專(zhuān)利名稱(chēng)：延時(shí)受控?zé)o條紋光譜相位干涉脈沖測(cè)量方法及其測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超短激光脈沖的測(cè)量方法，以及能夠?qū)嵤┻@個(gè)方法的測(cè)量裝置。該測(cè)量方法是一種延時(shí)受控的無(wú)條紋的光譜相位干涉法。
背景技術(shù)：
目前，飛秒激光技術(shù)得到了極大的發(fā)展，飛秒脈沖的產(chǎn)生、整形和應(yīng)用要求精確測(cè)量脈沖的形狀和相位結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的自相關(guān)法只能對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行估算，已不能適應(yīng)實(shí)際的需要。而頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法(FROG)和光譜相位相干電場(chǎng)重構(gòu)法(SPIDER)因相對(duì)簡(jiǎn)單和實(shí)用，能夠給出脈沖的全部信息，已成為評(píng)價(jià)飛秒脈沖的標(biāo)準(zhǔn)方法。
相對(duì)于FROG方法，SPIDER需要采集的數(shù)據(jù)量少，反演算法較簡(jiǎn)單，速度快，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖的測(cè)量。遺憾的是它難以準(zhǔn)確測(cè)量相位和光譜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的脈沖，以及寬度長(zhǎng)于1皮秒的脈沖，限制了其應(yīng)用的普遍性。例如，由于脈沖整形技術(shù)容易合成出比較復(fù)雜的脈沖，目前很少采用SPIDER來(lái)監(jiān)測(cè)脈沖整形的效果，而主要使用FROG。由于FROG重構(gòu)脈沖的速度較慢，因而脈沖整形的速度受到了一定的限制。
我們發(fā)現(xiàn)，SPIDER的局限性，來(lái)源于它所采用的光學(xué)結(jié)構(gòu)。它用兩個(gè)共線(xiàn)傳播的相互延時(shí)為τ的待測(cè)脈沖的復(fù)制脈沖，分別與一個(gè)啁啾長(zhǎng)脈沖的頻率差為Ω的單色成分進(jìn)行和頻，從而產(chǎn)生一對(duì)相互延時(shí)為τ的頻譜剪切的和頻脈沖，發(fā)生光譜干涉。其干涉光譜的強(qiáng)度分布表示為D(ω)=D1(ω)+D2(ω)+2D1(ω)D2(ω)×cos[Δφ(ω)+ωτ]---(1)]]>其中，D1(ω)和D2(ω)分別表示單個(gè)和頻脈沖的光譜強(qiáng)度；Δφ(ω)＝φ(ω+Ω)-φ(ω)是待測(cè)脈沖的間隔為Ω的頻譜成分之間的相位差。將求得的各個(gè)頻率的Δφ(ω)值串連起來(lái)，就可重構(gòu)脈沖的光譜相位φ(ω)。
對(duì)于絕大多數(shù)的脈沖，只要頻譜剪切量Ω不太大，在任一頻率ω，都可滿(mǎn)足-π/2＜Δφ(ω)＜π/2。但傳統(tǒng)SPIDER的結(jié)構(gòu)決定了τ是一個(gè)很大的量(一般為1-5ps)，在待測(cè)脈沖的整個(gè)頻譜范圍內(nèi)，ωτ的值分布在幾十個(gè)乃至上百個(gè)余弦函數(shù)的單值區(qū)間，于是干涉頻譜圖呈現(xiàn)稠密的條紋。這樣cos[Δφ(ω)+ωτ]是周期函數(shù)，而不是單值函數(shù)。在ωτ～nπ(n為整數(shù))對(duì)應(yīng)的頻率位置上，就不能由cos[Δφ(ω)+ωτ]的值導(dǎo)出唯一的Δφ(ω)，因?yàn)闊o(wú)法確定Δφ(ω)的正負(fù)甚至幅值。而這些存在非唯一解的頻率位置，可能有近百個(gè)之多。
為了實(shí)現(xiàn)脈沖相位的重構(gòu)，SPIDER假定D1(ω)、D2(ω)和Δφ(ω)隨ω的變化比ωτ緩慢許多，于是將公式(1)等號(hào)右邊的項(xiàng)劃分為直流和交流兩個(gè)部分，并進(jìn)行傅里葉變換濾波處理，來(lái)求解Δφ(ω)曲線(xiàn)。這實(shí)際上是假定待測(cè)脈沖相鄰頻率的Δφ(ω)是連續(xù)緩慢變化的，因而可借助它們?cè)诜?hào)和幅值上的關(guān)聯(lián)性，來(lái)消除某些頻率位置上因余弦函數(shù)的周期性引起的歧異性。不幸的是，上述假定只能適用于簡(jiǎn)單脈沖，而不適用于光譜或/和相位結(jié)構(gòu)存在突變的復(fù)雜脈沖。若對(duì)復(fù)雜脈沖的干涉頻譜進(jìn)行傅里葉變換濾波，則脈沖的D1(ω)、D2(ω)和Δφ(ω)曲線(xiàn)中的瞬變信息必將導(dǎo)致原來(lái)所謂的直流和交流成分發(fā)生部分的重疊，而且會(huì)存在某些超高延時(shí)的成分，遠(yuǎn)離位于t＝+τ的傅里葉變換濾波的窗口。這樣，一部分Δφ(ω)的瞬變信息就容易丟失，而一部分D1(ω)和D2(ω)的瞬變信息卻混入濾波窗口內(nèi)，使得濾波窗口內(nèi)所包含的，并非是全部的、純粹的Δφ(ω)的信息，從而會(huì)導(dǎo)致脈沖相位的重構(gòu)出現(xiàn)明顯的偏差。
