CN103776550B - 基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲测量装置及方法。本发明包括1/2波片、偏振分光器件、电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片、激光线滤光片、聚焦透镜、光子晶体光纤、准直透镜、滤光片、第四高反射镜片、第五高反射镜片、消色差聚焦透镜、非线性纳米材料、收集聚焦透镜、光谱仪、PC机。本发明中探测光路由光学延迟系统改变光程，激发光路传输了超连续谱脉冲激光。通过激光线滤光片将激发-探测光路进行整合，并由聚焦系统会聚到纳米材料上，激发和频光谱。本发明通过移动步进电机，并同步检测和频光谱，完整的探测超连续谱激光脉冲的特征。

Description

基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量装置及方法

技术领域

本发明属于光子学技术领域，具体涉及一种基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量装置及方法。

背景技术

脉冲宽度小于皮秒（10^-12秒）量级的激光常被称为超短脉冲激光。由于超强的瞬时功率，超短脉冲激光是现代生物、物理等科学领域中不可或缺的实验工具。在以下近年来，随着光子晶体光纤的制作日益成熟，超短脉冲激光激发光子晶体光纤产生的超连续谱脉冲激光在传感、成像领域崭露头角。由于超连续谱脉冲激光有非常宽的光谱，良好的空间相干性，已受到人们越来越多的关注。然而，由于超连续谱脉冲激光的光谱非常宽，也带来了测量和使用上的不便。为了更有效的利用超连续谱脉冲激光，一种切实可用的测量方法是必需的。当前，人们测量超连续谱激光时，通常将非线性体状晶体放置在角度可调的器件中，通过角度的改变，调整激光的入射角度，匹配不同波长对应的相位角。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量装置及方法。非线性纳米材料在宽光谱段都具有良好的非线性特性；并且，由于纳米材料的结构特性，无需考虑相位匹配条件。因此，在基于纳米材料的超连续谱脉冲测量方法中，无需使用角度可调器件，极大的增加了该方法的适用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量装置，包括1/2波片、偏振分光器件、电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片、激光线滤光片、聚焦透镜、光子晶体光纤、准直透镜、滤光片、第四高反射镜片、第五高反射镜片、消色差聚焦透镜、非线性纳米材料、收集聚焦透镜、光谱仪、PC机；

1/2波片设置在偏振分光器件正前方，用于改变偏振分光比；超短脉冲激光通过1/2波片后进入偏振分光器件分光，偏振分光器件将超短脉冲激光分为两路激光；其中一路激光通过聚焦透镜会聚到光子晶体光纤的一个端面，在超短脉冲激光与光子晶体光纤的相互作用中，超短脉冲激光被转换为超连续谱激光；超连续谱激光从光子晶体光纤的另一个端面出射，经过准直透镜后准直输出；该路激光定义为激发光路；

另外一路超短脉冲激光进入光学延迟系统，改变该路超短脉冲激光的光程，并沿原方向出射，该路激光定义为探测光路；

激发光路通过第四高反射镜片和第五高反射镜片调节传输方向后，以角度A(0°<A<15°)照射到激光线滤光片的镀膜面，其中激发光路中的超连续脉冲激光被反射；探测光路以角度B(B=0°)照射到激光线滤光片并透射；激发光路和探测光路在激光线滤光片的镀膜面上实现传播光路的重合，此重合光路定义为激发-探测光路；

将激发-探测光路垂直入射到消色差聚焦透镜的入口，激发-探测光路通过消色差聚焦透镜聚焦于放置在透镜的焦面上的非线性纳米材料；激发-探测光路与非线性纳米材料相互作用，并产生二次非线性信号；

PC机同时与电动步进电机和光谱仪相连接，且光谱仪与收集聚焦透镜光纤连接；光谱仪用于检测传输的二次非线性信号。

所述光学延迟系统包括电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片；且第一高反射镜片、第二高反射镜片设置在电动步进电机上，位于同一水平线且镜像对称分布，第二高反射镜片和第三高反射镜片设置在同一竖直方向水平线且平行；超短脉冲激光依次通过第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片的反射后，增加其光程；电动步进电机能够在PC机的控制下，改变第二高反射镜片和第三高反射镜片之间的距离，从而准确的控制光程的增加量。

