CN104121994A - 基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，其实质是将入射的待测激光脉冲分成四束，其中的三束通过三阶非线性介质的瞬态光栅效应产生自参考光，并与一定延迟衰减了的第四束即待测光在空间上重合并聚焦入光谱仪获得自参考干涉光谱，通过测量干涉光谱、利用自参考光谱相干方法来计算飞秒激光脉冲形状，激光光谱和光谱相位；本发明中采用凹面反射镜和凸面反射镜组成一个聚焦系统或者平面反射镜和凹面反射镜组成一个聚焦系统，这使装置结构更加紧凑、稳定，整个装置更微型化；不需光学偏振元件，可适用于光谱、脉宽分别在200-3000nm内和10-300fs内的飞秒激光光学系统。

Description

基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲测量，特别是一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置。

背景技术

飞秒激光随着其在科研、生物、医疗、加工、通信、国防等领域的需要，得到了极其迅速的发展。而飞秒激光脉冲形状与脉冲宽度作为飞秒激光脉冲的重要光学参量，对它们的测量或实时监测显得十分必要。因此，寻找一种简单、方便、快速、有效的测量与实时监测的方法与装置，对于推动飞秒激光自身发展和拓展其在各个领域的应用有着极重大的作用。

目前，最广泛使用的飞秒激光脉冲测量技术有：1.频率分辨光栅法(FrequencyResolved Optical Gating,FROG)；2.光谱相位相干直接电场重建法(Spectral PhaseInterferometry for Direct Electric-field Reconstruction,SPIDER)。该两种技术都是基于自参考，并且通过非共线谐波产生方法，来实现对飞秒激光脉冲的单发测量。然而，该两种技术对于重建飞秒激光脉冲的算法并不直接，需要较长的时间。在SPIDER技术中，通常需要非线性晶体来转换产生测量信号，由于非线性光学晶体的相位匹配条件，这使得每台测量仪器只能适应于特定的光谱范围，从而限制了这些方法在宽光谱范围内的应用，并且这些系统与测量过程都较为复杂。基于交叉偏振波(cross-polarized wave,XPW)的自参考光谱干涉方法(self-referencedspectral interferometry,SRSI)最近也被用来测量激光脉冲。在该方法中，仅需3次简单迭代计算就可以很快获得待测激光的光谱和相位，这是目前为止最为简单方便，并可进行脉冲宽度单发测量的方法。然而该方法需要光学偏振元件。由于光学偏振元件只对特定激光波长有效，并且有一定的光谱宽度，这样也就限制了这一方法和仪器只能在特定光谱范围内应用。偏振光学元件的色散也使其对10fs以下短脉冲测量受到限制。在类似的SRSI方法上，我们最近也提出了两种分别基于自衍射效应[参见文献1：J.Liu,Y.L.Jiang,T.Kobayashi,R.X.Li,and Z.Z.Xu,“Self-referenced spectral interferometry based on self-diffractioneffect,”J.Opt.Soc.Am.B29(1):29-34(2012)；参见专利：申请号：201210267065.3]和瞬态光栅效应[参见文献2：J.Liu,F.J.Li,Y.L.Jiang,C.Li,Y.X.Leng,T.Kobayashi,R.X.Li,and Z.Z.Xu,“Transient-gratingself-referenced spectral interferometry for infrared femtosecond pulsecharacterization,”Opt.Lett.37,4829(2012)；参见专利：申请号：201210079324.X]的飞秒激光脉冲测量方法，该两种方法不受色散的限制，但是此二者在结构上仍较为复杂。

发明内容

本发明给出一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置。本发明采用望远镜或显微物镜光路结构，装置结构简单、小巧，调节简易，数据采集与数据处理迅速，并且可以适用于不同脉冲宽度和不同波长范围的飞秒激光脉冲宽度与脉冲形状的测量与实时监测，获得的光谱相位可以反馈到相关的相位补偿装置，优化飞秒激光脉冲的输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特点在于其构成包括：第一凹面反射镜、凸面反射镜、四小孔光阑板、可变中性衰减延时片、三阶非线性光学介质、小孔光阑板、第二凹面反射镜和高光谱精度的光谱仪。所述元部件位置关系如下：