另外，若要測(cè)量脈寬較大的脈沖，就需調(diào)節(jié)更大的延時(shí)τ，才能確保分別與兩個(gè)復(fù)制脈沖發(fā)生和頻的啁啾脈沖的兩個(gè)頻率成分的單色性，這樣將導(dǎo)致干涉頻譜的條紋更加稠密。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)要測(cè)量的脈沖寬度大于1皮秒時(shí)，其干涉頻譜的條紋將因?yàn)檫^(guò)于稠密，而無(wú)法被光譜儀分辨。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超短脈沖的測(cè)量方法，該方法能夠?qū)崟r(shí)地、準(zhǔn)確地重構(gòu)各種光譜和相位結(jié)構(gòu)的脈沖，得到脈沖的形狀和相位結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明方法采用了經(jīng)改進(jìn)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該光學(xué)結(jié)構(gòu)由分束鏡1、光柵2、直角反射鏡3、安裝在精密平移臺(tái)上的反射鏡4、帶單縫的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器5、雙縫光闌6、玻璃薄片7、反射鏡8、可將脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的潛望鏡9、安裝在精密平移臺(tái)上的直角反射鏡10、凹面反射鏡11、二類(lèi)匹配和頻晶體12、由壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡13、反射鏡14、凹面反射鏡15、光柵光譜儀16依照被測(cè)量脈沖傳播路徑排列而成。被測(cè)量的脈沖的傳播路徑分兩路進(jìn)行一路由分束鏡1透射進(jìn)入光柵2，經(jīng)光柵2、直角反射鏡3、光柵2、反射鏡4反射進(jìn)入帶單縫的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器5、雙縫光闌6、玻璃薄片7，形成兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖，再經(jīng)反射鏡(8)、凹面反射鏡(11)反射進(jìn)入二類(lèi)匹配和頻晶體(12)；另一路由分束鏡(1)反射進(jìn)入可將脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的潛望鏡(9)、經(jīng)直角反射鏡(10)反射，在反射鏡(8)的上方通過(guò)，由凹面反射鏡(11)反射進(jìn)入二類(lèi)匹配和頻晶體(12)的同一位置。由三個(gè)脈沖相互作用而同時(shí)生成的兩個(gè)和頻脈沖，經(jīng)由壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡(13)、反射鏡(14)、凹面反射鏡(15)反射進(jìn)入光柵光譜儀(16)。反射鏡13和反射鏡14可用一塊落差合適的階梯反射鏡代替。
本發(fā)明測(cè)量方法的基本理論1.改變SPIDER的光學(xué)結(jié)構(gòu)，將延時(shí)τ大大縮小，消除干涉頻譜的稠密條紋。
本方法采用如圖1的測(cè)量光學(xué)結(jié)構(gòu)。待測(cè)脈沖經(jīng)分束片分成兩路，一路經(jīng)色散器件(由一個(gè)光柵和一個(gè)直角反射鏡，或者一對(duì)光柵組成)將其光譜橫向展開(kāi)，再由雙縫光闌選取出兩個(gè)頻率差為Ω(頻譜剪切量)的準(zhǔn)單色的長(zhǎng)脈沖，并用合適厚度的玻片補(bǔ)償兩脈沖之間因色散引起的光程差；另一路由潛望鏡將其偏振面旋轉(zhuǎn)90°。這樣，可得到三個(gè)相互平行的同時(shí)傳播的脈沖單個(gè)復(fù)制脈沖和兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖。把它們聚焦到二類(lèi)匹配和頻晶體上，將同時(shí)生成一對(duì)頻譜剪切的和頻脈沖。這時(shí)延時(shí)τ＝0，干涉頻譜圖將呈現(xiàn)無(wú)條紋的特征。但這時(shí)cos[Δφ(ω)+ωτ]＝cos[Δφ(ω)]，并不能確定Δφ(ω)的正負(fù)。
