專利名稱：飛秒激光脈沖形狀的測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及飛秒激光脈沖測量，特別是一種飛秒激光脈沖形狀的測量裝置。
背景技術：
隨著飛秒激光脈沖在科研、生物、醫(yī)療、加工、通信、國防等社會各個領域的應用的拓展與深入。飛秒激光器與相應飛秒激光技術的研究也迅速發(fā)展。飛秒激光的脈沖形狀與脈沖寬度是一個飛秒激光脈沖應用中的重要的光學參量，對它的測量或實時監(jiān)測在很多實驗和應用中十分必要。因此，一種結構簡單，實用和調節(jié)方便的激光脈沖寬度測量與實時監(jiān)測的裝置對于推動飛秒激光的應用非常重要。
最近，一種基于交叉偏振波(cross-polarized wave,簡稱XPW)[參見文獻 I A. Jullien, L. Canova, O. Albert, D. Boschetto, L. Antonucci, Y. H. Chaj J. P. Rousseau, P. Chaudetj G. Cheriauxj J. Etcheparej S. Kourtevj N. Minkovskij and S. M. Saltielj “Spectral broadening and pulse duration reduction during cross-polarized wave generation:1nfluence of the quadratic spectral phase，” Appl. Phys. B 87(4)，595-601 (2007)]用作參考光的自參考光譜干涉(self-referenced spectral interferometry,簡稱 SRSI)方法[參見文獻 2 :Τ· Oksenhendlerj S. Coudreauj N. Forget, V. Crozatierj S. Grabiellej R. Herzog, 0. Gobertj and D. Kaplan, “Self-referenced spectral interferometry, ” Appl. Phys. B 99(1 )，7-12 (2010).]被用來測量激光脈沖。在此方法中，僅僅需要3次簡單迭代計算就可以很快獲得測量激光的光譜和光譜相位。這是目前為止最為簡單方便并可以進行脈沖寬度單發(fā)測量的方法。然而，該方法需要光學偏振元件。由于偏振光學元件也只對特定激光波長有效，并且有一定的光譜帶寬，這樣也就限制了這一方法只能在特定光譜范圍內應用。 偏振光學元件的色散也使其對IOfs以下短脈沖測量的有限制。我們最近也提出一種基于自衍射效應的SRSI方法，這種方法不受色散限制，但是目前此方法結構有些復雜[參見文獻3 :J. Liu, Y. L. Jiang, T. Kobayashi, R. X. Li, and Ζ. Ζ. Xu, “Self-referenced spectral interferometry based on self-diffraction effect, ” J. Opt. Soc. Am. B 29(1) :29-34(2012)]。發(fā)明內容
本發(fā)明是一種基于透明介質中的瞬態(tài)光柵效應[參見文獻4 :J. Liu, K. Okamura, Y. Kida, and T. Kobayashi, “Femtosecond pulses cleaning by transient-grating process in Kerr-optical media,，，Chin. Opt. Lett. 9(5): 051903 (2011)]的自參考光譜干涉飛秒激光脈沖的實時測量方法，提供一種飛秒激光脈沖形狀的測量裝置。該裝置具有結構簡單實用，調節(jié)方便，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理迅速的特點，并且可以適應不同脈沖寬度和不同波長的飛秒激光脈沖寬度和脈沖形狀的測量和實時監(jiān)測。