所述的第一凹面反射镜中心具有一个小孔，所述的四小孔光阑板具有呈正方形分布的四个小孔，所述第一凹面反射镜和所述凸面反射镜组成一个聚焦系统。待测飞秒激光光束经所述第一凹面反射镜的小孔，并经所述聚焦系统聚焦，在所述凸面反射镜和所述聚焦系统的焦点之间适当位置放置所述四小孔光阑板，将所述聚焦光束分成四束分别称为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束，在所述的四小孔光阑板和所述的焦平面之间放置所述的可变中性衰减延时片并对所述的第四光束进行衰减并引入延时作为待测光，所述的第一光束、第二光束和第三光束在空气中自由传播，并在所述焦平面处的所述三阶非线性光学介质中，产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波作为参考光，所述待测光经过所述的三阶非线性光学介质后与所述的参考光在空间重合，两束重合的激光脉冲一起依次经过所述的小孔光阑板和所述的第二凹面反射镜反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪进行测量，获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。

一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特点在于其构成包括：四小孔光阑板、可变中性衰减延时片、平面反射镜，第一凹面反射镜、三阶非线性光学介质、小孔光阑板、第二凹面反射镜和高光谱精度的光谱仪。所述元部件位置关系如下：

所述的四小孔光阑板具有呈正方形分布的四个小孔，所述的第一凹面反射镜中心带一个小孔，所述的平面反射镜和第一凹面反射镜组成一个聚焦系统。待测飞秒激光光束经所述四小孔光阑板后分成四束，分别称为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束，所述的第一光束、第二光束和第三光束所述聚焦系统，聚焦入所述聚焦系统的焦平面处放置的所述的三阶非线性光学介质，并在所述的三阶非线性光学介质中产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波作为参考光，所述的第四光束经所述的可变中性衰减延时片衰减并引入延时后作为待测光，经过所述聚焦系统，然后经过所述的三阶非线性光学介质与所述参考光在空间重合。两束重合的激光脉冲一起依次经过所述的小孔光阑板和所述的第二凹面反射镜反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪进行测量，获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。

本发明具有如下的显著特点：

1、本发明在第一种典型装置中用了第一凹面反射镜和凸面反射镜组成一个聚焦系统，在第二种典型装置中用了平面反射镜和第一凹面反射镜组成一个聚焦系统，这使装置结构更加紧凑、稳定，整个装置更微型化；

2、本发明中所使用的可变中性衰减延时片，在对待测光引入延时的同时，并对其进行强度衰减，用以实时调节所得参考光与延迟的待测光之间的能量比，从而区分参考光与待测光和保证干涉光谱的调制精确。

3、本发明适用于光谱、脉宽分别在200-3000nm内和10-300fs内的飞秒激光光学系统。另外，本发明同时适用于重复频率为兆赫兹和单发飞秒激光脉冲的脉冲宽度与脉冲形状的测量，并可用于飞秒激光脉冲的实时监控，获得的光谱相位可以反馈到相关的相位补偿装置，优化飞秒激光脉冲的输出。

附图说明

图1，图2分别为本发明的两个典型实例装置光路图。

图3是利用本发明实例装置图1测量800nm中心波长40fs激光脉冲实验结果图，分别给出了待测脉冲的光谱(虚线)、产生的瞬态光栅信号光谱(短划线)、入射脉冲与瞬态光栅信号的相干光谱(实线)。

具体实施方式

首先，利用基于透明介质瞬态光栅效应的光学模块和高光谱精度的光谱仪获得干涉光谱信号。

本发明的一个实施例装置如图1所示。光路主要包括：1为入射飞秒激光光束；2为第一凹面反射镜；3为凸面反射镜；4为四小孔光阑板；5为可变中性衰减延时片；6为三阶非线性光学介质，用以产生瞬态光栅效应；7为小孔光阑板，用来透过信号光和挡住杂散光；8为第二凹面反射镜；9为高光谱精度的光谱仪，用来测量激光光谱与干涉光谱。

在图1所示的光路中，所述的第一凹面反射镜2和所述的凸面反射镜3组成一个聚焦系统；所述的四小孔光阑板4有四个中心成正方形排列的口径相等的小孔，用来选取入射激光光斑上四个部分，形成相等口径的四束激光。

图1实施例装置的光路走势如下：一束光斑足够大的入射激光束1穿过所述的聚焦系统(光路在所述聚焦系统的走势为：所述的入射激光束1穿过所述的第一凹面反射镜2的中心小孔后，经所述的凸面反射镜3反射，再经所述的凹面反射镜2反射)后，经过所述的四小孔光阑板4，所述的四小孔光阑板4的四个小孔通过相等口径的四束激光，分别称为第一、第二、第三、第四光束，该四束激光位于正方形四个角，所述的第四光束透过一块合适厚度的所述可变中性衰减延时片5，得到衰减延时后的待测光，而所述的第一、第二、第三光束在空气中自由传播，所述的待测光与在空气中自由传播的所述第一、第二、第三光束之间具有一定的时间延迟。所述的第一、第二、第三光束在置于所述的聚焦系统焦平面处的所述的三阶非线性光学介质6中由于瞬态光栅效应，产生瞬态光栅信号光波作为参考光，所产生参考光正好跟所述的待测光在空间上重合。利用小孔光阑板7选取参考光和待测光并挡住杂散光，经过第二凹面反射镜8聚焦到高精度光谱仪9中，测得干涉光谱信号。