2.對(duì)延時(shí)τ進(jìn)行精確控制，使cos[Δφ(ω)+ωτ]成為單值函數(shù)。
利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)單個(gè)反射鏡，在和頻脈沖對(duì)之間精確地引入小量的延時(shí)τ，使得對(duì)應(yīng)于和頻脈沖的某個(gè)頻率ωa，有ωaτ＝mπ+π/2(m為某個(gè)很小的整數(shù))，則cos[Δφ(ω)+]ωτ=cos[Δφ(ω)+(ω-ωa)τ+ωaτ]]]>=sin[Δφ(ω)+a(ω)](m=±1,±3,±5,...)-sin[Δφ(ω)+a(ω)](m=0±,2,±4,...)---(2)]]>其中a(ω)＝(ω-ωa)τ。一般情況下，由于脈沖的頻譜寬度Δω＜＜ω，所以|a(ω)|＜＜π/2。結(jié)合公式(1)和(2)，可得Δφ(ω)=±sin-1{[D(ω)-D1(ω)-D2(ω)]/2D1(ω)D2(ω)}-a(ω)---(3)]]>從上式可知，只要任一頻率ω的Δφ(ω)的實(shí)際值，落在{-π/2-a(ω)，π/2-a(ω)}的范圍內(nèi)，cos[Δφ(ω)+ωτ]就是單值的，能夠從中求得唯一的Δφ(ω)。而對(duì)大多數(shù)的脈沖來(lái)說(shuō)，這個(gè)單值范圍是十分足夠的。所以，用光譜儀錄得D1(ω)、D2(ω)和D(ω)三條數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，就可利用公式(3)，逐點(diǎn)計(jì)算各個(gè)頻率的Δφ(ω)，無(wú)需采用傅里葉變換濾波的處理。
具體做法是1)先將一個(gè)待測(cè)脈沖用分束鏡分成兩路，一路光束經(jīng)光柵加直角反射鏡將其光譜橫向展開(kāi)，并利用雙縫光闌選取出兩個(gè)頻譜稍有差別的準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖；另一路光束經(jīng)潛望鏡將偏振旋轉(zhuǎn)90°，作為單一的復(fù)制脈沖；2)將這三個(gè)脈沖聚焦入射和頻晶體的同一位置，可同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)頻譜剪切的和頻脈沖；并通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)單個(gè)反射鏡，或者使用一個(gè)落差合適的階梯反射鏡的措施，在這兩個(gè)和頻脈沖之間精確地引入合適的小量延時(shí)τ，使ωτ值約等于±π/2，±3π/2，±5π/2的其中之一；這樣兩個(gè)脈沖的干涉光譜D(ω)將不呈現(xiàn)明顯的干涉條紋；3)結(jié)合測(cè)得的單個(gè)和頻脈沖的光譜D1(ω)和D2(ω)，可直接由公式Δφ(ω)=±sin-1{[D(ω)-D1(ω)-D2(ω)]/2D1(ω)D2(ω)}-a(ω),]]>逐點(diǎn)計(jì)算脈沖的光譜相位差Δφ(ω)曲線(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)脈沖的重構(gòu)。
結(jié)合本發(fā)明的測(cè)量裝置，具體測(cè)量步驟如下1)讓待測(cè)脈沖入射到圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)的分束鏡1；2)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的雙縫光闌9的寬度和間距，獲得兩個(gè)頻率稍有差別的準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖；3)調(diào)整待測(cè)脈沖與步驟2所得到的兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖的同步調(diào)節(jié)直角反射鏡10的平移臺(tái)，可調(diào)整復(fù)制待測(cè)脈沖與兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖之間的時(shí)差；調(diào)節(jié)玻璃薄片7的轉(zhuǎn)角(或插入不同厚度的玻片)，可調(diào)整兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖之間的時(shí)差。一般以和頻脈沖的強(qiáng)度達(dá)到最大值作為依據(jù)，來(lái)判定三個(gè)脈沖是否同步入射晶體。