所述的二次非线性信号包括二次谐波光谱信号、二次和频信号。

所述的激光线滤光片为光学镀膜滤光片，其镀膜面对超短脉冲激光有超高的透射特性，而对超连续谱激光具有超高的反射特性。

基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，包括如下步骤：

步骤1：超短脉冲激光通过偏振分光器件后，将超短脉冲激光分为两路激光；其中一路激光通过聚焦透镜会聚到光子晶体光纤的一个端面，在超短脉冲激光与光子晶体光纤的相互作用中，超短脉冲激光被转换为超连续谱激光；超连续谱激光从光子晶体光纤的另一个端面出射，经过准直透镜后准直输出；该路激光定义为激发光路，包括超连续谱激光和未被转换的超短脉冲激光；

步骤2：另外一路超短脉冲激光进入光学延迟系统，改变该路超短脉冲激光的光程，并沿原方向出射，该路激光定义为探测光路；

步骤3：通过第四高反射镜片和第五高反射镜片，调节激发光路的传输方向；其中激发光路以角度A(0°<A<15°)照射到激光线滤光片的镀膜面，其中激发光路中的超连续脉冲激光被反射；探测光路角度B(B=0°)照射到激光线滤光片并透射；激发光路和探测光路在激光线滤光片的镀膜面上实现传播光路的重合，此重合光路定义为激发-探测光路；

步骤4：将激发-探测光路垂直入射到消色差聚焦透镜的入口，激发-探测光路通过消色差聚焦透镜聚焦于放置在透镜的焦面上的非线性纳米材料；激发-探测光路与非线性纳米材料相互作用，并产生二次非线性信号；通过互相关检测的方法检测产生的二次非线性信号，从而推导出超连续谱激光的脉冲特性。

步骤2所述光学延迟系统包括电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片；且第一高反射镜片、第二高反射镜片设置在电动步进电机上，位于同一水平线且镜像对称分布，第二高反射镜片和第三高反射镜片设置在同一竖直方向水平线且平行；超短脉冲激光依次通过第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片的反射后，增加其光程；电动步进电机能够在PC机的控制下，改变第二高反射镜片和第三高反射镜片之间的距离，从而准确的控制光程的增加量。

步骤4所述的二次非线性信号包括二次谐波光谱信号、二次和频信号。

所述的激光线滤光片为光学镀膜滤光片，其镀膜面对超短脉冲激光有超高的透射特性，而对超连续谱激光具有超高的反射特性。

步骤4所述的通过互相关检测的方法检测产生的二次非线性信号，其具体叙述如下：

4-1.利用光谱仪探测产生的二次谐波光谱信号，此二次谐波信号由激发-探测光路中的超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光分别作用于非线性纳米材料后产生；

4-2.调节光学延迟系统中的电动步进电机，进而改变第二高反射镜片和第三高反射镜片之间的距离；同时观察光谱仪收集到的信号，直至检测到二次和频信号，此二次和频信号由激发-探测光路中的超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光共同作用于非线性纳米材料后产生；当光谱仪检测到二次和频信号后，则认为此时超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光的脉冲信号在时间域上已经重合；

4-3.继续移动光学延迟系统中的电动步进电机，直至光谱仪检测到二次和频信号消失；将此时电动步进电机的位置定义为起始位置，启动时间-光谱检测。

步骤4-3所述时间-光谱检测具体如下：

4-3-1.从起始位置开始，反向移动电动步进电机一个步长l，记录当前的二次和频信号；

4-3-2.循环执行步骤4-3-1，直至二次和频信号完全消失，即认为时间-光谱检测完成；第i个步长处记录的二次和频信号对应于超连续谱脉冲激光的一个时间脉冲中(i-1)l/c～il/c时间段内的脉冲特性，其中c为光速。

本发明有益效果如下：

本发明通过使用非线性纳米材料，并使用互相关检测方法收集由超短脉冲激光和超连续谱脉冲激光共同作用于非线性纳米材料产生的二次和频信号，从而测量超连续谱脉冲激光的脉冲特性。由于使用了纳米材料作为和频信号的产生介质，该方法可适用于微观区域内的超连续谱脉冲激光的测量。

附图说明

图1为本发明装置示意图。

图2为本发明光学延迟系统的示意图。

图3为本发明中的激光线滤光片合束模块。

其中，1/2波片1、偏振分光器件2、电动步进电机3、第一高反射镜片4、第二高反射镜片5、第三高反射镜片6、激光线滤光片7、聚焦透镜8、光子晶体光纤9、准直透镜10、滤光片11、第四高反射镜片12、第五高反射镜片13、消色差聚焦透镜14、非线性纳米材料15、收集聚焦透镜16、光谱仪17、PC机18；且图中实线箭头代表超短脉冲激光，虚线箭头代表超连续谱脉冲激光。

