基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置，其實(shí)質(zhì)是將入射的待測(cè)激光脈沖分成四束，其中的三束通過(guò)三階非線性介質(zhì)的瞬態(tài)光柵效應(yīng)產(chǎn)生自參考光，并與一定延遲衰減了的第四束即待測(cè)光在空間上重合并聚焦入光譜儀獲得自參考干涉光譜，通過(guò)測(cè)量干涉光譜、利用自參考光譜相干方法來(lái)計(jì)算飛秒激光脈沖形狀，激光光譜和光譜相位；本發(fā)明中采用凹面反射鏡和凸面反射鏡組成一個(gè)聚焦系統(tǒng)或者平面反射鏡和凹面反射鏡組成一個(gè)聚焦系統(tǒng)，這使裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定，整個(gè)裝置更微型化；不需光學(xué)偏振元件，可適用于光譜、脈寬分別在200-3000nm內(nèi)和10-300fs內(nèi)的飛秒激光光學(xué)系統(tǒng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛秒激光脈沖測(cè)量，特別是一種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè) 量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 飛秒激光隨著其在科研、生物、醫(yī)療、加工、通信、國(guó)防等領(lǐng)域的需要，得到了極其 迅速的發(fā)展。而飛秒激光脈沖形狀與脈沖寬度作為飛秒激光脈沖的重要光學(xué)參量，對(duì)它們 的測(cè)量或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)顯得十分必要。因此，尋找一種簡(jiǎn)單、方便、快速、有效的測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)的方法與裝置，對(duì)于推動(dòng)飛秒激光自身發(fā)展和拓展其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用有著極重大的作 用。
[0003] 目前，最廣泛使用的飛秒激光脈沖測(cè)量技術(shù)有：1.頻率分辨光柵法（Frequency Resolved Optical Gating, FROG) ;2·光譜相位相干直接電場(chǎng)重建法（Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction, SPIDER)。該兩種技術(shù)都 是基于自參考，并且通過(guò)非共線諧波產(chǎn)生方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛秒激光脈沖的單發(fā)測(cè)量。然 而，該兩種技術(shù)對(duì)于重建飛秒激光脈沖的算法并不直接，需要較長(zhǎng)的時(shí)間。在SPIDER技 術(shù)中，通常需要非線性晶體來(lái)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，由于非線性光學(xué)晶體的相位匹配條件， 這使得每臺(tái)測(cè)量?jī)x器只能適應(yīng)于特定的光譜范圍，從而限制了這些方法在寬光譜范圍 內(nèi)的應(yīng)用，并且這些系統(tǒng)與測(cè)量過(guò)程都較為復(fù)雜?；诮徊嫫癫ǎ╟ross-polarized wave, XPW)的自參考光譜干涉方法（self-referenced spectral interferometry, SRSI) 最近也被用來(lái)測(cè)量激光脈沖。在該方法中，僅需3次簡(jiǎn)單迭代計(jì)算就可以很快獲得待測(cè) 激光的光譜和相位，這是目前為止最為簡(jiǎn)單方便，并可進(jìn)行脈沖寬度單發(fā)測(cè)量的方法。然 而該方法需要光學(xué)偏振兀件。