通常準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖的寬度遠(yuǎn)大于待測(cè)脈沖，所以對(duì)脈沖同步精度的要求不高，而且不會(huì)影響脈沖測(cè)量的準(zhǔn)確度，只會(huì)影響和頻效率，即影響測(cè)量的靈敏度。
4)調(diào)節(jié)和校正延時(shí)τ將望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器5推入光路，同時(shí)移開(kāi)玻片7，則雙縫光闌6選取的兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖的頻率沒(méi)有差別(即頻譜剪切量Ω＝0)。這樣生成的和頻脈沖對(duì)就無(wú)光譜剪切，所以Δφ(ω)≡0，其干涉光譜強(qiáng)度只與τ有關(guān)。用光譜儀16測(cè)量單個(gè)和頻脈沖的光譜D1(ω)和D2(ω)，及其干涉頻譜D(ω)，就可利用公式(1)確定延時(shí)τ值。如果這時(shí)不滿(mǎn)足ωτ～mπ+π/2的條件(m為某個(gè)很小的整數(shù)，如0，±1，±2等)，就用壓電驅(qū)動(dòng)反射鏡13來(lái)改變延時(shí)，并記錄相應(yīng)的D(ω)來(lái)計(jì)算延時(shí)τ。需反復(fù)調(diào)節(jié)，直至上述條件滿(mǎn)足為止。
5)用光譜儀記錄待測(cè)脈沖的單個(gè)和頻脈沖的光譜D1(ω)、D2(ω)和干涉頻譜D(ω)將望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器5移開(kāi)，并將玻片7推回原位置，由光譜儀記錄單個(gè)和頻脈沖的光譜D1(ω)和D2(ω)，及其干涉頻譜D(ω)。
6)校正頻譜剪切量Ω分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖的中心頻率并直接相減，可得到頻譜剪切量Ω值；也可由D1(ω)和D2(ω)頻譜的相對(duì)平移量來(lái)確定。
7)待測(cè)脈沖的重構(gòu)利用公式Δφ(ω)=±sin-1{[D(ω)-D1(ω)-D2(ω)]/2D1(ω)D2(ω)}-a(ω),]]>計(jì)算待測(cè)脈沖的Δφ(ω)曲線(xiàn)，然后將它們串連起來(lái)，就得到脈沖的光譜相位φ(ω)曲線(xiàn)。結(jié)合另外測(cè)得的待測(cè)脈沖的光譜曲線(xiàn)，經(jīng)傅里葉變換，就可得到脈沖的時(shí)域表示式，即得到待測(cè)脈沖的形狀和相位結(jié)構(gòu)。
以上方法的實(shí)驗(yàn)條件(1)與傳統(tǒng)SPIDER一樣，新的測(cè)量系統(tǒng)必須保持高度的機(jī)械穩(wěn)定性，否則和頻脈沖的干涉光譜會(huì)因震動(dòng)、空氣流動(dòng)等因素發(fā)生變化，就不能得到正確的結(jié)果。
(2)待測(cè)脈沖必須是相干性較好的激光脈沖，這樣才有穩(wěn)定的干涉光譜。該方法一般不適用于熒光脈沖的測(cè)量。
這里需要說(shuō)明的是(1)在測(cè)量系統(tǒng)調(diào)好之后，要測(cè)量其它的脈沖，如果沒(méi)有震動(dòng)等因素使延時(shí)τ改變，又不需要改變?chǔ)钢?，可以直接?zhí)行步驟1)、5)和7)，就可完成脈沖的重構(gòu)。若不能保證延時(shí)τ在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生改變，則可執(zhí)行步驟1)、4)、5)和7)對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)量。
(2)盡管兩個(gè)和頻脈沖在晶體內(nèi)是同時(shí)生成的，但由于它們的傳播方向略有差異，而和頻晶體的厚度不一定十分均勻，所以?xún)蓚€(gè)和頻脈沖出射晶體時(shí)，可能存在一個(gè)初始延時(shí)τ0，其大小與兩個(gè)脈沖的傳播路徑有關(guān)。執(zhí)行步驟4)的操作，測(cè)得的延時(shí)τ是綜合的延時(shí)，是反射鏡13和14之間產(chǎn)生的延時(shí)與初始延時(shí)τ0之和。
