專利名稱：雙光路去噪聲載波-包絡(luò)相位測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超短激光脈沖，是一種用于超短激光脈沖載波—包絡(luò)相
位(Carrier-Envelope Phase,簡稱為CEP)抖動(dòng)的精確測量的雙光路去噪聲 載波一包絡(luò)相位測量裝置。
背景技術(shù)：
激光脈沖不斷向更短更強(qiáng)的方向發(fā)展，脈沖寬度已經(jīng)突破飛秒進(jìn)入 阿秒時(shí)代。但是，當(dāng)激光脈沖短到周期量級，電場載波和包絡(luò)的相位就 不能看作是一致的了。要獲得更有意義的單個(gè)阿秒脈沖，必須使種子激 光的CEP穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。
目前，國際上大多采用單光路的CEP測量裝置來對較大能量低重復(fù) 率激光脈沖進(jìn)行測量(參見在先技術(shù)[l]Masayuki Kakehata等， "Single-shot measurement of carrier-envelope phase changes by spectral interferometry",Optic Letters Vol,26,No.l8,1436-1438(2001))。它的方法是 超短脈沖射入光子晶體光纖(或白寶石)光譜展寬獲得超連續(xù)白光。倍 頻晶體對白光中的低頻成分倍頻，然后將倍頻光與白光的高頻成分進(jìn)行 干涉，得到帶有CEP信息的干涉條紋，用連接在電腦上的光譜儀記錄一 段時(shí)間內(nèi)的條紋信息，對條紋信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得到這段時(shí)間內(nèi) CEP的抖動(dòng)情況。具體光路圖參見圖2，入射光經(jīng)過凸透鏡14聚焦打在白 寶石15上，出射的展寬光經(jīng)過凸透鏡16準(zhǔn)直，依次射入偏硼酸鋇 (P-BaB20，以下簡稱為BBO)晶體17和格蘭棱鏡18，經(jīng)過倍頻和偏振 選擇完成干涉，最后打到光譜儀12的狹縫中，計(jì)算機(jī)13與光譜儀12相連， 對干涉條紋實(shí)時(shí)采集。它的光路設(shè)計(jì)簡單緊湊，在不考慮環(huán)境影響時(shí)， 引入的誤差較小。但是這種單光路測量技術(shù)的缺點(diǎn)在于
1、由于基頻成分和倍頻成分是在同一束光中，僅靠轉(zhuǎn)動(dòng)格蘭棱鏡調(diào) 節(jié)它們的相對強(qiáng)度，可調(diào)節(jié)的范圍小，調(diào)節(jié)難度大，相對倍頻成分和展 寬的成分往往太少，得到的干涉條紋不夠清晰。2、 這種測量方法對周圍環(huán)境的穩(wěn)定性要求很高，要求光學(xué)平臺、鏡 架非常穩(wěn)定，入射光強(qiáng)的抖動(dòng)也會(huì)引入測量誤差，給測量帶來困難。
3、 當(dāng)變換波長時(shí)，由于無法引入連續(xù)變化的光程差，這種單光路的 測量方法需要長時(shí)間的試驗(yàn)才能找到所需要的條紋。對于可調(diào)諧入射光
源，如我們所用的可調(diào)諧光參量放大(Optical Parametric Amplification, 簡稱為OPA)系統(tǒng)，這種方法的實(shí)用性很差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出 一種雙光路去噪聲載波一包絡(luò)相位測量裝置，該裝置應(yīng)具有干涉條紋清 晰、測量方便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種雙光路去噪聲載波—包絡(luò)相位測量裝置，特征是其構(gòu)成包括 沿待測激光束的前進(jìn)方向上依次是第一透鏡、白寶石片、第二透鏡和第 一分束片，該第一分束片將激光分為透射光束和反射光束，所述的透射 光束，經(jīng)延時(shí)器延時(shí)后被第二分束片反射；所述的反射光束由第一反射 鏡反射后經(jīng)第三透鏡、BBO晶體、第四透鏡，被第二反射鏡反射，透 過所述的第二分束片，與該第二分束片的反射光束合并成一束，射入光 譜儀的狹縫中，該光譜儀與計(jì)算機(jī)連接，所述的白寶石片位于第一透鏡 的焦點(diǎn)，所述的BBO晶體位于所述的第三透鏡的焦點(diǎn)后1厘米，所述 的第一分束片、第二分束片、第一反射鏡和第二反射鏡與射入的光束呈 45° 。