由于光學(xué)偏振兀件只對(duì)特定激光波長(zhǎng)有效，并且有一定的 光譜寬度，這樣也就限制了這一方法和儀器只能在特定光譜范圍內(nèi)應(yīng)用。偏振光學(xué)元件 的色散也使其對(duì)l〇fs以下短脈沖測(cè)量受到限制。在類(lèi)似的SRSI方法上，我們最近也提 出了兩種分別基于自衍射效應(yīng)[參見(jiàn)文獻(xiàn)1 :J. Liu, Y. L. Jiang, T. Kobayashi, R. X. Li, and Z. Z. Xu, "Self-referenced spectral interferometry based on self-diffraction effect, " J. Opt. Soc. Am. B29 (1) : 29-34 (2012);參見(jiàn)專(zhuān)利：申請(qǐng)?zhí)枺?01210267065. 3]和 瞬態(tài)光柵效應(yīng)[參見(jiàn)文獻(xiàn)2:11^11，？.11^，￥丄."&叩，（：.1^，￥.乂.1^叩，1'.1((* &7&8111，1?· X. Li, and Z.Z. Xu, ^Transient-grating self-referenced spectral interferometry for infrared femtosecond pulse characterization, "0pt. Lett. 37, 4829 (20l2);參見(jiàn)專(zhuān)利： 申請(qǐng)?zhí)枺?01210079324.x]的飛秒激光脈沖測(cè)量方法，該兩種方法不受色散的限制，但是此 二者在結(jié)構(gòu)上仍較為復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明給出一種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置。本發(fā)明采用望遠(yuǎn)鏡 或顯微物鏡光路結(jié)構(gòu)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)易，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理迅速，并且可以 適用于不同脈沖寬度和不同波長(zhǎng)范圍的飛秒激光脈沖寬度與脈沖形狀的測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 獲得的光譜相位可以反饋到相關(guān)的相位補(bǔ)償裝置，優(yōu)化飛秒激光脈沖的輸出。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0006] -種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括：第一凹 面反射鏡、凸面反射鏡、四小孔光闌板、可變中性衰減延時(shí)片、三階非線性光學(xué)介質(zhì)、小孔光 闌板、第二凹面反射鏡和高光譜精度的光譜儀。所述元部件位置關(guān)系如下 ：
[0007] 所述的第一凹面反射鏡中心具有一個(gè)小孔，所述的四小孔光闌板具有呈正方形分 布的四個(gè)小孔，所述第一凹面反射鏡和所述凸面反射鏡組成一個(gè)聚焦系統(tǒng)。待測(cè)飛秒激光 光束經(jīng)所述第一凹面反射鏡的小孔，并經(jīng)所述聚焦系統(tǒng)聚焦，在所述凸面反射鏡和所述聚 焦系統(tǒng)的焦點(diǎn)之間適當(dāng)位置放置所述四小孔光闌板，將所述聚焦光束分成四束分別稱(chēng)為第 一光束、第二光束、第三光束和第四光束，在所述的四小孔光闌板和所述的焦平面之間放置 所述的可變中性衰減延時(shí)片并對(duì)所述的第四光束進(jìn)行衰減并引入延時(shí)作為待測(cè)光，所述的 第一光束、第二光束和第三光束在空氣中自由傳播，并在所述焦平面處的所述三階非線性 光學(xué)介質(zhì)中，產(chǎn)生瞬態(tài)光柵效應(yīng)形成瞬態(tài)光柵信號(hào)光波作為參考光，所述待測(cè)光經(jīng)過(guò)所述 的三階非線性光學(xué)介質(zhì)后與所述的參考光在空間重合，兩束重合的激光脈沖一起依次經(jīng)過(guò) 所述的小孔光闌板和所述的第二凹面反射鏡反射后進(jìn)入所述的高光譜精度的光譜儀進(jìn)行 測(cè)量，獲得待測(cè)飛秒激光的自參考干涉光譜。
