频谱的条纹将因为过于稠密，而无法被光谱仪分辨。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超短脉冲的测量方法，该方法能够实时地、准确地重构各种光谱和相位结构的脉冲，得到脉冲的形状和相位结构。本专利技术方法采用了经改进的光学结构，如图1所示。该光学结构由分束镜1、光栅2、直角反射镜3、安装在精密平移台上的反射镜4、带单缝的望远镜扩束器5、双缝光阑6、玻璃薄片7、反射镜8、可将脉冲的偏振方向旋转90°的潜望镜9、安装在精密平移台上的直角反射镜10、凹面反射镜11、二类匹配和频晶体12、由压电驱动的反射镜13、反射镜14、凹面反射镜15、光栅光谱仪16依照被测量脉冲传播路径排列而成。被测量的脉冲的传播路径分两路进行一路由分束镜1透射进入光栅2，经光栅2、直角反射镜3、光栅2、反射镜4反射进入带单缝的望远镜扩束器5、双缝光阑6、玻璃薄片7，形成两个准单色长脉冲，再经反射镜(8)、凹面反射镜(11)反射进入二类匹配和频晶体(12)；另一路由分束镜(1)反射进入可将脉冲的偏振方向旋转90°的潜望镜(9)、经直角反射镜(10)反射，在反射镜(8)的上方通过，由凹面反射镜(11)反射进入二类匹配和频晶体(12)的同一位置。由三个脉冲相互作用而同时生成的两个和频脉冲，经由压电驱动的反射镜(13)、反射镜(14)、凹面反射镜(15)反射进入光栅光谱仪(16)。反射镜13和反射镜14可用一块落差合适的阶梯反射镜代替。本专利技术测量方法的基本理论1.改变SPIDER的光学结构，将延时τ大大缩小，消除干涉频谱的稠密条纹。本方法采用如图1的测量光学结构。待测脉冲经分束片分成两路，一路经色散器件(由一个光栅和一个直角反射镜，或者一对光栅组成)将其光谱横向展开，再由双缝光阑选取出两个频率差为Ω(频谱剪切量)的准单色的长脉冲，并用合适厚度的玻片补偿两脉冲之间因色散引起的光程差；另一路由潜望镜将其偏振面旋转90°。这样，可得到三个相互平行的同时传播的脉冲单个复制脉冲和两个准单色长脉冲。把它们聚焦到二类匹配和频晶体上，将同时生成一对频谱剪切的和频脉冲。这时延时τ＝0，干涉频谱图将呈现无条纹的特征。但这时cos＝cos，并不能确定Δφ(ω)的正负。2.对延时τ进行精确控制，使cos成为单值函数。利用压电陶瓷驱动单个反射镜，在和频脉冲对之间精确地引入小量的延时τ，使得对应于和频脉冲的某个频率ωa，有ωaτ＝mπ+π/2(m为某个很小的整数)，则cosωτ=cos]]>=sin(m=±1,±3,±5,...)-sin(m=0±,2,±4,...)---(2)]]>其中a(ω)＝(ω-ωa)τ。一般情况下，由于脉冲的频谱宽度Δω＜＜ω，所以|a(ω)|＜＜π/2。结合公式(1)和(2)，可得Δφ(ω)=±sin-1{/2D1(ω)D2(ω)}-a(ω)---(3)]]>从上式可知，只要任一频率ω的Δφ(ω)的实际值，落在{-π/2-a(ω)，π/2-a(ω)}的范围内，cos就是单值的，能够从中求得唯一的Δφ(ω)。而对大多数的脉冲来说，这个单值范围是十分足够的。所以，用光谱仪录得D1(ω)、D2(ω)和D(ω)三条数据曲线，就可利用公式本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用光谱相位干涉测量超短激光脉冲的方法，其特征是一种延时受控的无条纹的光谱相位干涉法，具体做法是：１）先将一个待测脉冲用分束镜分成两路，一路光束经光栅加直角反射镜将其光谱横向展开，并利用双缝光阑选取出两个频谱稍有差别的准单色长脉冲；另一路光束经潜望镜将偏振旋转９０°，作为单一的复制脉冲；２）将这三个脉冲聚焦入射和频晶体的同一位置，可同时产生两个频谱剪切的和频脉冲；并通过压电驱动单个反射镜，或者使用一个落差合适的阶梯反射镜的措施，在这两个和频脉冲之间精确地引入合适的小量延时τ，使ωτ值约等于±π／２，±３π／２，±５π／２的其中之一；这样两个脉冲的干涉光谱Ｄ（ω）将不呈现明显的干涉条纹；３）结合测得的单个和频脉冲的光谱Ｄ↓［１］（ω）和Ｄ↓［２］（ω），可直接由公式Δφ（ω）＝±ｓｉｎ↑［－１］｛［Ｄ（ω）－Ｄ↓［１］（ω）－Ｄ↓［２］（ω）］／２＊｝－α（ω），逐点计算脉冲的光谱相位差Δφ（ω）曲线，最终实现脉冲的重构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：文锦辉，雷亮，林位株，赖天树，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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