(3)若通過(guò)選取不同間距的雙縫來(lái)改變頻譜剪切量Ω，則至少有一個(gè)和頻脈沖的傳播方向會(huì)發(fā)生改變，初始延時(shí)τ0的值也可能改變。這時(shí)要重新執(zhí)行步驟4)，來(lái)校正和調(diào)整總的延時(shí)τ，使之滿(mǎn)足測(cè)量條件。
(4)為提高系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性，可用單個(gè)落差合適的階梯反射鏡，代替反射鏡13和14，作為延時(shí)τ的引入機(jī)制。這樣做的好處是，一旦延時(shí)τ值調(diào)整到合適的值，就不易發(fā)生改變，為以后測(cè)量其它脈沖帶來(lái)極大的方便。延時(shí)τ值的校正可采用類(lèi)似于步驟4)的操作，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)階梯鏡來(lái)獲得合適的延時(shí)量，但需要相應(yīng)地調(diào)整凹面反射鏡15的方向，才能使光束入射光譜儀16。
采用本方法的優(yōu)點(diǎn)，在于每一個(gè)Δφ(ω)的值都是獨(dú)立求得的，無(wú)需借助相鄰頻率的Δφ(ω)的關(guān)聯(lián)性來(lái)確定其符號(hào)和幅值。所以，就算相鄰頻率的Δφ(ω)之間有較大的差異，也不影響整個(gè)Δφ(ω)曲線(xiàn)的求解。這就對(duì)復(fù)雜脈沖的測(cè)量非常有利。此外，由于D1(ω)、D2(ω)直接參與Δφ(ω)曲線(xiàn)的計(jì)算，所以它們中的瞬變信息，并不會(huì)影響求解Δφ(ω)的準(zhǔn)確性。
另外，新系統(tǒng)中延時(shí)τ的引入，與待測(cè)脈沖的寬度無(wú)關(guān)，因而新方法可消除對(duì)長(zhǎng)脈沖測(cè)量的限制。理論上，新方法應(yīng)具有與FROG相近的普適性，可以測(cè)量從幾個(gè)fs到近百ps的任意脈沖。


圖1為本發(fā)明的新的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。虛線(xiàn)表示和頻脈沖的傳播路徑。
圖2為待測(cè)脈沖的光譜強(qiáng)度(實(shí)線(xiàn))和相位曲線(xiàn)(虛線(xiàn))。
圖3為光譜剪切量Ω＝2π×1.5THz時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)和頻脈沖的光譜，以及實(shí)際的光譜相位差Δφ(ω)曲線(xiàn)。
圖4為兩個(gè)和頻脈沖在延時(shí)τ＝0.33，1.00fs的干涉光譜。
圖5為不同的小量延時(shí)τ對(duì)應(yīng)的cos[Δφ(ω)+ωτ]曲線(xiàn)。
圖1中，該光學(xué)結(jié)構(gòu)由分束鏡1、光柵2、直角反射鏡3、安裝在精密平移臺(tái)上的反射鏡4、帶單縫的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器5、雙縫光闌6、玻璃薄片7、反射鏡8、可將脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的潛望鏡9、安裝在精密平移臺(tái)上的直角反射鏡10、凹面反射鏡11、二類(lèi)匹配和頻晶體12、由壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡13、反射鏡14、凹面反射鏡15、光柵光譜儀16依照被測(cè)量脈沖傳播路徑排列而成。被測(cè)量的脈沖的傳播路徑分兩路進(jìn)行一路由分束鏡1透射進(jìn)入光柵2，經(jīng)光柵2、直角反射鏡3、光柵2、反射鏡4反射進(jìn)入帶單縫的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器5、雙縫光闌6、玻璃薄片7，形成兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖，再經(jīng)反射鏡(8)、凹面反射鏡(11)反射進(jìn)入二類(lèi)匹配和頻晶體(12)；另一路由分束鏡(1)反射進(jìn)入可將脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的潛望鏡(9)、經(jīng)直角反射鏡(10)反射，在反射鏡(8)的上方通過(guò)，由凹面反射鏡(11)反射進(jìn)入二類(lèi)匹配和頻晶體(12)的同一位置。由三個(gè)脈沖相互作用而同時(shí)生成的兩個(gè)和頻脈沖，經(jīng)由壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡(13)、反射鏡(14)、凹面反射鏡(15)反射進(jìn)入光柵光譜儀(16)。反射鏡13和反射鏡14可用一塊落差合適的階梯反射鏡代替。
