專利名稱：飛秒級超短光脈沖測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種超快領(lǐng)域中超短光脈沖的測量方法及裝置，目的是在各種超短光脈沖應(yīng)用中測量出包括幅值、脈寬和相位在內(nèi)的完整光脈沖信息參數(shù)。屬于超快現(xiàn)象中的光測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在超快過程的研究中，超快光源的研究和開發(fā)尤為重要，它是超快科學(xué)研究的基礎(chǔ)，特別是光脈沖的精確測量愈來愈顯得重要。自從脈沖激光器問世以來，脈沖的寬度變得越來越窄，由60年代中期的幾個納秒(1ns＝10-9s)逐步過渡到幾個飛秒(1fs＝10-15s)，如此短的脈沖寬度在超快物理和化學(xué)過程的研究、超高速通信等領(lǐng)域正起著不可替代的作用。特別近10年來，超短光脈沖技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在近紅外波段通過啁啾脈沖放大及壓縮，可獲得接近兩個光波振蕩周期的4-5fs光脈沖，德國的Max-Born研究所報道了利用超快分子相位調(diào)制技術(shù)可產(chǎn)生3.8fs的單脈沖。在超紫外光譜區(qū)，通過高階非線性光學(xué)過程即氣體高次諧波可以產(chǎn)生阿秒(1as＝10-18s)級脈沖。脈沖寬度為幾個光學(xué)周期時，脈沖光譜較寬且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，獲得光脈沖振幅和相位的時間與頻率演化，對于研究超短光脈沖產(chǎn)生的物理機(jī)制、以及對更短脈沖都非常重要。
目前，測量高速光脈沖的方法歸納起來可分為兩大類直接測量法和間接測量法。直接測量法利用快速光電效應(yīng)進(jìn)行測量，包括電光條紋相機(jī)、快速脈沖取樣等方法；間接測量法利用非線性光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行測量，包括二次諧波產(chǎn)生、頻率分辨光學(xué)門、光譜相位干涉直接電場重建等方法。但是當(dāng)脈寬低于1皮秒(1ps＝10-12s)時，直接測量的方法就不可能實現(xiàn)了，所以只有采用間接測量的方法，在間接測量方法中，現(xiàn)有的方法為二次諧波產(chǎn)生、頻率分辨光學(xué)門、光譜相位干涉直接電場重建等方法，以下介紹這三種方法二次諧波產(chǎn)生法(SHG)二次諧波產(chǎn)生法(SHG)都是通過測定光脈沖的二次自相關(guān)函數(shù)的脈寬來反推被測脈沖寬度的。SHG法原理如圖1所示，被測脈沖被分光鏡S等分為兩束，其中一束經(jīng)固定反射鏡M1直接反射，另一束被可動反射鏡M2反射，M2置于由可逆電機(jī)控制的可平移調(diào)整臺上，可前后移動改變兩束光之間的光程差從而改變它們的延遲時間。兩束光經(jīng)透鏡L聚焦共線入射到倍頻晶體磷酸二氫鉀(KDP)中，在滿足一定的位相匹配條件下，兩脈沖相互作用產(chǎn)生強(qiáng)的二次諧波，利用光電倍增管檢測M2不同位置時的倍頻光，就可以得到此脈沖的二次自相關(guān)函數(shù)。歸一化無背景二次自相關(guān)函數(shù)G2(τ)可表示為G2(τ)=∫-∞∞I(t)I(t-τ)dt/∫-∞∞I2(t)dt]]>式中I(t)為被測脈沖的光強(qiáng)；τ為兩脈沖相對延遲時間。由強(qiáng)度自相關(guān)函數(shù)理論可知，G2(τ)的半高全寬(FWHM)與被測脈沖的半高全寬成正比，比例系數(shù)只與被測脈沖形狀有關(guān)，為一常數(shù)。