本發(fā)明的技術解決方案如下 一種飛秒激光脈沖形狀的測量裝置，特點在于其構成包括沿待測飛秒激光脈沖光束前進方向依次的四小孔板、介質延遲片、部分區(qū)域鍍膜反射鏡、拋物面反射鏡、三階非線性介質片、小孔光闌、聚焦透鏡、凹面反射鏡和高精度光譜儀，該高精度光譜儀的輸出端接計算機的輸入端，所述的三階非線性介質片置于所述的拋物面反射鏡的焦點上，所述的待測飛秒激光脈沖光束經四小孔板后分成四束激光入射所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡，在所述的四小孔板和部分區(qū)域鍍膜反射鏡之間的四束激光中的一束激光的光路上設置所述的介質延遲片，經該介質延遲片的一束激光產生延時稱為延時光束，該延時光束入射在所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡的未鍍膜區(qū)域；其他三束未延時光束入射在所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡的鍍膜區(qū)域，延時光束和三束未延時光束經所述的拋物面反射鏡反射聚焦在所述的三階非線性介質片上，三束未延時光束產生瞬態(tài)光柵效應形成信號光束，該信號光束正好跟所述的延遲光束在一個方向上，利用小孔光闌選取所述的信號光束和所述的延遲光束，經過聚焦透鏡或者凹面反射鏡和平面高反射鏡聚焦到所述的高精度光譜儀中，該高精度光譜儀獲得的光譜輸入所述的計算機，經數(shù)據(jù)處理后顯示待測飛秒激光脈沖形狀。本發(fā)明具有以下顯著的特點
(a)本發(fā)明采用了瞬態(tài)光柵效應產生的瞬態(tài)光柵光波作為參考光，實驗證明瞬態(tài)光柵光波沒有空間啁啾和角色散，因此測量更加準確。瞬態(tài)光柵效應是自相位匹配過程和對稱結構，因此可以對從深紫外到中紅外超寬帶光譜范圍和周期量級到幾百飛秒的激光脈沖的測量。并且瞬態(tài)光柵效應需要的入射激光脈沖能量低，可以對納焦耳量級的振蕩器進行測量。(b)本發(fā)明裝置結構非常簡單，僅僅利用了幾個反射鏡，兩塊玻璃片就可以獲得信號光與待測激光的干涉光譜。(c)本發(fā)明采用自參考光譜方法(SRSI)來測量激光脈沖，SRSI方法中只需經過約三次的迭代計算就可以獲得待測激光脈沖的激光光譜、光譜相位、脈沖形狀和脈沖時域相位的信息，響應速度快。(d)與在先技術相比，本發(fā)明顯著地提高了飛秒激光脈沖測量的光譜和脈沖寬度的適應范圍、并且同時提高了計算速度，可以實時監(jiān)測激光脈沖形狀?？梢杂米黠w秒激光脈沖脈沖寬度的單發(fā)測量和實時監(jiān)測。(e)利用拋物面反射鏡來聚焦激光可以聚焦的更小，系統(tǒng)調節(jié)更加方便，并減少了激光入射角度的影響。(f)利用聚焦透鏡、凹面反射鏡或拋物面反射鏡來聚焦信號到光譜儀可以更加方便和聚焦到更小光斑，提高耦合效率。


圖1為本發(fā)明的一個典型實例裝置光路結構圖。圖2是利用本發(fā)明實例裝置圖1測量800 nm中心波長37 fs激光脈沖實驗結果圖。
具體實施方式
先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明的一個典型實例裝置光路結構圖。