[0008] -種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括：四小孔 光闌板、可變中性衰減延時(shí)片、平面反射鏡，第一凹面反射鏡、三階非線性光學(xué)介質(zhì)、小孔光 闌板、第二凹面反射鏡和高光譜精度的光譜儀。所述元部件位置關(guān)系如下 ：
[0009] 所述的四小孔光闌板具有呈正方形分布的四個(gè)小孔，所述的第一凹面反射鏡中心 帶一個(gè)小孔，所述的平面反射鏡和第一凹面反射鏡組成一個(gè)聚焦系統(tǒng)。待測(cè)飛秒激光光束 經(jīng)所述四小孔光闌板后分成四束，分別稱(chēng)為第一光束、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統(tǒng)，聚焦入所述聚焦系統(tǒng)的焦平面處放置 的所述的三階非線性光學(xué)介質(zhì)，并在所述的三階非線性光學(xué)介質(zhì)中產(chǎn)生瞬態(tài)光柵效應(yīng)形成 瞬態(tài)光柵信號(hào)光波作為參考光，所述的第四光束經(jīng)所述的可變中性衰減延時(shí)片衰減并引入 延時(shí)后作為待測(cè)光，經(jīng)過(guò)所述聚焦系統(tǒng)，然后經(jīng)過(guò)所述的三階非線性光學(xué)介質(zhì)與所述參考 光在空間重合。兩束重合的激光脈沖一起依次經(jīng)過(guò)所述的小孔光闌板和所述的第二凹面反 射鏡反射后進(jìn)入所述的高光譜精度的光譜儀進(jìn)行測(cè)量，獲得待測(cè)飛秒激光的自參考干涉光 譜。
[0010] 本發(fā)明具有如下的顯著特點(diǎn)：
[0011] 1、本發(fā)明在第一種典型裝置中用了第一凹面反射鏡和凸面反射鏡組成一個(gè)聚焦 系統(tǒng)，在第二種典型裝置中用了平面反射鏡和第一凹面反射鏡組成一個(gè)聚焦系統(tǒng)，這使裝 置結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定，整個(gè)裝置更微型化；
[0012] 2、本發(fā)明中所使用的可變中性衰減延時(shí)片，在對(duì)待測(cè)光引入延時(shí)的同時(shí)，并對(duì)其 進(jìn)行強(qiáng)度衰減，用以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所得參考光與延遲的待測(cè)光之間的能量比，從而區(qū)分參考光 與待測(cè)光和保證干涉光譜的調(diào)制精確。
[0013] 3、本發(fā)明適用于光譜、脈寬分別在200-3000nm內(nèi)和10-300fs內(nèi)的飛秒激光光學(xué) 系統(tǒng)。另外，本發(fā)明同時(shí)適用于重復(fù)頻率為兆赫茲和單發(fā)飛秒激光脈沖的脈沖寬度與脈沖 形狀的測(cè)量，并可用于飛秒激光脈沖的實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得的光譜相位可以反饋到相關(guān)的相位 補(bǔ)償裝置，優(yōu)化飛秒激光脈沖的輸出。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1，圖2分別為本發(fā)明的兩個(gè)典型實(shí)例裝置光路圖。