若被測脈沖形狀已知，則可得其脈寬。但是，SHG法還存在不足之處SHG法必須事先設(shè)定脈沖波形，但實際上被測光脈沖波形多是未知的，通過G2(τ)對脈沖波形進(jìn)行評價并不嚴(yán)格，僅是提供一個脈沖寬度的大概估計。由G2(τ)的定義可知，無論被測脈沖是否對稱，G2(τ)總是對稱的，故無法獲知脈沖波形和相位的有關(guān)信息；SHG法不能測量單個光脈沖，要求激光器輸出的多次脈沖很穩(wěn)定；非線性晶體的位相匹配條件限制了可測量光脈沖的范圍。例如，由于無法滿足非線性晶體所需的位相條件，且大多數(shù)晶體在紫外波段不透明，采用SHG法測量紫外波段脈沖有一定困難；光脈沖都有一定帶寬，而非線性晶體的有限相位匹配帶寬無法以相同的轉(zhuǎn)換效率將全部頻率分量轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致脈沖光譜畸變。為了減小由此帶來的測量誤差，晶體必須極薄。例如，當(dāng)測量10fs以下的脈沖時，非線性晶體的厚度應(yīng)小于25μm，使非線性晶體的效率降低，加工困難。
頻率分辨光學(xué)門(FROG)該技術(shù)包括硬、軟件兩部分產(chǎn)生被測光脈沖FROG圖形的實驗裝置和從FROG圖形中提取被測光脈沖強(qiáng)度和相位信息的相位迭代算法。其基本原理為將被測脈沖E(t)等分為兩個光脈沖，兩脈沖經(jīng)過不同光程后入射到一個具有瞬時響應(yīng)的非線性光學(xué)門中，實現(xiàn)對光脈沖的時間選通，得到的信號為Esig(t，τ)，F(xiàn)ROG相位迭代算法的目的就是確定出光脈沖的強(qiáng)度和相位信息，首先通過估計給E(t)設(shè)定一個初值，根據(jù)公式計算出信號Esig(t，τ)，對其求傅里葉變換得到頻域信號Esig(ω，τ)，然后用實驗測得的IFROG(ω，τ)(IFROG為光強(qiáng))代替信號Esig(ω，τ)的幅度得到新的Esig(ω，τ)，經(jīng)過逆傅里葉變換得到新的Esig(t，τ)，最后應(yīng)用一定的限定條件，由新的Esig(t，τ)計算出新的E(t)作為下一次迭代的初值。重復(fù)這個過程，直到FROG圖形誤差達(dá)到一個可以接受的值。然而，F(xiàn)ROG法也存在一些問題。例如，對于SHG FROG法，在低于10fs光脈沖的測量中，同SHG法一樣，受到非線性晶體有限相位匹配帶寬的限制。此外，由于FROG法測量裝置是由各種光學(xué)分立元件組成，脈沖延遲需要移動裝置，存在體積大、成本高，不利于設(shè)計出小型化的測試設(shè)備。因此它一般只用于實驗室中。
光譜相位干涉直接電場重建(SPIDER)在FROG之后，基于光譜錯位干涉(SSI)原理，人們又提出了一種新型的超短光脈沖測量方法—光譜相位干涉直接電場重建(SPIDER)。其原理如圖2所示，將被測脈沖復(fù)制為固定延遲值為τ的p1和p2兩個脈沖，分別與一強(qiáng)啁啾脈沖p3(由被測脈沖擴(kuò)展得到，其脈寬遠(yuǎn)大于τ)的不同準(zhǔn)單色頻率分量發(fā)生作用，然后在一非線性晶體χ(N)中發(fā)生上頻轉(zhuǎn)換，從而在兩個脈沖間形成頻率差δω，使用光譜儀檢測兩脈沖的干涉信號，結(jié)果可表示為S(ωc)＝|E(ωc)|2+|E(ωc+δω)|2+2|E(ωc)E(ωc+δω)|cos[φω(ωc+δω)-φω(ωc)+ωcτ]