由圖可見，本發(fā)明 飛秒激光脈沖形狀的測量裝置，其構成包括沿待測的飛秒激光脈沖光束前進方向依次的四 小孔板2、介質延遲片3、部分區(qū)域鍍膜反射鏡4、拋物面反射鏡5、三階非線性介質片6、小孔 光闌7、聚焦透鏡8、凹面反射鏡9和高精度光譜儀10，該高精度光譜儀10的輸出端接計算 機11的輸入端，所述的三階非線性介質片6置于所述的拋物面反射鏡5的焦點上，所述的 待測飛秒激光脈沖光束經四小孔板2后分成四束激光入射所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡4， 在所述的四小孔板2和部分區(qū)域鍍膜反射鏡4之間的四束激光中的一束激光的光路上設置 所述的介質延遲片3，經該介質延遲片3的一束激光產生延時稱為延時光束，該延時光束入 射在所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡4的未鍍膜區(qū)域；其他三束未延時光束入射在所述的部分 區(qū)域鍍膜反射鏡4的鍍膜區(qū)域，四束激光反射后經所述的拋物面反射鏡5反射聚焦在所述 的三階非線性介質片6上，其中三束未延時光束產生瞬態(tài)光柵效應形成信號光束，該信號 光束正好跟所述的延遲光束在一個方向上，利用小孔光闌7選取所述的信號光束和所述的 延遲光束，經過聚焦透鏡或者凹面反射鏡8和平面高反射鏡9聚焦到所述的高精度光譜儀 10中，該高精度光譜儀10獲得的光譜輸入所述的計算機11，經數(shù)據(jù)處理后獲得待測的飛秒 激光脈沖形狀。
圖1測量裝置的光路走勢如下，一束光斑足夠大(直徑大于5 mm)的入射激光束I 經過小孔板2后，小孔板上的四個小孔透過相等口徑的四束激光，這四束激光位于正方形 四個角，也叫“盒子形狀(box)”。其中一束激光透過一塊合適厚度的玻璃片，而其它三束 激光在空氣自由傳播，這樣這束透過玻璃片的激光與其它三束激光之間具有一定的時間延 遲。然后，四束激光經過平面反射鏡4，其中延遲的那束激光經過未鍍膜的四分之一區(qū)域反 射，其它三束激光則經過鍍有高反膜的四分之三區(qū)域反射。經過反射鏡4的光以合適的角 度入射到拋物面反射鏡5上，并被它聚焦到介質玻璃片6上。其中三束未延時光束經過高 反射的激光在介質玻璃片6上產生瞬態(tài)光柵效應，其產生的信號光波正好跟延遲的那一束 待測光波在一個方向上。利用小孔光闌7選取信號光波和延遲的待測光波，經過聚焦透鏡 或者凹面反射鏡8和平面高反射鏡9聚焦到高精度光譜儀10中，結合計算機11測得光譜 信號。
在裝置結構中，小孔板2上的四個小孔大小和間距根據(jù)入射光斑大小來選取，以 四個光斑互不影響，并且通過能量最大為原則。玻璃片3材料的選取根據(jù)入射激光波長來 確定，以在激光波長帶寬范圍透明，色散小為原則。材料的厚度則跟入射激光帶寬和中心波 長有關，入射激光帶寬寬，脈沖寬度短，則玻璃材料要薄，具體根據(jù)后面測得的干涉光譜條 紋是否可以分辯和精度為原則。4與5的膜根據(jù)入射激光中心波長不同可以鍍銀膜和鋁膜 等。6的材料選擇需要對入射激光透明，三階非線性系數(shù)要高，并且厚度要合適。10為高光 譜精度的光譜儀，可以提高測量精度。
在SRSI測量中，被衰減和延遲的待測激光和產生的瞬態(tài)光波(之后叫參考光)空 間自動重合和共線并被聚焦進入一個高光譜精度的光譜儀。我們首先擋住待測激光利用高 精度光譜儀測得參考光的單獨光譜，接著我們放開待測激光并擋住三束入射激光的任何一 束，利用高精度光譜儀測得待測激光的單獨光譜，并且保存數(shù)據(jù)文件。通過調節(jié)入射激光小 孔大小或入射光能量，調節(jié)參考光的強度比待測激光強度強(通常是強3倍左右)，測得干涉 光譜，并保存數(shù)據(jù)。
通過改變插入的延時玻璃片的厚度，我們可以調節(jié)參考光與待測激光脈沖之間的延時，當時間延時τ合適，在光譜儀上可以明顯看見兩束光的光譜干涉條紋。增大延時可以提高光譜干涉條紋密度，從而提高光譜和光譜相位的測量精度，但是這樣需要更高精度光譜儀。這里，通常我們調節(jié)延時τ使得光譜干涉條紋間隔以配合光譜的光譜測量精度。測得的光譜干涉條紋，利用SRSI的計算方法[參見文獻3]，我們可以獲得待測激光光譜與光譜相位，激光脈沖形狀和脈沖寬度。采用如圖1所示的實驗裝置，對相干公司的商用飛秒激光脈沖進行了脈沖寬度測量。