一种光谱相位干涉装置及超短光脉冲电场直接重构系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型适用于光电【技术领域】，提供了一种光谱相位干涉装置及超短光脉冲电场直接重构系统，所述光谱相位干涉装置包括和频晶体、第三分束器、第一相移机构、第二相移机构、光谱仪以及处理器，所述第一相移机构和第二相移机构分别具有使第一和频子脉冲与第二和频子脉冲或者使第三和频子脉冲与第四和频子脉冲间产生π或-π相移的第二波片和第三波片。其在现有SPIDER装置基础上引进二步相移技术，这样可以方便地获得两幅干涉条纹互补的光谱干涉图样，在数据处理上不再需要用时间窗滤去直流量，从而消除直流量与交流量的时间交叠对测量结果的影响，极大地提升了测量精度。因此，本光谱相位干涉装置广泛应用于各种超短光脉冲电场直接重构系统。
【专利说明】一种光谱相位干涉装置及超短光脉冲电场直接重构系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光电【技术领域】，尤其涉及一种光谱相位干涉装置及超短光脉冲电场直接重构系统。
【背景技术】
[0002]超短激光脉冲目前已广泛应用于物理、化学、材料、生物医学、国防、工业加工等各个领域。自八十年代末至今，人们对超短光脉冲的研究一直就没有停止过。其中包括更短、更强的超短脉冲的产生和放大技术、超短脉冲的诊断技术以及不断开拓各种新的应用领域。在各种超短脉冲测量技术中，自相关测量是一种最为常用的技术，其特点为简单、易用。但它只能近似地测量脉冲宽度而不能测量脉冲的形状和相位。频率分辨光快门技术能测量光脉冲的形状、宽度和相位，结构也相对简单，不过它复杂的数据处理限制了它的工作效率和实时诊断能力。利用传统的光谱剪切干涉的SPIDER技术也能测量光脉冲的宽度、形状和相位。它的优点是:测量在光谱域进行，不需快响应接收器；装置内不含任何移动元件，稳定可靠；递代算法简单，有利于高重复率实时检测。其不足之处为对于光谱形状比较复杂，或光谱较窄的超短脉冲，测量的精度就比较差。
实用新型内容
[0003]本实用新型实施例的目的在于提供一种用于超短光脉冲电场直接重构的光谱相位干涉装置，旨在提高现有光谱相位干涉装置测量精度。
[0004]本实用新型实施例是这样实现的，一种光谱相位干涉装置，包括:
[0005]用于获取啁啾脉冲及特性相同的第一待测子脉冲和第二待测子脉冲，并使所述啁啾脉冲分别作用于第一待测子脉冲和第二待测子脉冲，以产生第一和频脉冲和第二和频脉冲的和频晶体；
[0006]用于将所述第一和频脉冲分为第一和频子脉冲和第二和频子脉冲、所述第二和频脉冲分为第三和频子脉冲和第四和频子脉冲的第三分束器；
[0007]用于使所述第一和频子脉冲与第三和频子脉冲叠加，以产生第一光谱干涉图样的第一相移机构；
[0008]用于使所述第二和频子脉冲与第四和频子脉冲叠加，以产生第二光谱干涉图样的第二相移机构；
[0009]用于获取所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样的光谱仪；以及
[0010]用于对所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样进行处理，以获得所述第一待测子脉冲或第二待测子脉冲特性的处理器；
[0011]其中，所述第一相移机构和第二相移机构分别具有使第一和频子脉冲与第二和频子脉冲或者使第三和频子脉冲与第四和频子脉冲间产生或-JI相移的第二波片和第三波片。
[0012]本实用新型实施例的另一目的在于提供一种采用上述光谱相位干涉装置的超短光脉冲电场直接重构系统。
[0013]本实用新型实施例在现有SPIDER装置基础上引进ニ步相移技术，这样可以方便地获得两幅干涉条纹互补的光谱干涉图样，在数据处理上不再需要用时间窗滤去直流量，从而消除了直流量与交流量的时间交叠对测量结果的影响，从而提升了測量精度和测量范围。因此，本光谱相位干渉装置广泛应用于各种超短光脉冲电场直接重构系统，尤适用于测量光谱形状比较复杂或光谱较窄的超短脉冲时间/光谱特性。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1是本实用新型实施例一提供的光谱相位干渉装置的光路结构图；
[0015]图2是线偏振光通过半波片后，光束偏振面受到调制发生偏转的示意图；
[0016]图3是偏振无关的无色散光束分束器的结构示意图；
[0017]图4是本实用新型实施例ニ提供的光谱相位干渉装置的光路结构图；以及
[0018]图5是本实用新型实施例三提供的光谱相位干渉装置的光路结构图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一歩详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0020]本实用新型实施例在现有SPIDER装置基础上引进ニ步相移技术，这样可以方便地获得两幅干涉条纹互补的光谱干涉图样，在数据处理上不再需要用时间窗滤去直流量，从而消除了直流量与交流量的时间交叠对测量结果的影响，提升了測量精度。因此，本光谱相位干渉装置广泛应用于各种超短光脉冲电场直接重构系统，尤适用于测量光谱形状比较复杂或光谱较窄的超短脉冲时间/光谱特性。