其中S(ωc)為標(biāo)準(zhǔn)的光譜錯位干涉圖，其干涉條紋的間隔為2π/τ；E(ω)和ω(ω)分別表示被測脈沖電場和相位的頻域，ωc為光譜分析儀通帶中心頻率。脈沖的相位信息以相位差的形式包含在余弦項中，可通過一快速非迭代算法恢復(fù)出來。相位重建過程為首先對復(fù)制脈沖與啁啾脈沖產(chǎn)生的干涉圖進(jìn)行傅立葉逆變換得到其時域表示(由中心分別在-τ，0和τ附近的3個時間序列組成)。用濾波器濾掉-τ和0兩個時間序列后，對剩下的τ時間序列進(jìn)行傅里葉變換，變換結(jié)果的幅角即為光譜相位差φω(ωc+δω)-φω(ωc)+ωcτ；再測量兩個復(fù)制脈沖在無光譜錯位時的光譜干涉圖，消除相位差中的線性相位項ωcτ；最后對φω(ωc+δω)-φω(ωc)積分獲得被測脈沖的光譜相位，經(jīng)傅里葉逆變換后即可得到脈沖的時間相位。被測脈沖的強(qiáng)度可以通過測量頻譜得到。
上述光譜相位干涉直接電場重建原理是將被測脈沖復(fù)制成兩個固定時延為τ的脈沖，這兩個復(fù)制脈沖再分別與一強(qiáng)啁啾脈沖的不同分量在非線性晶片上發(fā)生上頻轉(zhuǎn)移效應(yīng)。由于被測脈沖被復(fù)制成兩個脈沖，在相位恢復(fù)過程中，線性項不能自動消除，在實時測量中容易造成延遲。
本發(fā)明把一個本地同頻率的零差脈沖和復(fù)制脈沖同時與一強(qiáng)啁啾脈沖發(fā)生兩次上頻轉(zhuǎn)換，把兩次發(fā)生的上頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的相位差經(jīng)過傅立葉變換得到原始脈沖的相位信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種能測量飛秒級光脈沖的測試儀器。該儀器能實現(xiàn)脈寬達(dá)到飛秒級超短光脈沖快速、實時的測量，此儀器在結(jié)構(gòu)上不需要移動的延遲設(shè)備，因此更利于設(shè)備集成化。在算法上快速簡便。
該儀器包括下列部件和步驟一、儀器的組成部件為(如圖3所示)(1)啁啾產(chǎn)生器16，光脈沖進(jìn)入啁啾產(chǎn)生器后會產(chǎn)生強(qiáng)啁啾脈沖；(2)分束器17，把光脈沖分為兩個部分，一部分成為本地振蕩的零差脈沖，另一部分成為復(fù)制脈沖；
(3)偏振控制器18，是控制待測脈沖的偏振方向而產(chǎn)生復(fù)制脈沖；(4)延遲控制器19，是由反射鏡1、2和透射反射鏡4構(gòu)成，把復(fù)制脈沖和零差脈沖之間的時間延遲量控制為一固定值τ(τ為時間量，單位為飛秒)；(5)反射鏡1、2、3、5、6、7、8、9、10，反射鏡表面鍍有不同的金屬膜，3、6為鍍金反射鏡，1、2、5、7、8、9、10為鍍銀反射鏡；(6)透射反射鏡4；(7)聚焦鏡11，把不共線的兩束光聚合到同一個平面上；(8)非線性晶片13，使通過它的光脈沖發(fā)生頻率上移效應(yīng)；(9)多通道分析儀14，接收、顯示光脈沖的自相關(guān)曲線；(10)微機(jī)15，接收和處理光脈沖自相關(guān)曲線，通過相位恢復(fù)算法計算出光脈沖的時域分布，顯示待測光脈沖的形狀。
二、儀器實現(xiàn)的步驟為(如圖3所示)(1)待測光脈沖在啁啾發(fā)生器16的入射表面被分為兩部分，第一部分光脈沖經(jīng)過折射入射到啁啾發(fā)生器的內(nèi)部，另一部分光脈沖經(jīng)過反射進(jìn)入分束器；(2)進(jìn)入啁啾發(fā)生器16的光脈沖在啁啾發(fā)生器中經(jīng)過脈沖展寬變?yōu)閺?qiáng)啁啾脈沖，并射向反射鏡10；(3)步驟(1)所述的進(jìn)入到分束器17的光脈沖被分為兩部分，一部分光脈沖進(jìn)入到偏振控制器18中，另一部分光脈沖進(jìn)入到延遲控制器19中；(4)步驟(3)所述的進(jìn)入到偏振控制器18中的光脈沖經(jīng)過偏振方向的控制變?yōu)閺?fù)制脈沖；(5)步驟(3)所述的進(jìn)入到延遲控制器19的光脈沖，經(jīng)過反射鏡1、2的反射后再經(jīng)過透射反射鏡4透射出去，成為零差脈沖；(6)步驟(4)所述的復(fù)制脈沖經(jīng)過反射鏡3的反射后，與步驟(5)中所述的零差脈沖共線向反射鏡6入射；(7)步驟(5)所述的零差脈沖和步驟(4)所述復(fù)制脈沖在時間上相差的延遲量為固定值τ；