具体实施方式

下面我们将结合附图，详细介绍本方法的实施方式。

如图1所示，基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量装置，包括1/2波片1、偏振分光器件2、电动步进电机3、第一高反射镜片4、第二高反射镜片5、第三高反射镜片6、激光线滤光片7、聚焦透镜8、光子晶体光纤9、准直透镜10、滤光片11、第四高反射镜片12、第五高反射镜片13、消色差聚焦透镜14、非线性纳米材料15、收集聚焦透镜16、光谱仪17、PC机18。

1/2波片1设置在偏振分光器件2正前方，用于改变偏振分光比；超短脉冲激光通过1/2波片后进入偏振分光器件2分光，将超短脉冲激光分为两路激光；其中一路激光通过聚焦透镜8会聚到光子晶体光纤9的一个端面，在超短脉冲激光与光子晶体光纤12的相互作用中，超短脉冲激光被转换为超连续谱激光；超连续谱激光从光子晶体光纤12的另一个端面出射，经过准直透镜10后准直输出；该路激光定义为激发光路。

另外一路超短脉冲激光进入光学延迟系统，改变该路超短脉冲激光的光程，并沿原方向出射，该路激光定义为探测光路；

如图2所示，光学延迟系统包括电动步进电机3、第一高反射镜片4、第二高反射镜片5、第三高反射镜片6；且第一高反射镜片4、第二高反射镜片5设置在电动步进电机3上，位于同一水平线且镜像对称分布，第二高反射镜片5和第三高反射镜片6设置在同一竖直方向水平线且平行；超短脉冲激光依次通过第一高反射镜片4、第二高反射镜片5、第三高反射镜片6的反射后，增加其光程；电动步进电机能够在PC机18的控制下，改变第二高反射镜片5和第三高反射镜片6之间的距离，从而准确的控制光程的增加量。

激发光路通过第四高反射镜片12和第五高反射镜片13调节传输方向。其中激发光路以角度A照射到激光线滤光片7的镀膜面，其中激发光路中的超连续脉冲激光被反射；探测光路角度B照射到激光线滤光片7并透射；激发光路和探测光路在激光线滤光片7的镀膜面上实现传播光路的重合，此重合光路定义为激发-探测光路。

如图3所示，将激发-探测光路垂直入射到消色差聚焦透镜14的入口，激发-探测光路通过消色差聚焦透镜14聚焦于放置在透镜的焦面上的非线性纳米材料15。激发-探测光路与非线性纳米材料15相互作用，并产生二次非线性信号；所述的二次非线性信号包括二次谐波光谱信号、二次和频信号。

所述的PC机18同时与电动步进电机3和光谱仪17相连接，且光谱仪17与收集聚焦透镜16光纤连接；光谱仪17用于检测传输的二次非线性信号。

所述的激光线滤光片7为光学镀膜滤光片，其镀膜面对超短脉冲激光有超高的透射特性，而对超连续谱激光具有超高的反射特性。

如图1所示，基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，包括如下步骤：

步骤1：超短脉冲激光通过偏振分光器件2后，将超短脉冲激光分为两路激光；其中一路激光通过聚焦透镜8会聚到光子晶体光纤9的一个端面，在超短脉冲激光与光子晶体光纤12的相互作用中，超短脉冲激光被转换为超连续谱激光；超连续谱激光从光子晶体光纤12的另一个端面出射，经过准直透镜10后准直输出。该路激光包括超连续谱激光和少量未被转换的超短脉冲激光，该路激光定义为激发光路。

步骤2：另外一路超短脉冲激光进入光学延迟系统，改变该路超短脉冲激光的光程，并沿原方向出射，该路激光定义为探测光路。

如图2所示，光学延迟系统包括电动步进电机3、第一高反射镜片4、第二高反射镜片5、第三高反射镜片6；且第一高反射镜片4、第二高反射镜片5设置在电动步进电机3上，位于同一水平线且镜像对称分布，第二高反射镜片5和第三高反射镜片6设置在同一竖直方向水平线且平行；超短脉冲激光依次通过第一高反射镜片4、第二高反射镜片5、第三高反射镜片6的反射后，增加其光程；电动步进电机能够在PC机18的控制下，改变第二高反射镜片5和第三高反射镜片6之间的距离，从而准确的控制光程的增加量。