本發(fā)明的測量原理如下
采用雙光路測量方法，將展寬光分為兩束，其中一束的低頻成分倍 頻后與另一束的高頻成分干涉，通過轉(zhuǎn)動(dòng)倍頻晶體可以方便地調(diào)節(jié)兩路的相對光強(qiáng)從而得到比較清晰的干涉條紋。在連續(xù)變化波長的情況下， 通過調(diào)節(jié)延時(shí)器改變兩路光的光程差，能夠很快地找到的，節(jié)省了大量 時(shí)間。而且通過同時(shí)測量兩路展寬光的干涉條紋來消除光程抖動(dòng)引入的 誤差，在實(shí)驗(yàn)上取得了很好的效果。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明采用雙光路，與單光路載波一包絡(luò)相位測量裝置相比，它 可以方便的調(diào)節(jié)相對光強(qiáng)，從而得到清晰的干涉條紋，便于數(shù)據(jù)處理。
2、 本發(fā)明中兩束光的光程差可以由延時(shí)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便對不同波 長的激光進(jìn)行測量，更具有實(shí)用性和快捷性。
3、 本發(fā)明可以部分消除由于光強(qiáng)抖動(dòng)所引起的測量誤差，更具有準(zhǔn) 確性。
總之，本發(fā)明方具有干涉條紋清晰、測量便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明雙光路去噪聲載波一包絡(luò)相位測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為現(xiàn)有的單光路載波包絡(luò)一相位測量裝置示意圖。
圖3是利用本發(fā)明裝置對一可調(diào)諧OPA系統(tǒng)測得的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本 發(fā)明的保護(hù)范圍。
'先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明雙光路去噪聲載波一包絡(luò)相位測量裝 置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明雙光路去噪聲載波一包絡(luò)相位測量裝 置，其構(gòu)成包括沿待測激光束的前進(jìn)方向上依次是第一透鏡1、白寶 石片2、第二透鏡3和第一分束片4，該第一分束片4將激光分為透射光 束和反射光束，所述的透射光束，經(jīng)延時(shí)器5延時(shí)后被第二分束片11 反射；所述的反射光束由第一反射鏡6反射后經(jīng)第三透鏡7、 BBO晶體 8、第四透鏡9，被第二反射鏡10反射，透過所述的第二分束片11，與 該第二分束片11的反射光束合并成一束，射入光譜儀12的狹縫中，該光譜儀12與計(jì)算機(jī)13連接，所述的白寶石片2位于第一透鏡1的焦 點(diǎn)，所述的BB0晶體8位于所述的第三透鏡7的焦點(diǎn)后1厘米，所述的 第一分束片4、第二分束片11、第一反射鏡6和第二反射鏡10與射入 的光束呈45。。
所述的延時(shí)器5是由相互垂直的兩塊全反鏡放在移動(dòng)滑軌上和調(diào)節(jié) 螺桿而構(gòu)成。
現(xiàn)以待測的1600nm超短脈沖激光為例說明本發(fā)明裝置的工作原理。 待測的超短脈沖激光入射到第一透鏡1上被聚焦，焦點(diǎn)處的白寶石 2將激光的頻譜展寬。入射1600nm激光，展寬后的光譜范圍可達(dá)800_ 2000nm，我們稱之為白光，它是發(fā)散的，第二透鏡3對產(chǎn)生的白光進(jìn)行 準(zhǔn)直，經(jīng)第一分束片4分成透射和反射兩束光。透射光束經(jīng)過延時(shí)器5 反射到第二分束片11;所述的反射光束由第一反射鏡6反射到第三透鏡 7上，經(jīng)聚焦后射到BBO晶體8上，該BBO晶體8對白光的低頻成分 進(jìn)行倍頻，(例如，將1800nm的成分倍頻到900nm)，然后經(jīng)第四透鏡 9準(zhǔn)直，由第二反射鏡10反射到第二分束片11上。第二分束片11對經(jīng) 過倍頻的光束透射，對另一束反射，這樣兩束光再次合為一束光射入光 譜儀12的狹縫中。由于光程差的存在，兩束光會(huì)，生干涉。利用光譜儀 12，在900nm附近可以拍到兩種干涉條紋 一種是兩路展寬的白光在 950nm處的成分相互干涉，另一種是經(jīng)延時(shí)器5 —路的白光中900nm成 分與經(jīng)過倍頻一路由1800nm處倍頻而來的900nm的成分相互干涉。由 于以上兩種干涉的光程差不同，兩種干涉條紋的周期也不相同。 設(shè)入射激光的電場