(8)步驟(2)所述的強(qiáng)啁啾脈沖經(jīng)過反射鏡10、8、9、7、5的反射后入射到反射鏡6上；(9)步驟(2)所述的啁啾脈寬遠(yuǎn)大于步驟(7)所述的時間延遲量τ，在脈沖帶寬上滿足采樣定理；(10)反射鏡6將步驟(8)所述的強(qiáng)啁啾脈沖和步驟(6)所述的共線光束平行地反射到聚焦鏡11上；(11)聚焦鏡11把步驟(10)所述的兩平行光束匯聚到非線性晶片13上；(12)步驟(11)所述的兩束平行光匯聚到非線性晶片13的表面，在非線性晶片13的內(nèi)部發(fā)生如圖4所示的相位相干，其中黑長方體20代表強(qiáng)啁啾脈沖，粗黑線條R1、R2代表復(fù)制脈沖，虛黑線條H代表零差脈沖，圖4中左邊的圖形表示復(fù)制脈沖和零差脈沖第一次分別與強(qiáng)啁啾脈沖發(fā)生光譜相位相干，圖4中右邊的圖形代表復(fù)制脈沖和零差脈沖第二次分別與強(qiáng)啁啾脈沖發(fā)生光譜相位相干；(13)步驟(12)所述的復(fù)制脈沖和零差脈沖第一次分別與強(qiáng)啁啾脈沖作用得到的相位信息θ1為ψ(ω)-(ω-ω0)+ωτ；(14)步驟(12)所述的復(fù)制脈沖和零差脈沖第二次分別與強(qiáng)啁啾脈沖作用得到的相位信息θ2為ψ(ω)-(ω-ω0+Ω)+ωτ；(15)把步驟(13)和步驟(14)所述的兩次相位信息即θ1和θ2相減，就可以得到包括原始脈沖相位信息的代數(shù)項θ3θ3＝(ω-ω0+Ω)-(ω-ω0)；(16)步驟(12)所述的復(fù)制脈沖和零差脈沖的相干光束在非線性晶片13內(nèi)部發(fā)生上頻效應(yīng)；(17)步驟(2)所述的強(qiáng)啁啾脈沖的寬度足夠?qū)?，能讓?fù)制脈沖和零差脈沖按照步驟(12)所述那樣發(fā)生兩次上頻效應(yīng)；(18)步驟(14)所述的兩次光譜相干圖由多通道分析儀14接收并顯示；(19)多通道分析儀14把步驟(18)所述的兩次光譜相干圖信息傳入微機(jī)15中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算；(20)微機(jī)15把接收到的相干光譜信息，利用SPIDER算法把待測光脈沖的相位從相干光譜信息中恢復(fù)出來，并顯示出待測光脈沖的時域分布，從而得到完整的待測光脈沖形狀。
本儀器能實現(xiàn)對脈寬達(dá)到飛秒級超短光脈沖的快速實時測量，對非線性晶體的相位匹配帶寬和探測器的光譜響應(yīng)都不敏感，能測量小于10飛秒的光脈沖，不需要移動的延遲設(shè)備，因此更利于設(shè)備集成化，只需要一個復(fù)制脈沖，線性項ωτ能自動消除，不需要額外的消除步驟。具有很好的應(yīng)用前景。


圖1是二次諧波測量法的工作原理示意圖。
圖2是相位干涉直接電場重建(SPIDER)原理示意圖。
圖3是本發(fā)明的原理示意圖。
