本發(fā)明屬于超快光學技術領域，尤其涉及一種光譜相位干涉裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

超短脈沖激光技術在強場物理、飛秒化學、精密加工、生物醫(yī)學診斷等各個領域均已獲得了廣泛應用。在超短激光脈沖的各個領域應用技術，超短脈沖激光時間/光譜特性診斷都是至關重要的。

基于直接電場的光譜相位干涉(spider)技術是目前常用的超短脈沖激光診斷技術之一。該技術能夠測量光脈沖的寬度、形狀和相位，它的優(yōu)點是：測量在光譜域進行，不需快響應接收器；裝置內(nèi)不含任何移動元件，穩(wěn)定可靠；遞代算法簡單，有利于高重復率實時檢測。隨后，二步相移的spider裝置的出現(xiàn)從原理上提高了spider測量形狀比較復雜的光譜，或者是超短脈沖較窄的光譜裝置的能力和測量的精度。

目前，常規(guī)的spider裝置主要包括待測脈沖對產(chǎn)生器、脈沖色散器、光學脈沖和頻器和光譜儀等四部分。spider裝置中，脈沖對產(chǎn)生器和脈沖色散器的穩(wěn)定性是至關重要的，然而，常規(guī)的spider裝置往往系統(tǒng)構(gòu)造比較復雜，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和緊湊性較低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種光譜相位干涉裝置及系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的光譜相位干涉裝置的穩(wěn)定性和緊湊性低的問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種光譜相位干涉裝置，所述裝置包括：

分束器，用于將待測脈沖分離成反射脈沖和透射脈沖，其中，所述反射脈沖入射至脈沖延時器，所述透射脈沖入射至脈沖色散器；

所述脈沖色散器，用于將所述透射脈沖展寬成啁啾脈沖，所述啁啾脈沖入射至半波片；

所述半波片，用于調(diào)整所述啁啾脈沖的偏振方向，透過所述半波片的啁啾脈沖入射至偏振分束器；

所述脈沖延時器，用于使所述反射脈沖產(chǎn)生延時，已延時的反射脈沖入射至雙折射晶體；

所述雙折射晶體，用于使所述已延時的反射脈沖產(chǎn)生具有相對時間延遲的待測脈沖對，所述待測脈沖對入射至寬帶1/4波片；

所述寬帶1/4波片，用于調(diào)整所述待測脈沖對，以使所述待測脈沖對中，兩個子脈沖的相對相位之間產(chǎn)生π相位差，已產(chǎn)生π相位差的待測脈沖對入射至所述偏振分束器；

所述偏振分束器，用于將所述已產(chǎn)生π相位差的待測脈沖對以及透過所述半波片的啁啾脈沖同時入射至聚焦鏡；

所述聚焦鏡，用于將所述透過所述半波片的啁啾脈沖和所述已產(chǎn)生π相位差的待測脈沖對進行匯聚，匯聚后的脈沖入射至和頻脈沖產(chǎn)生器；

所述和頻脈沖產(chǎn)生器，用于對所述匯聚后的脈沖進行和頻轉(zhuǎn)換，以生成和頻脈沖對，所述和頻脈沖對入射至光譜儀；

所述光譜儀，用于記錄入射的所述和頻脈沖對產(chǎn)生的光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)。

進一步地，所述脈沖延遲器由兩個180°折反鏡組組成；每個所述180°折反鏡組包含兩個等腰直角棱鏡，所述等腰直角棱鏡的斜邊表面均鍍有45°高反膜；其中，每個所述180°折反鏡組中，其中一個等腰直角棱鏡的其中一個直角鄰面，與另一個等腰直角棱鏡的其中一個直角鄰面貼至于同一基準面上，且兩個等腰直角棱鏡的斜邊面相對。

進一步地，所述雙折射晶體的光軸方向與入射的所述已延時的反射脈沖的傳輸方向在同一平面上，且所述雙折射晶體的光軸方向與入射的所述已延時的反射脈沖的偏振方向成45度夾角，且所述雙折射晶體的入射面與出射面均鍍有增透膜。

