CN115183885B - 一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有脉冲载波包络相位噪声测量方法，存在测量条件苛刻，测量系统复杂的问题，而一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置及测量方法。该装置包括依次设置的双孔透光片、凹面镜和介质片；待测脉冲经双孔透光片上的两个大小不同的小孔将待测脉冲分成两个脉冲，较强的脉冲为调制脉冲；在较弱的脉冲的光路上设置有双折射延迟片，将透射后脉冲变成两个不同延时的共线的采样脉冲；调制脉冲和采样脉冲平行入射至凹面镜，经凹面镜反射后正入射至介质片；在采样脉冲反射光路上依次设有偏振器、透镜和能量探测器；采样脉冲经偏振器在空间上分光，再依次入射至透镜聚焦和能量探测器；利用光场诱导反射率调制得到待测脉冲的CEP变化。

Description

一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于超快现象与精密测量技术领域，涉及一种基于光场诱导反射率调制的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置及测量方法。

背景技术

超快激光是激光与物质相互作用研究领域的核心工具。当激光脉宽达到少周期量级时，其脉冲包络在一个周期内便会发生较大变化，且不同的脉冲载波包络相位(CEP)导致不同的脉冲电场时间分布。强场条件下的激光与物质相互作用过程与电场直接相关，例如在通过高次谐波过程产生孤立阿秒脉冲的过程中，阿秒脉冲最高光子能量以及谱宽等随着脉冲电场形状的变化而改变。通过单发的CEP噪声测量可以实现光场时间分布的锁定和调控，对于激光与物质相互作用研究具有重要意义。

目前最常用的CEP噪声测量方法有三种。其一，利用f-2f干涉仪，该系统中包括超连续谱产生和倍频部分，通过超连续谱中短波成分与长波成分的倍频进行干涉来观测CEP的变化，但是该方法需要进行超连续谱优化和倍频过程的相位匹配优化，操作复杂，同时在超连续谱产生过程中，入射光强的波动容易造成相干性的退化，导致测量产生误差。其二，通过激光与气体作用的阈上电离过程进行单发CEP测量，但是该系统需要真空条件和气体靶，以及微通道板对电离电子进行计数，且系统较为复杂。其三，通过脉冲在大气环境下产生的光电流测量来获得脉冲CPE，但是该系统首先需要将光转化为圆偏振光，需要有极大带宽的相位元件，同时需要对光电流进行放大和采集，需要复杂的电路系统。因此，目前的CEP噪声测量方法，均存在测量条件苛刻，测量系统复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有脉冲载波包络相位噪声测量方法，存在测量条件苛刻，测量系统复杂的问题，而提出一种基于光场诱导反射率调制的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置及测量方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的双孔透光片、凹面镜和介质片；

待测脉冲经双孔透光片后分成较强的第一脉冲和较弱的第二脉冲，第一脉冲作为调制脉冲；沿第二脉冲的光路上设置有双折射延迟片，经双折射延迟片透射后的第二脉冲形成两个同轴传输且具有不同延时的采样脉冲，分别为o光和e光；所述调制脉冲、o光和e光平行入射至凹面镜，经凹面镜反射后入射至介质片；所述调制脉冲用于改变介质片的极化率，进而改变介质片的折射率；

在o光和e光经介质片反射的光路上依次设有偏振器、透镜和能量探测器；o光和e光经偏振器在空间上分光，分光后入射至透镜聚焦，聚焦后入射至能量探测器，所述能量探测器用于观察o光和e光两个采样脉冲的能量变化，获得o光和e光功率峰值对应时刻反射率的调制。

进一步地，所述o光和e光的延迟差Δτ为：

Δτ＝T/4+n×T

其中，T为待测脉冲周期；n为负整数。

进一步地，所述调制脉冲、o光和e光入射方向与介质片表面法线夹角小于5°。

进一步地，双折射延迟片的光轴垂直于待测脉冲传播方向，且与采样脉冲偏振方向成45°夹角；

所述双折射延迟片的厚度根据波长以及材料的双折射特性选择。

进一步地，所述能量探测器为CCD相机或光电管；

所述偏振器为偏振片或偏振棱镜。

进一步地，所述介质片为熔石英片；所述偏振器为沃拉斯顿棱镜。

本发明还提供了一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量方法，基于上任一所述的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)、激光器发射的待测脉冲经过双孔透光片两个大小不同的小孔后分成较强的第一脉冲和较弱的第二脉冲，第一脉冲为调制脉冲；