圖4是光譜相位相干示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是一種飛秒級超短光脈沖測試儀器。啁啾發(fā)生器16是采用普通硅玻璃制成的長方體，入射表面經(jīng)過拋光處理，啁啾發(fā)生器的材料和幾何尺寸直接關(guān)系到啁啾脈沖的寬度。待測的光脈沖首先入射到啁啾發(fā)生器16的表面，在16的表面同時發(fā)生折射和反射，于是待測光脈沖被分成兩部分，形成兩條光路，發(fā)生折射的一部分光脈沖進(jìn)入到16內(nèi)部并從另一端面射出到反射鏡10，發(fā)生反射的另一部分光脈沖入射到分束器17的表面。分束器17為半透半反射鏡，從16反射過來的光脈沖入射到17的表面并被分為兩部分，一部分光為反射光射向延遲控制器19，另一部分光為透射光射向偏振控制器18。延遲控制器19是由反射鏡1、2和透射反射鏡4構(gòu)成，反射鏡1、2由表面鍍銀的反射鏡構(gòu)成，反射鏡1、2都與17平行，從17反射過來的光脈沖束以45°角入射到1表面，然后在1表面發(fā)生反射而改變傳播方向以45°角入射到2的表面，然后經(jīng)過2表面的反射后以45°角入射到4的表面，4與2成90°角放置，4的表面鍍有透射反射膜，從2反射過來的光脈沖束能從4中透射出去射向6，該光脈沖就是零差脈沖。從17透射并射向偏振控制器18的光脈沖束入射到偏振控制器18中，經(jīng)偏振控制器后，傳播方向改變90°角，這束從偏振控制器出來的光脈沖束為復(fù)制脈沖，復(fù)制脈沖從偏振控制器18射到反射鏡3，反射鏡3與4平行，為消除色散的影響，在反射鏡3表面鍍一層金反射膜，復(fù)制脈沖經(jīng)過3的反射后以45°角入射到4的表面，復(fù)制脈沖在4的表面發(fā)生反射，傳播方向改變90°角。從4反射出來復(fù)制脈沖和從4透射出來的零差脈沖以相同的路徑以45°角射向反射鏡6，反射鏡6與3、4平行。復(fù)制脈沖和零差脈沖經(jīng)過6的反射后，射向聚焦鏡11。
對于待測脈沖入射到16表面經(jīng)折射而進(jìn)入到16內(nèi)部并從另一端面射出的光線，由于16的非線性極化作用，超短光脈沖在它內(nèi)部傳播會產(chǎn)生強(qiáng)啁啾脈沖。從16出來的強(qiáng)啁啾光脈沖以45°角入射到反射鏡10，經(jīng)10發(fā)生反射，傳播方向改變90°角，再以45°角入射到8，經(jīng)8反射，方向改變90°角，然后以45°角入射到9，經(jīng)9發(fā)生兩次反射，方向改變180°，以45°角入射到反射鏡7，經(jīng)反射鏡7反射，方向改變90°，以45°角入射到5并被反射，方向改變90°射向反射鏡6。其中反射鏡10、8、5相互平行，并與7垂直，9是由兩塊互相垂直的反射鏡組成，光束入射端的一塊與10、8、5相互平行，光束出射端的一塊與7平行。從5出來的強(qiáng)啁啾脈沖光束以45°角射向反射鏡6，反射鏡6與反射鏡5垂直。
從5射向反射鏡6的光線與從4射向反射鏡6的光線經(jīng)過6反射后相互平行，并都向聚焦鏡11入射。聚焦鏡11把入射到它表面的兩束光匯聚到非線性晶片13上。非線性晶片13是按照II類相位匹配來進(jìn)行角度切割和確定長、寬、高的尺寸。當(dāng)強(qiáng)啁啾脈沖和復(fù)制脈沖、零差脈沖進(jìn)入非線性晶片13后，由于強(qiáng)啁啾脈沖的脈寬相對于延遲τ足夠?qū)?，于是?fù)制脈沖和零差脈沖能先后與強(qiáng)啁啾脈沖中不同的分量分別發(fā)生兩次上頻移作用，如圖2所示。13中發(fā)生的光譜干涉圖及相干信息由多通道分析儀14接收，14是由光譜儀構(gòu)成，通過計算接收脈沖所需的時間來確定其響應(yīng)時間，根據(jù)光脈沖的波長等參數(shù)選擇匹配的光譜儀。多通道分析儀14把接收的信息傳輸?shù)轿C(jī)15中，15是通用的微型計算機(jī)，15利用相位恢復(fù)算法把兩次發(fā)生的上頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的相位差θ3經(jīng)過傅立葉變換得到原始脈沖的相位信息和超短光脈沖的時域分布，從而可以顯示完整的超短光脈沖形狀。本儀器便于集成化，實現(xiàn)了超短脈沖的實時測量，并對更短脈沖的研究具有很大的意義。