[0015] 圖3是利用本發(fā)明實(shí)例裝置圖1測(cè)量800nm中心波長(zhǎng)40fs激光脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖， 分別給出了待測(cè)脈沖的光譜（虛線）、產(chǎn)生的瞬態(tài)光柵信號(hào)光譜（短劃線）、入射脈沖與瞬 態(tài)光柵信號(hào)的相干光譜（實(shí)線）。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 首先，利用基于透明介質(zhì)瞬態(tài)光柵效應(yīng)的光學(xué)模塊和高光譜精度的光譜儀獲得干 涉光譜信號(hào)。
[0017] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例裝置如圖1所示。光路主要包括：1為入射飛秒激光光束；2 為第一凹面反射鏡；3為凸面反射鏡；4為四小孔光闌板；5為可變中性衰減延時(shí)片；6為三 階非線性光學(xué)介質(zhì)，用以產(chǎn)生瞬態(tài)光柵效應(yīng)；7為小孔光闌板，用來(lái)透過(guò)信號(hào)光和擋住雜散 光；8為第二凹面反射鏡；9為高光譜精度的光譜儀，用來(lái)測(cè)量激光光譜與干涉光譜。
[0018] 在圖1所示的光路中，所述的第一凹面反射鏡2和所述的凸面反射鏡3組成一個(gè) 聚焦系統(tǒng)；所述的四小孔光闌板4有四個(gè)中心成正方形排列的口徑相等的小孔，用來(lái)選取 入射激光光斑上四個(gè)部分，形成相等口徑的四束激光。
[0019] 圖1實(shí)施例裝置的光路走勢(shì)如下：一束光斑足夠大的入射激光束1穿過(guò)所述的聚 焦系統(tǒng)（光路在所述聚焦系統(tǒng)的走勢(shì)為：所述的入射激光束1穿過(guò)所述的第一凹面反射鏡 2的中心小孔后，經(jīng)所述的凸面反射鏡3反射，再經(jīng)所述的凹面反射鏡2反射）后，經(jīng)過(guò)所述 的四小孔光闌板4,所述的四小孔光闌板4的四個(gè)小孔通過(guò)相等口徑的四束激光，分別稱(chēng)為 第一、第二、第三、第四光束，該四束激光位于正方形四個(gè)角，所述的第四光束透過(guò)一塊合適 厚度的所述可變中性衰減延時(shí)片5,得到衰減延時(shí)后的待測(cè)光，而所述的第一、第二、第三光 束在空氣中自由傳播，所述的待測(cè)光與在空氣中自由傳播的所述第一、第二、第三光束之間 具有一定的時(shí)間延遲。所述的第一、第二、第三光束在置于所述的聚焦系統(tǒng)焦平面處的所述 的三階非線性光學(xué)介質(zhì)6中由于瞬態(tài)光柵效應(yīng)，產(chǎn)生瞬態(tài)光柵信號(hào)光波作為參考光，所產(chǎn) 生參考光正好跟所述的待測(cè)光在空間上重合。利用小孔光闌板7選取參考光和待測(cè)光并擋 住雜散光，經(jīng)過(guò)第二凹面反射鏡8聚焦到高精度光譜儀9中，測(cè)得干涉光譜信號(hào)。
[0020] 在圖1實(shí)施例裝置中，第一凹面反射鏡2的中心小孔大小根據(jù)入射激光光斑大小 來(lái)定，通常入射光斑要比該小孔稍大。四小孔光闌板4的四個(gè)小孔大小和間距根據(jù)射向它 的光斑大小選取，以四個(gè)光斑互不影響，并且通過(guò)的能量最大為原則。第一凹面反射鏡2、凸 面反射鏡3和第二凹面反射鏡8的膜根據(jù)入射激光中心波長(zhǎng)不同可以鍍相應(yīng)的銀膜、金膜 和介質(zhì)高反膜。三階非線性介質(zhì)6材料的選擇需要對(duì)入射激光透明，并且三階非線性系數(shù) 要高。9為高光譜精度的光譜儀，可以提高測(cè)量精度。
[0021] 最后，通過(guò)將所得的干涉光譜信號(hào)進(jìn)行自參考光譜相干方法計(jì)算，得到待測(cè)飛秒 激光脈沖形狀，激光光譜和光譜相位。