五=^.(，) ， (1)
其中w為入射光(1600nm)的頻率，^為載波一包絡(luò)相位，^為 電場振幅，可以看作常數(shù)。
經(jīng)過白寶石展寬后，白光的電場變?yōu)?2)
五=爿/，e)，
^表示從800—2000nm的各種光的頻率。
若950nm處的頻率為^， 1800nm處的頻率為％ ，則900nm處的頻 率為2，A。設(shè)從白寶石2經(jīng)第一分束片4、延時(shí)器5到第二分束片11稱 為光路l，它的光程為A。從白寶石2依次經(jīng)第一分束片4、第一反射鏡 6、第三透鏡7、 BBO晶體8、第四透鏡9、第二反射鏡10到第二分束 片11稱為光路2，它的光程為丄2。那么，經(jīng)光路1和光路2在950nm處 的基頻光電場可以分別表示為
五2 = J2 6
干涉后的電場可以表示為:
五，=A 6
(3)
(4)
(5)
對于絕對穩(wěn)定的系統(tǒng)，A是一個(gè)恒量，它的變化代表了光路中的噪 聲信息。
經(jīng)光路l，在900nm處的白光電場可以表示為
E4 =』4 'g
(6)
經(jīng)光路2， 1800nm處的白光成分經(jīng)倍頻后的電場可以表示為: 五5 = 4 . e 〃 (7)
￡4和五5干涉后得到:
五6 = 4.e
(8)
上式中的指數(shù)項(xiàng)包含了我們最終需要的相位l，但另外的相位
2%仏-丄2)必須消掉。我們注意到(5)式中包含了類似的相位項(xiàng)。所以，由(5)和(8)兩式可以看出若得到兩者的相位，通過簡單的數(shù) 學(xué)計(jì)算可以很容易得出載波一包絡(luò)相位l.
在實(shí)驗(yàn)中，光譜儀12獲得的電場強(qiáng)度以數(shù)據(jù)形式保存在計(jì)算機(jī)中，
從數(shù)據(jù)中分別提取900nm和950nm的成分就得到了(5)、 (8)兩式所表述 的干涉電場強(qiáng)度^和^。
對(5)式取自然對數(shù)并取虛部，得 .
t，(VA)/c (9)
氣，表示噪聲的相位。 對(8)式取自然對數(shù)并取虛部，得
Oce&"* = 2 "2 '(A —丄2 ) / C + & (10)
。^,表示信號和噪聲的混合相位。
由式(9)和(10)我們得到?jīng)]有噪聲干擾的載波一包絡(luò)相位l.:
對某一時(shí)刻的干涉條紋進(jìn)行處理就可以獲得當(dāng)時(shí)的載波一包絡(luò)相位
值l。對一段時(shí)間內(nèi)的干涉條紋進(jìn)行采樣，就可以獲得這段時(shí)間內(nèi)CEP
值的變化情況，即獲得了載波一包絡(luò)相位的穩(wěn)定性。
綜上所述，本發(fā)明中利用分束片將展寬后的白光分成兩束，這樣可 以通過轉(zhuǎn)動(dòng)倍頻晶體調(diào)節(jié)兩路光的相對強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)延時(shí)器調(diào)節(jié)光程 差，從而得到更清晰的干涉條紋。值得注意的是，該裝置可以同時(shí)獲得
基頻光與倍頻光的干涉條紋(混雜了噪聲和CEP信息)和兩路基頻光的 干涉條紋(包含噪聲信息)，兩者同時(shí)處理可以凈化前者，得到CEP信 息，避免了光程抖動(dòng)和入射光強(qiáng)抖動(dòng)等噪聲的影響。
本發(fā)明裝置實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)如下