步骤3：通过第四高反射镜片12和第五高反射镜片13，调节激发光路的传输方向。其中激发光路以角度A(0°<A<15°)照射到激光线滤光片7的镀膜面，其中激发光路中的超连续脉冲激光被反射；探测光路角度B(B=0°)照射到激光线滤光片7并透射；激发光路和探测光路在激光线滤光片7的镀膜面上实现传播光路的重合，此重合光路定义为激发-探测光路。

所述的激光线滤光片7为光学镀膜滤光片，其镀膜面对超短脉冲激光有超高的透射特性，而对超连续谱激光具有超高的反射特性。

步骤4：将激发-探测光路垂直入射到消色差聚焦透镜14的入口，激发-探测光路通过消色差聚焦透镜14聚焦于放置在透镜的焦面上的非线性纳米材料15。激发-探测光路与非线性纳米材料15相互作用，并产生二次非线性信号；所述的二次非线性信号包括二次谐波光谱信号、二次和频信号。通过互相关检测的方法检测产生的二次非线性信号，从而推导出超连续谱激光的脉冲特性；

所述的通过互相关检测的方法检测产生的二次非线性信号，其具体步骤叙述如下：

4-1.利用光谱仪17探测产生的二次谐波光谱信号，此二次谐波信号由激发-探测光路中的超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光分别作用于非线性纳米材料后产生。

4-2.调节光学延迟系统中的电动步进电机3，进而改变第二高反射镜片5和第三高反射镜片6之间的距离；同时观察光谱仪17收集到的信号，直至检测到二次和频信号，此二次和频信号由激发-探测光路中的超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光共同作用于非线性纳米材料后产生。当光谱仪17检测到二次和频信号后，则认为此时超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光的脉冲信号在时间域上已经重合。

4-3.继续调节光学延迟系统中的电动步进电机3，直至光谱仪17检测到二次和频信号消失；将此时电动步进电机的位置定义为起始位置，启动时间-光谱检测；时间-光谱检测具体如下：

4-3-1.从起始位置开始，反向移动电动步进电机一个步长l，记录当前的二次和频信号。

4-3-2.循环执行步骤4-3-1，直至二次和频信号完全消失，即认为时间-光谱检测完成。第i个步长处记录的二次和频信号对应于超连续谱脉冲激光的一个时间脉冲中(i-1)l/c～il/c时间段内的脉冲特性，其中c为光速。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还可以有各种变化和改进。

Claims (7)

1.基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：超短脉冲激光通过偏振分光器件后，将超短脉冲激光分为两路激光；其中一路激光通过聚焦透镜会聚到光子晶体光纤的一个端面，在超短脉冲激光与光子晶体光纤的相互作用中，超短脉冲激光被转换为超连续谱激光；超连续谱激光从光子晶体光纤的另一个端面出射，经过准直透镜后准直输出；该路激光定义为激发光路，包括超连续谱激光和未被转换的超短脉冲激光；

步骤2：另外一路超短脉冲激光进入光学延迟系统，改变该路超短脉冲激光的光程，并沿原方向出射，该路激光定义为探测光路；

步骤3：通过第四高反射镜片和第五高反射镜片，调节激发光路的传输方向；其中激发光路以角度A照射到激光线滤光片的镀膜面，其中激发光路中的超连续脉冲激光被反射；探测光路角度B(B＝0°)照射到激光线滤光片并透射；激发光路和探测光路在激光线滤光片的镀膜面上实现传播光路的重合，此重合光路定义为激发-探测光路；

所述的角度A为0°～15°；角度B为0°；

步骤4：将激发-探测光路垂直入射到消色差聚焦透镜的入口，激发-探测光路通过消色差聚焦透镜聚焦于放置在透镜的焦面上的非线性纳米材料；激发-探测光路与非线性纳米材料相互作用，并产生二次非线性信号；通过互相关检测的方法检测产生的二次非线性信号，从而推导出超连续谱激光的脉冲特性。

2.如权利要求1所述的基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，其特征在于步骤2所述光学延迟系统包括电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片；且第一高反射镜片、第二高反射镜片设置在电动步进电机上，位于同一水平线且镜像对称分布，第二高反射镜片和第三高反射镜片设置在同一竖直方向水平线且平行；超短脉冲激光依次通过第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片的反射后，增加其光程；电动步进电机能够在PC机的控制下，改变第二高反射镜片和第三高反射镜片之间的距离，从而准确的控制光程的增加量。