權(quán)利要求
1.一種超短光脈沖測量裝置，其特征在于該儀器包括有下列部件(1)啁啾產(chǎn)生器16；(2)分束器17；(3)偏振控制器18；(4)延遲控制器19，是由反射鏡1、2和透射反射鏡4構(gòu)成；(5)反射鏡1、2、3、5、6、7、8、9、10，反射鏡3、6表面為鍍金金屬膜，反射鏡1、2、5、7、8、9、10表面為鍍銀金屬膜；(6)聚焦鏡11；(7)非線性晶片13；(8)多通道分析儀14；(9)微機(jī)15。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于所述的部件(1)中的啁啾發(fā)生器，是由硅玻璃制成的長方體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于所述的部件(4)中的延遲控制器是非移動延遲控制器，把復(fù)制脈沖和零差脈沖之間的時間延遲量控制為一固定值τ(τ為時間量，單位為飛秒)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于所述的部件(7)中的非線性晶片由β-偏硼酸鋇(BBO)晶片構(gòu)成。其中的BBO晶片是按照II類相位匹配來進(jìn)行角度切割及幾何尺寸確定的。
5.一種超短光脈沖的測量方法，其特征在于在超短光脈沖測量中，該方法包括有下列步驟(1)待測光脈沖在啁啾發(fā)生器16的入射表面被分為兩部分，第一部分光脈沖經(jīng)過折射入射到啁啾發(fā)生器的內(nèi)部，另一部分光脈沖經(jīng)過反射進(jìn)入分束器；(2)進(jìn)入啁啾發(fā)生器16的光脈沖在啁啾發(fā)生器中經(jīng)過脈沖展寬變?yōu)閺?qiáng)啁啾脈沖，并射向反射鏡10；(3)步驟(1)所述的進(jìn)入到分束器1 7的光脈沖被分為兩部分，一部分光脈沖進(jìn)入到偏振控制器18中，另一部分光脈沖進(jìn)入到延遲控制器19中；(4)步驟(3)所述的進(jìn)入到偏振控制器1 8中的光脈沖經(jīng)過偏振方向的控制變?yōu)閺?fù)制脈沖；(5)步驟(3)所述的進(jìn)入到延遲控制器19的光脈沖，經(jīng)過反射鏡1、2的反射后再經(jīng)過透射反射鏡4透射出去，成為零差脈沖；(6)步驟(4)所述的復(fù)制脈沖經(jīng)過反射鏡3的反射后，與步驟(5)中所述的零差脈沖共線向反射鏡6入射；(7)步驟(5)所述的零差脈沖和步驟(4)所述復(fù)制脈沖在時間上相差的延遲量為固定值τ；(8)步驟(2)所述的強(qiáng)啁啾脈沖經(jīng)過反射鏡10、8、9、7、5的反射后入射到反射鏡6上；(9)步驟(2)所述的啁啾脈寬遠(yuǎn)大于步驟(7)所述的時間延遲量τ，在脈沖帶寬上滿足采樣定理；(10)反射鏡6將步驟(8)所述的強(qiáng)啁啾脈沖和步驟(6)所述的共線光束平行地反射到聚焦鏡11上；(11)聚焦鏡11把步驟(10)所述的兩平行光束匯聚到非線性晶片13上；(12)步驟(11)所述的兩束平行光匯聚到非線性晶片13的表面，在非線性晶片13的內(nèi)部發(fā)生的相位相干，其中黑長方體20代表強(qiáng)啁啾脈沖，粗黑線條R1、R2代表復(fù)制脈沖，虛黑線條H代表零差脈沖，左邊表示復(fù)制脈沖和零差脈沖第一次分別與強(qiáng)啁啾脈沖發(fā)生光譜相位相干，右邊代表復(fù)制脈沖和零差脈沖第二次分別與強(qiáng)啁啾脈沖發(fā)生光譜相位相干；(13)步驟(12)所述的復(fù)制脈沖和零差脈沖第一次分別與強(qiáng)啁啾脈沖作用得到的相位信息θ1為Ψ(ω)-(ω-ω0)+ωτ；(14)步驟(12)所述的復(fù)制脈沖和零差脈沖第二次分別與強(qiáng)啁啾脈沖作用得到的相位信息θ2為Ψ(ω)-(ω-ω0+Ω)+ωτ；用得到的相位信息θ2為Ψ(ω)-(ω-ω0+Ω)+ωτ；(15)把步驟(13)和步驟(14)所述的兩次相位信息即θ1和θ2相減，就可以得到包括原始脈沖相位信息的代數(shù)項θ3θ3＝(ω-ω0+Ω)-(ω-ω0)；(16)步驟(12)所述的復(fù)制脈沖和零差脈沖的相干光束在非線性晶片13內(nèi)部發(fā)生上頻效應(yīng)；(17)步驟(2)所述的強(qiáng)啁啾脈沖的寬度足夠?qū)?