在图1实施例装置中，第一凹面反射镜2的中心小孔大小根据入射激光光斑大小来定，通常入射光斑要比该小孔稍大。四小孔光阑板4的四个小孔大小和间距根据射向它的光斑大小选取，以四个光斑互不影响，并且通过的能量最大为原则。第一凹面反射镜2、凸面反射镜3和第二凹面反射镜8的膜根据入射激光中心波长不同可以镀相应的银膜、金膜和介质高反膜。三阶非线性介质6材料的选择需要对入射激光透明，并且三阶非线性系数要高。9为高光谱精度的光谱仪，可以提高测量精度。

最后，通过将所得的干涉光谱信号进行自参考光谱相干方法计算，得到待测飞秒激光脉冲形状，激光光谱和光谱相位。

采用图1所示的装置，并结合上述具体实施方式，对飞秒激光脉冲进行了测量。当入射的激光脉冲1为重复频率1KHz，中心波长为800nm，脉冲能量为1.7uJ时得到了图3的结果。当然该入射激光脉冲条件不应限制本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括：沿光束输入方向依次是第一凹面反射镜(2)、凸面反射镜(3)、四小孔光阑板(4)、可变中性衰减延时片(5)、三阶非线性光学介质(6)、小孔光阑板(7)、第二凹面反射镜(8)和高光谱精度的光谱仪(9)，所述的第一凹面反射镜(2)中心具有一个小孔，所述的四小孔光阑板(4)具有呈正方形分布的四个小孔，所述第一凹面反射镜(2)和所述凸面反射镜(3)的反射面相对组成一个聚焦系统，待测飞秒激光光束(1)依次经过所述第一凹面反射镜(2)的小孔、凸面反射镜(3)、第一凹面反射镜(2)并被所述聚焦系统聚焦，在所述凸面反射镜和所述聚焦系统的焦平面之间放置所述的四小孔光阑板(4)，将所述聚焦光束分成四束分别称为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束，在所述的四小孔光阑板(4)和所述的焦平面之间在第四光束的光路上放置所述的可变中性衰减延时片(5)，对所述的第四光束进行衰减延时作为待测光，所述的第一光束、第二光束和第三光束在空气中自由传播，并在所述焦平面处的所述三阶非线性光学介质(6)中，产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号作为参考光，所述待测光经过所述的三阶非线性光学介质(6)后与所述的参考光在空间重合一起依次经过所述的小孔光阑板(7)和所述的第二凹面反射镜反射(8)后进入所述的高光谱精度的光谱仪(9)进行测量，获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。

2.一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括：沿光束输入方向依次是四小孔光阑板(2)、可变中性衰减延时片(3)、平面反射镜(4)，第一凹面反射镜(5)、三阶非线性光学介质(6)、小孔光阑板(7)、第二凹面反射镜(8)和高光谱精度的光谱仪(9)，所述的四小孔光阑板(2)具有呈正方形分布的四个小孔，所述的第一凹面反射镜(5)中心具有一个小孔，所述的平面反射镜(4)和第一凹面反射镜(5)的反射面相对组成一个聚焦系统，待测飞秒激光光束(1)经所述四小孔光阑板(2)后分成四束，分别称为第一光束、第二光束、第三光束和第四光束，所述的四束光依次经过第一凹面反射镜(5)、平面反射镜(4)并穿过第一凹面反射镜(5)中心的小孔，被所述聚焦系统聚焦入所述聚焦系统的焦平面处放置的所述的三阶非线性光学介质(6)，并在所述的三阶非线性光学介质(6)中，所述的第一光束、第二光束和第三光束产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波作为参考光，所述的第四光束经置于所述四小孔光阑板(2)和所述的平面反射镜(4)之间的所述的可变中性衰减延时片(3)衰减延时后作为待测光与所述参考光在空间重合一起依次经过所述的小孔光阑板(7)和所述的第二凹面反射镜(8)反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪(9)进行测量，获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。