步骤2)、将第二脉冲垂直入射至双折射延迟片，经双折射延迟片后形成两个不同延时的共线的采样脉冲，分别为o光和e光；

步骤3)、调制脉冲、o光和e光平行入射至凹面镜，经凹面镜反射后入射至介质片；o光和e光经偏振器在空间上分光，分光后入射至透镜聚焦，聚焦后入射至能量探测器；调制脉冲用于改变介质片的极化率，进而改变介质片的折射率；

步骤4)、利用能量探测器观测o光和e光的强度变化，获得o光和e光能量峰值对应时刻反射率的调制，进而获得o光和e光经过介质片后能量变化所测量的反射率；

步骤5)、改变待测脉冲的载波包络相位，重复步骤1)-步骤4)获得不同载波包络相位的待测脉冲在2π范围内多个对应的o光和e光的反射率，根据o光和e光的反射率的平均值及大小变化，得到在2π范围内待测脉冲载波包络相位变化值。

进一步地，步骤2)中，所述采样脉冲的偏振角度为45°；

选择双折射延迟片的厚度使得o光和e光的延迟差Δτ为：

Δτ＝T/4+n×T

其中，T为待测脉冲周期；n为负整数。

进一步地，步骤4)中，所述经过介质片后能量变化所测量的反射率的计算公式为：输出脉冲能量＝入射脉冲能量*反射率。

进一步地，步骤5)具体为：

在双孔透光片前放置辅助尖劈对，改变待测脉冲的载波包络相位，重复步骤1)-步骤4)获得不同载波包络相位的待测脉冲的反射率的调制，进而得到2π范围内多个对应o光和e光的反射率R1和R2，则待测脉冲载波包络相位角ψ满足：

R1-Ra1＝(Rmax1-Ra1)cos(ψ)

R2-Ra2＝(Rmax2-Ra2)sin(ψ)

其中，Ra1和Ra2分别为2π范围内R1和R2的平均值；Rmax1和Rmax2分别为2π范围内R1和R2的最大值；求解方程组即可得到待测脉冲载波包络相位。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提供的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，通过光场对介质反射率的调制获得载波包络相位的相对变化，没有需要相位匹配的非线性过程，且相对其他方法对于脉冲光强噪声更加不敏感。同时该方法基于全光学器件，系统搭建简易，且操作简单，测量精度高。

2、本发明提供的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量方法，利用延时相差n+1/4个光周期的双脉冲对待测光场所诱导的介质反射率调制进行单发采样，通过简单计算即可获得待测脉冲的载波包络相位变化。

附图说明

图1为本发明超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置实施例结构示意图；

图2为本发明实施例中双折射晶体形成不同延时的两个共线的采样脉冲原理示意图；

图3为本发明实施例中沃拉斯顿棱镜分离采样脉冲原理示意图；

图4为采用本发明实施例测量方法的得到的脉冲调制介质片的反射率曲线；其中，(a)光场与反射率随延时的变化曲线；(b)为相隔1/4个光周期的反射率调制曲线；

图5为本发明实施例中不同相位变化情况下反射率变化曲线。

附图标记：

1-双孔透光片，2-双折射延迟片，3-凹面镜，4-介质片，5-偏振器，6-透镜，7-能量探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置及测量方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置包括沿光路依次设置的双孔透光片1、凹面镜3和介质片4。