如圖2布置光路，第一透鏡l、第二透鏡3、第三透鏡7、第四透鏡 9都是焦距10cm的透鏡，白寶石2的厚度為2mm， BBO晶體8的厚度 為3mm，白寶石2放置在第一透鏡1的焦點(diǎn)上，BBO晶體8放在第三透鏡7的焦點(diǎn)之后約lcm。第一分束片4、第二分束片11及全反鏡均與 入射激光成45°放置。延時(shí)器5是由兩面全反鏡垂直放在移動(dòng)滑軌上而 構(gòu)成的，該延時(shí)器的第一面鏡子與第一分束片4平行放置。通過調(diào)節(jié)螺 桿帶動(dòng)延時(shí)器5沿光路移動(dòng)，可以改變通過該延時(shí)器5的激光光束的光 程。白寶石2和BBO晶體8都與激光束垂直放置。
圖3是我們在搭建的可調(diào)諧OPA系統(tǒng)上測得的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。橫坐 標(biāo)表示在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)采集的700個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示每點(diǎn)所表示的 時(shí)刻的相位，從上到下依次是混合相位抖動(dòng)均方根(一小時(shí)內(nèi)的均方根 (root mean square,以下簡稱為rms)， rms = 0.4763rad)，白光相位抖動(dòng) (rms=0.3322rad)，禾卩CEP抖動(dòng)(rms = 0.2299rad)。其中，混合相位抖 動(dòng)包含了 CEP抖動(dòng)和噪聲的混合信息，白光相位抖動(dòng)表示噪聲的信息， 經(jīng)過后者對前者的修正以后，得到了準(zhǔn)確的載波包絡(luò)一相位穩(wěn)定情況。 最終測得一小時(shí)內(nèi)CEP抖動(dòng)為rms = 0.2299rad。
權(quán)利要求
1、一種雙光路去噪聲載波-包絡(luò)相位測量裝置，特征是其構(gòu)成包括沿待測激光束的前進(jìn)方向上依次是第一透鏡(1)、白寶石片(2)、第二透鏡(3)和第一分束片(4)，該第一分束片(4)將激光分為透射光束和反射光束，所述的透射光束，經(jīng)延時(shí)器(5)延時(shí)后被第二分束片(11)反射；所述的反射光束由第一反射鏡(6)反射后經(jīng)第三透鏡(7)、BBO晶體(8)、第四透鏡(9)，被第二反射鏡(10)反射，透過所述的第二分束片(11)，與該第二分束片(11)的反射光束合并成一束，射入光譜儀(12)的狹縫中，該光譜儀(12)與計(jì)算機(jī)(13)連接，所述的白寶石片(2)位于第一透鏡(1)的焦點(diǎn)，所述的BBO晶體(8)位于所述的第三透鏡(7)的焦點(diǎn)后1厘米，所述的第一分束片(4)、第二分束片(11)、第一反射鏡(6)和第二反射鏡(10)與射入的光束呈45°。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙光路去噪聲載波一包絡(luò)相位測量裝置， 其特征在于所述的延時(shí)器(5)是由相互垂直的兩塊全反鏡放在移動(dòng)滑軌 上和調(diào)節(jié)螺桿而構(gòu)成。
全文摘要
一種雙光路去噪聲載波—包絡(luò)相位測量裝置，構(gòu)成包括沿待測激光束的前進(jìn)方向上依次是第一透鏡、白寶石片、第二透鏡和第一分束片，第一分束片將激光分為透射光束和反射光束，所述的透射光束，經(jīng)延時(shí)器延時(shí)后被第二分束片反射；所述的反射光束由第一反射鏡反射后經(jīng)第三透鏡、BBO晶體、第四透鏡，被第二反射鏡反射，透過所述的第二分束片，與該第二分束片的反射光束合并成一束射入光譜儀的狹縫中，該光譜儀與計(jì)算機(jī)連接，所述的白寶石片位于第一透鏡的焦點(diǎn)，所述的BBO晶體位于所述的第三透鏡的焦點(diǎn)后，所述的第一分束片、第二分束片、第一反射鏡和第二反射鏡與射入的光束呈45°。本發(fā)明具有干涉條紋清晰、測量方便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。
文檔編號G01J11/00GK101315301SQ20081003911
公開日2008年12月3日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月18日
發(fā)明者冷雨欣, 宋立偉, 張春梅, 徐至展, 李儒新, 李小芳, 王建良 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所