，能讓?fù)制脈沖和零差脈沖按照步驟(12)所述那樣發(fā)生兩次上頻效應(yīng)；(18)步驟(14)所述的兩次光譜相干圖由多通道分析儀14接收并顯示；(19)多通道分析儀14把步驟(18)所述的兩次光譜相干圖信息傳入微機(jī)15中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算；(20)微機(jī)15把接收到的相干光譜信息，利用SPIDER算法把待測光脈沖的相位從相干光譜信息中恢復(fù)出來，并顯示出待測光脈沖的時域分布，從而得到完整的待測光脈沖形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟(2)中16為硅玻璃長方體，它對超短光脈沖有很大非線形極化作用，使脈沖發(fā)生展寬，從而得到脈沖很寬的強(qiáng)啁啾脈沖；
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟(5)中的零差脈沖是經(jīng)過反射鏡1、2反射后再經(jīng)過透射反射鏡4透射出去，它與步驟(4)所述的復(fù)制脈沖之間存在光程差，從而使零差脈沖和復(fù)制脈沖之間的時間延遲量為τ；
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟(16)中所述的上頻效應(yīng)是利用非線性晶體的非線形效應(yīng)，使通過它的光脈沖在頻率上發(fā)生向上轉(zhuǎn)移；
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟(15)、(16)、(17)中是利用零差電場直接重建的原理得到原始脈沖相位信息的代數(shù)項θ3，其中是利用強(qiáng)啁啾脈沖的不同的頻率分量與零差脈沖和復(fù)制脈沖先后作用，產(chǎn)生不同的相干相位信息；
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟(20)中的相位恢復(fù)計算是利用快速相位恢復(fù)算法。
全文摘要
一種測量飛秒級光脈沖的測量方法及裝置。該裝置能實現(xiàn)對脈寬達(dá)到飛秒級超短光脈沖的快速實時測量，在結(jié)構(gòu)上不需要移動的延遲設(shè)備，有利于設(shè)備集成化；在算法上快速簡便。裝置能很好地解決超短光脈沖的測量，其原理是把一個本地同頻率的零差脈沖和復(fù)制脈沖同時與一強(qiáng)啁啾脈沖發(fā)生兩次上頻轉(zhuǎn)換，把兩次上頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的相位差經(jīng)過傅立葉變換得到原始脈沖的相位信息。裝置為超短光脈沖測量提供一種便于集成化和快速實時的測量工具，能夠測量脈寬低于10飛秒的光脈沖。有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01J11/00GK1554931SQ20031011291
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者萬江文, 凌堅 申請人:北京郵電大學(xué)