待测脉冲经过双孔透光片1上的两个大小不同的小孔，将待测脉冲分成一强一弱两个脉冲，较强的第一脉冲为调制脉冲，双折射延迟片2设置在较弱的第二脉冲的光路上，透射后第二脉冲形成两个不同延时的共线(同轴传输)的采样脉冲，分别为o光和e光(如图2所示)。双折射延迟片2的光轴垂直于待测脉冲传播方向，o光和e光的偏振态夹角为90°，共线的采样脉冲的偏振方向与双折射延迟片2的光轴成45°夹角。调制脉冲用于改变介质的极化率，进而改变介质折射率，导致界面的反射率变化。

o光和e光的延迟差Δτ为：

Δτ＝T/4+n×T

其中，T为待测脉冲周期；n为负整数。

在调制脉冲和采样脉冲经凹面镜3反射后接近正入射至介质片4(如熔石英片)，入射方向与介质片4表面法线夹角小于5°，经介质片4反射后，在采样脉冲的光路上依次设置偏振器5、透镜6和相机7。调制脉冲用于改变介质片4的极化率，进而改变介质片4的折射率。o光和e光经偏振器5在空间上分光(如图3所示)，分光后入射至透镜6聚焦，聚焦后入射至能量探测器，通过观察o光和e光两个采样脉冲的能量变化即可以获得这o光和e光功率峰值对应时刻反射率的调制。

偏振器5为偏振片或偏振棱镜，本实施例采用沃拉斯顿棱镜进行空间分光，能量探测器7为CCD相机或两个光电管。

利用上述超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：

1)、激光器发射的待测超短脉冲经过双孔透光片1两个大小不同的小孔分成较强的第一脉冲和较弱的第二脉冲，第一脉冲为调制脉冲；

2)、将在第二脉冲垂直入射至双折射延迟片2，经双折射延迟片2后形成两个不同延时的共线的采样脉冲，分别为o光和e光；

3)、调制脉冲、o光和e光平行入射至凹面镜3，经凹面镜3反射后正入射至介质片4；o光和e光经偏振器5在空间上分光，分光后入射至透镜6聚焦，聚焦后入射至能量探测器7；调制脉冲用于改变介质片4的极化率，进而改变介质片4的折射率；

4)、利用能量探测器7观察o光和e光两个采样脉冲的强度变化，获得o光和e光能量峰值对应时刻反射率的调制，进而获得o光和e光经过介质片(4)后能量变化所测量的反射率；

调制激光脉冲入射到介质片4上将能够把价带电子激发到导带，造成两个能带之间的耦合，导致介质片4极化特性的改变，进而改变介质片4的有效折射率，而介质片4折射率的改变也就造成了表面反射率的变化。在入射的脉冲的能量不变的情况下，观测到调制脉冲的能量变化，就可以得到介质片4反射率调制。(输出光的能量＝入射光能量*介质反射率)

5)、定义o光和e光两个采样脉冲所测量的反射率分别为R1和R2，根据R1和R2的平均值及大小变化，得到在2π范围内确定待测脉冲载波包络相位(CEP)变化值。

借助在双孔透光片1前放置辅助尖劈对，改变待测脉冲的载波包络相位，重复步骤1)-步骤4)获得不同载波包络相位的待测脉冲的反射率的调制，进而得到2π范围内多个对应o光和e光的反射率R1和R2，则待测脉冲载波包络相位角ψ满足：

R1-Ra1＝(Rmax1-Ra1)cos(ψ)

R2-Ra2＝(Rmax2-Ra2)sin(ψ)

其中，Ra1和Ra2分别为2π范围内R1和R2的平均值；Rmax1和Rmax2分别为2π范围内R1和R2的最大值；求解方程组即可得到待测脉冲载波包络相位。

研究表明激光脉冲入射到介质上将能够把价带电子激发到导带，并造成两个能带之间的耦合。这导致了介质极化特性的改变，进而改变有效折射率，而介质折射率的改变也就造成了表面反射率的变化。这种光场诱导的反射率调制是一种超快的可逆过程，与光场的积分呈正比，余弦光场的反射率调制如图4(a)所示，其调制周期与光场相同，仅仅相差π/2的相位。图4(b)显示了CEP＝ψ0、ψ0+π/2和ψ0+π三种光场CEP情况下的反射率调制曲线，可以看到通过测量反射率调制曲线的相位噪声就可以获得脉冲光场的相位噪声。

本实施例中，o光和e光两个采样脉冲所测量的反射率是间隔1/4个周期的值，分别为R1和R2，图5为不同相位变化情况下R1和R2的演化曲线，根据R1和R2的平均值及大小变化即能够在2π范围内确定待测脉冲相位变化值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的双孔透光片(1)、凹面镜(3)和介质片(4)；