在具體實施光路中，待測的入射激光光束I的重復頻率為1kHz，中心波長為800 nm，光斑大小為8 mm，脈沖能量為3 uj。光束I通過小孔板2后分成四束激光，其中右下角的那一束經過一片O. 5 _厚的熔石英玻璃片3并入射到部分區(qū)域反射鏡4上的未鍍膜區(qū)域反射，其它三束則直接經過鍍銀膜區(qū)域反射。四束反射激光經過焦距為IOlmm的鍍銀膜的拋物面反射鏡5聚焦在一片500 um厚的熔石英材料上。三束較強激光在熔石英玻璃片上由于瞬時光柵效應在另外一束衰減和延時的光束的方向上產生了瞬時光柵光波。兩束重合激光經過小孔光闌7和聚焦透鏡8聚焦，再經過平面高反射鏡9反射進入高精度光譜儀10測量激光光譜和干涉激光光譜。圖2 (a)干涉光譜(細實線)為測得的800 nm激光的干涉光譜。利用測得的干涉光譜數(shù)據(jù)，采用SRSI方法中的計算流程，可以計算得到待測脈沖的激光光譜與光譜相位。圖2 (b)實線為光譜儀測得的待測激光光譜，點畫線為此方法得到的激光光譜相位。圖2(c)實線為光譜儀測得的待測激光的脈沖形狀，其對應脈沖寬度為37fs，點線為脈沖對應時域的相位。
權利要求
1.一種飛秒激光脈沖形狀的測量裝置，特征在于其構成包括沿待測的飛秒激光脈沖光束前進方向依次的四小孔板(2)、介質延遲片(3)、部分區(qū)域鍍膜反射鏡(4)、拋物面反射鏡(5)、三階非線性介質片(6)、小孔光闌(7)、聚焦透鏡(8)、凹面反射鏡(9)和高精度光譜儀(10)，該高精度光譜儀(10)的輸出端接計算機(11)的輸入端，所述的三階非線性介質片 (6)置于所述的拋物面反射鏡(5)的焦點上，所述的待測飛秒激光脈沖光束經四小孔板(2) 后分成四束激光入射所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡(4)，在所述的四小孔板(2)和部分區(qū)域鍍膜反射鏡(4)之間的四束激光中的一束激光的光路上設置所述的介質延遲片(3)，經該介質延遲片(3)的一束激光產生延時稱為延時光束，該延時光束入射在所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡(4)的未鍍膜區(qū)域；其他三束未延時光束入射在所述的部分區(qū)域鍍膜反射鏡(4) 的鍍膜區(qū)域，四束激光反射后經所述的拋物面反射鏡(5)反射聚焦在所述的三階非線性介質片(6 )上,其中三束未延時光束產生瞬態(tài)光柵效應形成信號光束，該信號光波正好跟所述的延遲光束在一個方向上，利用小孔光闌(7)選取所述的信號光束和所述的延遲光束，經過聚焦透鏡或者凹面反射鏡(8)和平面高反射鏡(9)聚焦到所述的高精度光譜儀(10)中，該高精度光譜儀(10)獲得的光譜輸入所述的計算機(11)，經數(shù)據(jù)處理后獲得待測的飛秒激光脈沖形狀。
全文摘要
一種飛秒激光脈沖形狀的測量裝置，構成包括沿待測飛秒激光脈沖光束前進方向依次的四小孔板、介質延遲片、部分區(qū)域鍍膜反射鏡、拋物面反射鏡、三階非線性介質片、小孔光闌、聚焦透鏡、凹面反射鏡和高精度光譜儀，該高精度光譜儀的輸出端接計算機的輸入端。本發(fā)明裝置具有結構簡單實用，調節(jié)方便，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理迅速的特點，并且可以適應不同脈沖寬度和不同波長的飛秒激光脈沖寬度和脈沖形狀的測量和實時監(jiān)測。
文檔編號G01J11/00GK102998006SQ20121044972
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權日2012年11月12日
發(fā)明者劉軍, 李方家, 劉奇福, 張素俠, 李儒新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所