具體實(shí)施例方式
假設(shè)利用脈沖整形技術(shù)產(chǎn)生的飛秒脈沖有如圖2所示的光譜和相位結(jié)構(gòu)。該脈沖寬度約為60fs，中心頻率ω0＝2π×375THz(即中心波長(zhǎng)λ0＝800nm)，其光譜相位曲線(xiàn)的某處存在一個(gè)躍變。
當(dāng)脈沖進(jìn)入圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)后，由雙縫選出兩個(gè)圓頻率分別為ω1＝2π×375THz和ω2＝2π×376.5THz(即Ω＝2π×1.5THz)的準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖，它們將獨(dú)立地與同一復(fù)制脈沖在晶體內(nèi)發(fā)生和頻效應(yīng)，從而生成兩個(gè)和頻脈沖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)脈沖不同的頻率成分的和頻效率相等，則這兩個(gè)和頻脈沖的光譜強(qiáng)度D1(ω)和D2(ω)曲線(xiàn)，以及相應(yīng)的光譜相位差Δφ(ω)曲線(xiàn)，應(yīng)如圖3所示。通過(guò)壓電裝置驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)反射鏡，可精確控制這兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)τ，最后聚焦入射到光譜儀，由CCD記錄其干涉光譜。τ值不同，得到的干涉頻譜D(ω)就不同。例如，調(diào)節(jié)τ分別等于0.33和1.00fs，則對(duì)應(yīng)于ωa＝2π×750THz，ωaτ的值分別為π/2和3π/2。這兩個(gè)延時(shí)所對(duì)應(yīng)的干涉頻譜D(ω)如圖4所示。
可以看出，由于τ很小，這兩個(gè)干涉頻譜圖都不出現(xiàn)稠密的條紋，干涉圖案主要由D1(ω)、D2(ω)和Δφ(ω)的變化特性決定。直接利用公式(3)，就可逐點(diǎn)求解出Δφ(ω)曲線(xiàn)，應(yīng)與圖3中的實(shí)際曲線(xiàn)一致。將這些Δφ(ω)串聯(lián)起來(lái)，就可重構(gòu)脈沖的光譜相位φ(ω)，最終能求得脈沖的時(shí)域表示，獲得脈沖的全部信息。
為了說(shuō)明用新方法重構(gòu)脈沖的準(zhǔn)確性，在此將求解的過(guò)程作分步闡述。在校正了頻譜剪切量Ω和延時(shí)τ值，并記錄了和頻脈沖的光譜D1(ω)、D2(ω)和D(ω)后，就可由公式(1)，逐點(diǎn)計(jì)算出相應(yīng)的cos[Δφ(ω)+ωτ]曲線(xiàn)(如圖5)。由公式(2)可知，當(dāng)ωaτ＝π/2，3π/2時(shí)，cos[Δφ(ω)+ωτ]分別等于-sin[Δφ(ω)+a(ω)]和sin[Δφ(ω)+a(ω)]，而|a(ω)|＜＜π/2。因此，這兩條曲線(xiàn)都充分反映了各處Δφ(ω)的幅值和符號(hào)的信息。所以采用其中一條，都可直接求出Δφ(ω)曲線(xiàn)。由于實(shí)際上脈沖的每個(gè)Δφ(ω)值，的確都沒(méi)有超出有效取值范圍{-π/2-a(ω)，π/2-a(ω)]，所以該脈沖的重構(gòu)就不會(huì)有偏差，而且準(zhǔn)確度很高。
權(quán)利要求
1.一種利用光譜相位干涉測(cè)量超短激光脈沖的方法，其特征是一種延時(shí)受控的無(wú)條紋的光譜相位干涉法，具體做法是1)先將一個(gè)待測(cè)脈沖用分束鏡分成兩路，一路光束經(jīng)光柵加直角反射鏡將其光譜橫向展開(kāi)，并利用雙縫光闌選取出兩個(gè)頻譜稍有差別的準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖；另一路光束經(jīng)潛望鏡將偏振旋轉(zhuǎn)90°，作為單一的復(fù)制脈沖；2)將這三個(gè)脈沖聚焦入射和頻晶體的同一位置，可同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)頻譜剪切的和頻脈沖；并通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)單個(gè)反射鏡，或者使用一個(gè)落差合適的階梯反射鏡的措施，在這兩個(gè)和頻脈沖之間精確地引入合適的小量延時(shí)τ，使ωτ值約等于±π/2，±3π/2，±5π/2的其中之一；這樣兩個(gè)脈沖的干涉光譜D(ω)將不呈現(xiàn)明顯的干涉條紋；3)結(jié)合測(cè)得的單個(gè)和頻脈沖的光譜D1(ω)和D2(ω)，可直接由公式Δφ(ω)=±sin-1{[D(ω)-D1(ω)-D2(ω)]/2D1(ω)D2(ω)}-a(ω)]]>，逐點(diǎn)計(jì)算脈沖的光譜相位差Δφ(ω)曲線(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)脈沖的重構(gòu)。