[0022] 采用圖1所示的裝置，并結(jié)合上述【具體實(shí)施方式】，對(duì)飛秒激光脈沖進(jìn)行了測(cè)量。當(dāng) 入射的激光脈沖1為重復(fù)頻率ΙΚΗζ，中心波長(zhǎng)為800nm，脈沖能量為1. 7uJ時(shí)得到了圖3的 結(jié)果。當(dāng)然該入射激光脈沖條件不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置，特征在于其構(gòu)成包括：沿光束輸 入方向依次是第一凹面反射鏡（2)、凸面反射鏡（3)、四小孔光闌板（4)、可變中性衰減延時(shí) 片（5)、三階非線性光學(xué)介質(zhì)￠)、小孔光闌板（7)、第二凹面反射鏡（8)和高光譜精度的光 譜儀（9)，所述的第一凹面反射鏡（2)中心具有一個(gè)小孔，所述的四小孔光闌板（4)具有呈 正方形分布的四個(gè)小孔，所述第一凹面反射鏡（2)和所述凸面反射鏡（3)的反射面相對(duì)組 成一個(gè)聚焦系統(tǒng)，待測(cè)飛秒激光光束（1)依次經(jīng)過(guò)所述第一凹面反射鏡（2)的小孔、凸面反 射鏡（3)、第一凹面反射鏡（2)并被所述聚焦系統(tǒng)聚焦，在所述凸面反射鏡和所述聚焦系統(tǒng) 的焦平面之間放置所述的四小孔光闌板（4)，將所述聚焦光束分成四束分別稱(chēng)為第一光束、 第二光束、第三光束和第四光束，在所述的四小孔光闌板（4)和所述的焦平面之間在第四 光束的光路上放置所述的可變中性衰減延時(shí)片（5)，對(duì)所述的第四光束進(jìn)行衰減延時(shí)作為 待測(cè)光，所述的第一光束、第二光束和第三光束在空氣中自由傳播，并在所述焦平面處的所 述三階非線性光學(xué)介質(zhì)（6)中，產(chǎn)生瞬態(tài)光柵效應(yīng)形成瞬態(tài)光柵信號(hào)作為參考光，所述待 測(cè)光經(jīng)過(guò)所述的三階非線性光學(xué)介質(zhì)（6)后與所述的參考光在空間重合一起依次經(jīng)過(guò)所 述的小孔光闌板（7)和所述的第二凹面反射鏡反射（8)后進(jìn)入所述的高光譜精度的光譜儀 (9)進(jìn)行測(cè)量，獲得待測(cè)飛秒激光的自參考干涉光譜。
2. -種基于瞬態(tài)光柵效應(yīng)的飛秒激光脈沖測(cè)量裝置，特征在于其構(gòu)成包括：沿光束輸 入方向依次是四小孔光闌板（2)、可變中性衰減延時(shí)片（3)、平面反射鏡（4)，第一凹面反射 鏡（5)、三階非線性光學(xué)介質(zhì)￠)、小孔光闌板（7)、第二凹面反射鏡（8)和高光譜精度的光 譜儀（9)，所述的四小孔光闌板（2)具有呈正方形分布的四個(gè)小孔，所述的第一凹面反射鏡 (5)中心具有一個(gè)小孔，所述的平面反射鏡（4)和第一凹面反射鏡（5)的反射面相對(duì)組成 一個(gè)聚焦系統(tǒng)，待測(cè)飛秒激光光束（1)經(jīng)所述四小孔光闌板（2)后分成四束，分別稱(chēng)為第一 光束、第二光束、第三光束和第四光束，所述的四束光依次經(jīng)過(guò)第一凹面反射鏡（5)、平面反 射鏡（4)并穿過(guò)第一凹面反射鏡（5)中心的小孔，被所述聚焦系統(tǒng)聚焦入所述聚焦系統(tǒng)的 焦平面處放置的所述的三階非線性光學(xué)介質(zhì)￠)，并在所述的三階非線性光學(xué)介質(zhì)￠)中， 所述的第一光束、第二光束和第三光束產(chǎn)生瞬態(tài)光柵效應(yīng)形成瞬態(tài)光柵信號(hào)光波作為參考 光，所述的第四光束經(jīng)置于所述四小孔光闌板（2)和所述的平面反射鏡（4)之間的所述的 可變中性衰減延時(shí)片（3)衰減延時(shí)后作為待測(cè)光與所述參考光在空間重合一起依次經(jīng)過(guò) 所述的小孔光闌板（7)和所述的第二凹面反射鏡（8)反射后進(jìn)入所述的高光譜精度的光譜 儀（9)進(jìn)行測(cè)量，獲得待測(cè)飛秒激光的自參考干涉光譜。
【文檔編號(hào)】G01J9/02GK104121994SQ201410327593
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】劉軍, 申雄, 王鵬, 李方家 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所