待测脉冲经双孔透光片(1)后分成较强的第一脉冲和较弱的第二脉冲，第一脉冲作为调制脉冲；沿第二脉冲的光路上设置有双折射延迟片(2)，双折射延迟片(2)的光轴垂直于待测脉冲传播方向，且与采样脉冲偏振方向成45°夹角；所述双折射延迟片(2)的厚度根据波长以及材料的双折射特性选择；经双折射延迟片(2)透射后的第二脉冲形成两个同轴传输且具有不同延时的采样脉冲，分别为o光和e光；所述o光和e光的延迟差Δτ为：

Δτ＝T/4+n×T

其中，T为待测脉冲周期；n为负整数；

所述调制脉冲、o光和e光平行入射至凹面镜(3)，经凹面镜(3)反射后入射至介质片(4)；所述调制脉冲、o光和e光入射方向与介质片(4)表面法线夹角小于5°；所述调制脉冲用于改变介质片(4)的极化率，进而改变介质片(4)的折射率；

在o光和e光经介质片(4)反射的光路上依次设有偏振器(5)、透镜(6)和能量探测器(7)；o光和e光经偏振器(5)在空间上分光，分光后入射至透镜(6)聚焦，聚焦后入射至能量探测器(7)，所述能量探测器(7)用于观察o光和e光两个采样脉冲的能量变化，获得o光和e光功率峰值对应时刻反射率的调制。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，其特征在于：

所述能量探测器(7)为CCD相机或光电管；

所述偏振器(5)为偏振片或偏振棱镜。

3.根据权利要求2所述的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，其特征在于：

所述介质片(4)为熔石英片；所述偏振器(5)为沃拉斯顿棱镜。

4.一种超短脉冲载波包络相位噪声单发测量方法，基于权利要求1-3任一所述的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、激光器发射的待测脉冲经过双孔透光片(1)两个大小不同的小孔后分成较强的第一脉冲和较弱的第二脉冲，第一脉冲为调制脉冲；

步骤2)、将第二脉冲垂直入射至双折射延迟片(2)，经双折射延迟片(2)后形成两个不同延时的共线的采样脉冲，分别为o光和e光；所述采样脉冲的偏振角度为45°；选择双折射延迟片(2)的厚度使得o光和e光的延迟差Δτ为：

Δτ＝T/4+n×T

其中，T为待测脉冲周期；n为负整数；

步骤3)、调制脉冲、o光和e光平行入射至凹面镜(3)，经凹面镜(3)反射后入射至介质片(4)；o光和e光经偏振器(5)在空间上分光，分光后入射至透镜(6)聚焦，聚焦后入射至能量探测器(7)；调制脉冲用于改变介质片(4)的极化率，进而改变介质片(4)的折射率；

步骤4)、利用能量探测器(7)观测o光和e光的强度变化，获得o光和e光能量峰值对应时刻反射率的调制，进而获得o光和e光经过介质片(4)后能量变化所测量的反射率；

步骤5)、改变待测脉冲的载波包络相位，重复步骤1)-步骤4)获得不同载波包络相位的待测脉冲在2π范围内多个对应的o光和e光的反射率，根据o光和e光的反射率的平均值及大小变化，得到在2π范围内待测脉冲载波包络相位变化值。

5.根据权利要求4所述的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量方法，其特征在于：

步骤4)中，所述经过介质片(4)后能量变化所测量的反射率的计算公式为：输出脉冲能量＝入射脉冲能量*反射率。

6.根据权利要求5所述的超短脉冲载波包络相位噪声单发测量方法，其特征在于，步骤5)具体为：

在双孔透光片(1)前放置辅助尖劈对，改变待测脉冲的载波包络相位，重复步骤1)-步骤4)获得不同载波包络相位的待测脉冲的反射率的调制，进而得到2π范围内多个对应o光和e光的反射率R1和R2，则待测脉冲载波包络相位角ψ满足：

R1-Ra1＝(Rmax1-Ra1)cos(ψ)

R2-Ra2＝(Rmax2-Ra2)sin(ψ)

其中，Ra1和Ra2分别为2π范围内R1和R2的平均值；Rmax1和Rmax2分别为2π范围内R1和R2的最大值；求解方程组即可得到待测脉冲载波包络相位。