進一步地，所述寬帶1/4波片為寬帶零階消色散波片，所述寬帶1/4波片的快慢軸方向與入射的所述待測脈沖對的傳輸方向成45度夾角。

進一步地，所述脈沖色散器由第一等腰直角棱鏡與第二等腰直角棱鏡組成，且所述第一等腰直角棱鏡與所述第二等腰直角棱鏡的斜邊面均鍍有寬帶增透膜。

進一步地，所述偏振分束器為薄膜分束片，所述偏振分束器的法線方向與入射的所述待測脈沖對的傳輸方向在同一平面上，且所述偏振分束器的法線方向與入射的所述待測脈沖對的偏振方向垂直。

進一步地，所述偏振分束器具體用于將所述待測脈沖對中的垂直偏振方向的子脈沖反射至所述聚焦鏡，及同時將透過所述半波片的啁啾脈沖透射至所述聚焦鏡。

進一步地，所述光譜儀，用于在所述寬帶1/4波片的快軸方向與入射的所述待測脈沖對的偏振方向成45度夾角時，記錄第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)；所述光譜儀，用于在所述寬帶1/4波片的快軸方向與入射的所述待測脈沖對的偏振方向成負45度夾角時，記錄第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供了一種包括上述光譜相位干涉裝置的光譜相位干涉系統(tǒng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有益效果在于：

本發(fā)明所提供的裝置或系統(tǒng)，所產(chǎn)生待測脈沖對的光學元件僅由一雙折射晶體組成，并且二步相移的調(diào)整也僅由一寬帶1/4波片完成，從而避免了現(xiàn)有的裝置中對脈沖展寬器、延時器、光學分束器以及反射鏡等光學元件的大量使用，因此大大簡化了整個裝置的結(jié)構(gòu)，同時具有更高的穩(wěn)定性和緊湊性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的光譜相位干涉裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的脈沖延遲器示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明第一實施例提供了一種光譜相位干涉裝置，該裝置包括如圖1所示的光學元件。其中，bs表示分束器，dl表示脈沖延時器，hw表示半波片，bqw表示寬帶1/4波片，bc表示雙折射晶體，pl表示偏振分束器，pd表示脈沖色散器，p1表示第一腰直角棱鏡，p2表示第二等腰直角棱鏡，l表示聚焦鏡，shg表示和頻脈沖產(chǎn)生器，sp表示光譜儀，m1\m2\m3\m4\m5\m6均表示反射鏡。

分束器bs，用于將待測脈沖分離成反射脈沖和透射脈沖，其中，所述反射脈沖入射至脈沖延時器dl，所述透射脈沖入射至脈沖色散器pd。

脈沖色散器pd，用于將所述透射脈沖展寬成啁啾脈沖，所述啁啾脈沖入射至半波片hw。脈沖色散器pd的工作原理是：對所述透射脈沖引入色散使得該透射脈沖變?yōu)檫泵}沖；同時對該透射脈沖的時間寬度進行展寬。

半波片hw，用于調(diào)整所述啁啾脈沖的偏振方向，透過所述半波片的啁啾脈沖入射至偏振分束器pl。在本實施例中，半波片hw通過旋轉(zhuǎn)入射的啁啾脈沖的偏振方向，使得該啁啾脈沖沿水平方向偏振。

脈沖延時器dl，用于使所述反射脈沖產(chǎn)生延時，已延時的反射脈沖入射至雙折射晶體bc。脈沖延時器dl的主要目的是為了調(diào)整分束器bs所出射的反射脈沖和透射脈沖分別到達和頻脈沖產(chǎn)生器shg之間的光程差。

雙折射晶體bc，用于使所述已延時的反射脈沖產(chǎn)生具有相對時間延遲的待測脈沖對，所述待測脈沖對入射至寬帶1/4波片bqw。其中，雙折射晶體bc主要是使其內(nèi)部傳輸?shù)钠匠９馀c非平常光之間產(chǎn)生時間延遲，從而產(chǎn)生具有相對時間延遲的待測脈沖對。

寬帶1/4波片bqw，用于調(diào)整所述待測脈沖對，以使所述待測脈沖對中，兩個子脈沖的相對相位之間產(chǎn)生π相位差，已產(chǎn)生π相位差的待測脈沖對入射至偏振分束器pl。在本實施例中，寬帶1/4波片bqw的快慢軸方向與雙折射晶體bc的快慢軸方向一致，主要用于改變從雙折射晶體bc出射的快光與慢光之間的π相移。