2.一種用于權(quán)利要求1脈沖測(cè)量方法的測(cè)量裝置，其特征是該裝置由分束鏡(1)、光柵(2)、直角反射鏡(3)、安裝在精密平移臺(tái)上的反射鏡(4)、帶單縫的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器(5)、雙縫光闌(6)、玻璃薄片(7)、反射鏡(8)、可將脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的潛望鏡(9)、安裝在精密平移臺(tái)上的直角反射鏡(10)、凹面反射鏡(11)、二類(lèi)匹配和頻晶體(12)、由壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡(13)、反射鏡(14)、凹面反射鏡(15)、光柵光譜儀(16)依照被測(cè)量脈沖傳播路徑排列而成，被測(cè)量的脈沖的傳播路徑分兩路進(jìn)行一路由分束鏡(1)透射進(jìn)入光柵(2)，經(jīng)光柵(2)、直角反射鏡(3)、光柵(2)、反射鏡(4)反射進(jìn)入帶單縫的望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器(5)、雙縫光闌(6)、玻璃薄片(7)，形成兩個(gè)準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖，再經(jīng)反射鏡(8)、凹面反射鏡(11)反射進(jìn)入二類(lèi)匹配和頻晶體(12)；另一路由分束鏡(1)反射進(jìn)入可將脈沖的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的潛望鏡(9)、經(jīng)直角反射鏡(10)反射，在反射鏡(8)的上方通過(guò)，由凹面反射鏡(11)反射進(jìn)入二類(lèi)匹配和頻晶體(12)的同一位置；由三個(gè)脈沖相互作用而同時(shí)生成的兩個(gè)和頻脈沖，經(jīng)由壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡(13)、反射鏡(14)、凹面反射鏡(15)反射進(jìn)入光柵光譜儀(16)。
3.如權(quán)利要求2的測(cè)量裝置，其特征是反射鏡(13)和反射鏡(14)可用一塊落差合適的階梯反射鏡代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超短激光脈沖的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置，采用與傳統(tǒng)的光譜相位相干電場(chǎng)重構(gòu)法(SPIDER)不同的光學(xué)結(jié)構(gòu)，讓一個(gè)待測(cè)脈沖的復(fù)制脈沖同時(shí)與兩個(gè)頻率稍有差別的準(zhǔn)單色長(zhǎng)脈沖進(jìn)行和頻，生成兩個(gè)頻譜剪切的和頻脈沖；再通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)單個(gè)反射鏡，或使用適當(dāng)落差的階梯反射鏡，在這兩個(gè)脈沖之間精確地引入特定的小量延時(shí)。這時(shí)，它們的干涉光譜將不呈現(xiàn)顯著的干涉條紋。結(jié)合測(cè)得的單個(gè)和頻脈沖的光譜，可逐點(diǎn)計(jì)算待測(cè)脈沖的光譜相位差的曲線(xiàn)，進(jìn)而重構(gòu)脈沖的光譜相位。該方法運(yùn)算法則簡(jiǎn)單直接，準(zhǔn)確度高，無(wú)需使用傅里葉變換濾波的處理；最重要的是，它能克服傳統(tǒng)SPIDER適用范圍窄的缺點(diǎn)，能夠勝任各種復(fù)雜的以及較長(zhǎng)的脈沖的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01J11/00GK1743818SQ20051003758
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者文錦輝, 雷亮, 林位株, 賴(lài)天樹(shù) 申請(qǐng)人:中山大學(xué)