3.如权利要求1所述的基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，其特征在于步骤4所述的二次非线性信号包括二次谐波光谱信号、二次和频信号。

4.如权利要求1所述的基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，其特征在于所述的激光线滤光片为光学镀膜滤光片，其镀膜面对超短脉冲激光有超高的透射特性，而对超连续谱激光具有超高的反射特性。

5.如权利要求1所述的基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，其特征在于步骤4所述的通过互相关检测的方法检测产生的二次非线性信号，其具体叙述如下：

4-1.利用光谱仪探测产生的二次谐波光谱信号，此二次谐波信号由激发-探测光路中的超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光分别作用于非线性纳米材料后产生；

4-2.调节光学延迟系统中的电动步进电机，进而改变第二高反射镜片和第三高反射镜片之间的距离；同时观察光谱仪收集到的信号，直至检测到二次和频信号，此二次和频信号由激发-探测光路中的超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光共同作用于非线性纳米材料后产生；当光谱仪检测到二次和频信号后，则认为此时超短脉冲激光与超连续谱脉冲激光的脉冲信号在时间域上已经重合；

4-3.继续调节光学延迟系统中的电动步进电机，直至光谱仪检测到二次和频信号消失；将此时电动步进电机的位置定义为起始位置，启动时间-光谱检测。

6.如权利要求5所述的基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法，其特征在于步骤4-3所述时间-光谱检测具体如下：

4-3-1.从起始位置开始，反向移动电动步进电机一个步长l，记录当前的二次和频信号；

4-3-2.循环执行步骤4-3-1，直至二次和频信号完全消失，即认为时间-光谱检测完成；第i个步长处记录的二次和频信号对应于超连续谱脉冲激光的一个时间脉冲中(i-1)l/c□il/c时间段内的脉冲特性，其中c为光速。

7.如权利要求1所述的基于非线性纳米材料的超连续谱脉冲激光测量方法使用的装置，其特征在于包括1/2波片、偏振分光器件、电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片、激光线滤光片、聚焦透镜、光子晶体光纤、准直透镜、滤光片、第四高反射镜片、第五高反射镜片、消色差聚焦透镜、非线性纳米材料、收集聚焦透镜、光谱仪、PC机；

1/2波片设置在偏振分光器件正前方，用于改变偏振分光比；超短脉冲激光通过1/2波片后进入偏振分光器件分光，偏振分光器件将超短脉冲激光分为两路激光；其中一路激光通过聚焦透镜会聚到光子晶体光纤的一个端面，在超短脉冲激光与光子晶体光纤的相互作用中，超短脉冲激光被转换为超连续谱激光；超连续谱激光从光子晶体光纤的另一个端面出射，经过准直透镜后准直输出；该路激光定义为激发光路；

另外一路超短脉冲激光进入光学延迟系统，改变该路超短脉冲激光的光程，并沿原方向出射，该路激光定义为探测光路；

激发光路通过第四高反射镜片和第五高反射镜片调节传输方向后，以角度A照射到激光线滤光片的镀膜面，其中激发光路中的超连续脉冲激光被反射；探测光路角度B照射到激光线滤光片并透射；激发光路和探测光路在激光线滤光片的镀膜面上实现传播光路的重合，此重合光路定义为激发-探测光路；

将激发-探测光路垂直入射到消色差聚焦透镜的入口，激发-探测光路通过消色差聚焦透镜聚焦于放置在透镜的焦面上的非线性纳米材料；激发-探测光路与非线性纳米材料相互作用，并产生二次非线性信号；

PC机同时与电动步进电机和光谱仪相连接，且光谱仪与收集聚焦透镜光纤连接；光谱仪用于检测传输的二次非线性信号；

所述光学延迟系统包括电动步进电机、第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片；且第一高反射镜片、第二高反射镜片设置在电动步进电机上，位于同一水平线且镜像对称分布，第二高反射镜片和第三高反射镜片设置在同一竖直方向水平线且平行；超短脉冲激光依次通过第一高反射镜片、第二高反射镜片、第三高反射镜片的反射后，增加其光程；电动步进电机能够在PC机的控制下，改变第二高反射镜片和第三高反射镜片之间的距离，从而准确的控制光程的增加量；

所述的二次非线性信号包括二次谐波光谱信号、二次和频信号；

所述的激光线滤光片为光学镀膜滤光片，其镀膜面对超短脉冲激光有超高的透射特性，而对超连续谱激光具有超高的反射特性。