偏振分束器pl，用于將所述已產(chǎn)生π相位差的待測脈沖對以及透過所述半波片的啁啾脈沖同時入射至聚焦鏡l。

聚焦鏡l，用于將透過所述半波片的啁啾脈沖和所述已產(chǎn)生π相位差的待測脈沖對進行匯聚，匯聚后的脈沖入射至和頻脈沖產(chǎn)生器shg。

和頻脈沖產(chǎn)生器shg，用于對所述匯聚后的脈沖進行和頻轉(zhuǎn)換，以生成和頻脈沖對，所述和頻脈沖對入射至光譜儀sp。即：和頻脈沖產(chǎn)生器shg，用于對所述匯聚后的脈沖進行和頻轉(zhuǎn)換，以生成第一和頻脈沖與第二和頻脈沖，并將第一和頻脈沖與第二和頻脈沖入射至光譜儀sp。在本實施例中，該和頻脈沖產(chǎn)生器shg為非線性和頻晶體。

光譜儀sp，用于記錄入射的所述和頻脈沖對產(chǎn)生的光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)。即：光譜儀sp用于記錄入射的第一和頻脈沖與第二和頻脈沖之間的光譜干涉數(shù)據(jù)。

如圖2所示，脈沖延遲器dl由兩個180°折反鏡組組成；每個所述180°折反鏡組包含兩個等腰直角棱鏡，所述等腰直角棱鏡的斜邊表面均鍍有45°高反膜，且每個所述180°折反鏡組中，其中一個等腰直角棱鏡的其中一個直角鄰面，與另一個等腰直角棱鏡的其中一個直角鄰面貼至于同一基準面上，且兩個等腰直角棱鏡的斜邊面需相對。需要說明的是，本發(fā)明所提供的如圖2所示的脈沖遲器dl，不但具有使脈沖延時的作用，還具有同時實現(xiàn)光路多次折返的作用。因此，通過調(diào)節(jié)兩個180°折反鏡組其中一個180°折反鏡組，可在垂直于入射光方向平移量控制光折返次數(shù)，即該脈沖遲器dl能夠靈活控制光在其內(nèi)部多次折返的次數(shù)，從而使得該脈沖遲器dl的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時具有調(diào)整靈活的優(yōu)點。

其中，雙折射晶體bc的光軸方向與入射的所述已延時的反射脈沖的傳輸方向在同一平面上，且該雙折射晶體bc的光軸方向與入射的所述已延時的反射脈沖的偏振方向成45度夾角，且所述雙折射晶體bc的入射面與出射面均鍍有增透膜。

其中，寬帶1/4波片bqw為寬帶零階消色散波片，該寬帶1/4波片bqw的快慢軸方向與入射的所述待測脈沖對的傳輸方向成45度夾角。

其中，脈沖色散器pd由第一等腰直角棱鏡p1與第二等腰直角棱鏡p2組成，且第一等腰直角棱鏡p1與第二等腰直角棱鏡p2的斜邊面均鍍有寬帶增透膜。

其中，偏振分束器pl為薄膜分束片，偏振分束器pl的法線方向與入射的所述待測脈沖對的傳輸方向在同一平面上，且偏振分束器pl的法線方向與入射的所述待測脈沖對的偏振方向垂直。

另外，偏振分束器pl具體用于將所述待測脈沖對中的垂直偏振方向的子脈沖反射至聚焦鏡l，及將所述待測脈沖對中的平行偏振方向的子脈沖透射至聚焦鏡l，及同時將透過所述半波片的啁啾脈沖透射至聚焦鏡l。

其中，光譜儀sp，用于在調(diào)節(jié)所述寬帶1/4波片bqw，使所述寬帶1/4波片bqw的快軸方向與入射的所述待測脈沖對的偏振方向成45度夾角時，記錄第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)；光譜儀sp，用于在調(diào)節(jié)寬帶1/4波片bqw，使寬帶1/4波片bqw的快軸方向與入射的所述待測脈沖對的偏振方向成負45度夾角時，記錄第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)。光譜儀sp還用于將第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)、及第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)分別傳出到電腦終端進行處理。其中，光譜儀sp在記錄第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)時，需要調(diào)節(jié)寬帶1/4波片bqw，使bqw的快軸方向與入射光的偏振方向成45度夾角；然后，光譜儀sp在記錄第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)時，需要調(diào)節(jié)寬帶1/4波片bqw，使bqw的快軸方向再轉(zhuǎn)動90度，即使bqw的快軸方向與入射光的偏振方向成負45度夾角。

另外，需要說明的是，本發(fā)明實施例中還應用到了幾個如m1至m6所示的反射鏡，用于在該裝置中起到協(xié)作作用，從而使脈沖反射至相應位置，在這里不詳加贅述。

本實施例所提供的裝置在測量時，假設入射脈沖為p偏振，則半波片hw的快慢軸與其入射光的偏振方向水平或垂直即可。雙折射晶體的快慢軸與其入射光的偏振方向成約45°夾角，進而產(chǎn)生等強度的快光和慢光。調(diào)節(jié)寬帶1/4波片bqw，使它的快慢軸方向與從雙折射晶體出射的快光、慢光處于平行角度或垂直狀態(tài)時，光譜儀sp記錄第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)；然后90°旋轉(zhuǎn)寬帶1/4波片，光譜儀sp記錄第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)。

光譜儀sp測到的第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)d1的計算公式如下：

d1＝|e1(ω)|²+|e2(ω-ω)|²+2|e1(ω)e2(ω-ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-ω)]

其中，e表示電場，τ表示第一和頻脈沖與第二和頻脈沖之間的時間延遲，ω表示第一和頻脈沖與第二和頻脈沖之間的中心頻率差，ψ表示相位。

相應的，光譜儀sp測到的第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)d2的計算公式則如下：

d2＝|e1(ω)|²+|e2(ω-ω)|²-2|e1(ω)e2(ω-ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-ω)]

則通過兩次傅里葉變換可得到超短脈沖激光的時間(光譜)振幅和相位，計算公式如下：

d1-d2＝4|e1(ω)e2(ω-ω)|cos[ωτ+ψ(ω)-ψ(ω-ω)]

在本實施例的仿真實驗中，當待測脈沖在10飛秒左右時，分束器bs將該待測脈沖分為兩束，反射脈沖輸出至脈沖延時器dl，經(jīng)由dl輸出至雙折射晶體bc和寬帶1/4波片bqw。然后經(jīng)過一偏振分束片pl被聚焦鏡l聚焦到和頻脈沖產(chǎn)生器shg。而透射脈沖入射至脈沖色散器pd，被該脈沖色散器展寬為時間寬度約5皮秒的啁啾脈沖。該啁啾脈沖經(jīng)過一半波片hw后，被偏振分束片pl反射，然后被聚焦鏡l聚焦到和頻脈沖產(chǎn)生器shg。本實驗中，該和頻脈沖產(chǎn)生器shg為非線性和頻晶體，為一厚度約為幾十微米的β-bbo晶體，可以采用第一類相位匹配，也可采用第二類相位匹配。第一和頻脈沖和第二和頻脈沖的光譜形狀相似，但中心頻率偏移約2.5納米。最終，第一和頻脈沖和第二和頻脈沖被光譜儀sp接收。測量時，寬帶1/4波片bqw，使得其入射脈沖的偏振方向與bqw的快軸平行，光譜儀sp記錄第一光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)；然后90°轉(zhuǎn)動寬帶1/4波片bqw，光譜儀sp再記錄第二光譜干涉環(huán)數(shù)據(jù)。本實驗中，光譜儀sp為光纖光譜儀，光譜分辨率約為0.02納米。

綜上所述，本發(fā)明第一實施例所提供的裝置，所產(chǎn)生待測脈沖對的光學元件僅由一雙折射晶體組成，并且二步相移的調(diào)整也僅由一寬帶1/4波片完成。另外，產(chǎn)生啁啾脈沖的脈沖色散器也是由兩等腰直角棱鏡組成，結(jié)構(gòu)非常緊湊。從而避免了現(xiàn)有的裝置中對脈沖展寬器、延時器、光學分束器以及反射鏡等光學元件的大量使用，因此大大簡化了整個裝置的結(jié)構(gòu)，同時具有更高的穩(wěn)定性和緊湊性。

本發(fā)明第二實施例提供了一種光譜干涉測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括上述光譜相位干涉裝置內(nèi)所包含的所有元件，以及具有上述光譜相位干涉裝置所具有的功能，在此處不詳加贅述。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。