[0021]下面列举若干实施例对本实用新型的实现进行详细描述。
[0022]实施例一
[0023]如图1所示，本实施例提供的光谱相位干渉装置包括:用于获取啁啾脉冲10及特性相同的第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12，并使所述啁啾脉冲I分别作用于第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12、以产生第一和频脉冲13和第二和频脉冲14的和频晶体5 ;用于将所述第一和频脉冲13分为第一和频子脉冲15和第二和频子脉冲16、所述第二和频脉冲14分为第三和频子脉冲17和第四和频子脉冲18的第三分束器3 ;用于使所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17叠加，以产生第一光谱干涉图样的第一相移机构；用于使所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18叠加，以产生第二光谱干涉图样的第二相移机构；用于获取所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样的光谱仪；以及用于对所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样进行处理，以获得所述第一待测子脉冲11或第二待测子脉冲12的特性的处理器19 ;其中，所述第一相移机构和第二相移机构分别具有使第ー和频子脉冲15与第二和频子脉冲16或者使第三和频子脉冲17与第四和频子脉冲18间产生n相移的第二波片22和第三波片23。这样可以方便地获得两幅干涉条纹互补的光谱干涉图样，在数据处理上不再需要用时间窗滤去直流量，从而消除了直流量与交流量的时间交叠对测量结果的影响，极大地提升了測量精度。因此，本光谱相位干渉装置广泛应用于各种超短光脉冲电场直接重构系统，尤适用于测量光谱形状比较复杂或光谱较窄的超短脉冲时间/光谱特性。
[0024]为获得所述啁啾脉冲10及特性相同的第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12，本光谱相位干涉装置还包括:用于接收待测脉冲20并使之分为反射脉冲24和透射脉冲25的第一分束器I ;用于对所述透射脉冲25进行展宽并使之成为啁啾脉冲10的色散器6 ;用于将所述反射脉冲24分为第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12的第二分束器2 ;以及用于调整所述啁啾脉冲10的偏振方向的第一波片21。其中，所述第一波片21使投射至其上的啁啾脉冲10的偏振方向旋转90°后出射。
[0025]本实施例主要用于单次脉冲测量，所述第一波片21、第二波片22和第三波片23均采用半波片。应当说明的是，半波片(相位延迟器)作为一种常用的偏振器件，它可以由多种人工或天然双折射晶体制成，常被用来改变入射光束的偏振态。半波片能够使得在其中传播的O光和e光产生一个的相对相移，它能够将入射的线偏振光的偏振面旋转一个特定的角度，在激光【技术领域】常被用来作为偏振控制器件。若一束线偏振光入射至半波片，光束偏振面与半波片的慢轴的夹角为0 (如45° )，经过该半波片调制后，光束偏振面将以半波片的慢轴为对称轴旋转2 (如90° )，如图2所示。在本实施例中，入射至所述第一波片21的啁啾脉冲光束偏振面与该波片慢轴的夹角为45°。所述第一和频子脉冲15与第二波片22慢轴的夹角为0°或90°，所述第二和频子脉冲16与第三波片23慢轴的夹角为90°或0°。
[0026]另外，本光谱相位干涉装置还可以进一步包括:用于调节所述第一待测子脉冲11与第二待测子脉冲12间的相对时间延迟的第一脉冲延时器31以及用于调节所述第一和频脉冲13与第二和频脉冲14间的相对时间延迟的第二脉冲延时器32。当所述待测脉冲20在10飞秒左右时，由用作所述第一分束器I的分束片将所述待测脉冲20分为两束，其中一束为反射脉冲24，另一束为透射脉冲25。所述透射脉冲25经所述色散器6被展宽为时间宽度在300飞秒至800飞秒间的啁啾脉冲10。所述反射脉冲24经所述第二分束器2被等分成两个脉冲，其中一个脉冲为第一待测子脉冲11，另一个为第二待测子脉冲12，两者宽度、形状和相位等特性相同。所述第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12与啁啾脉冲10 —起入射到非线性和频晶体5，产生第一和频脉冲13以及第二和频脉冲14。其中，所述非线性和频晶体5系厚度约为几十微米的P-BBO晶体，采用第二类相位匹配。和频过程中，所述啁啾脉冲10为e光，而所述第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12均为O光。
[0027]此处通过调节所述第一脉冲延时器31使第一和频脉冲13与第二和频脉冲14的中心波长相差约2.5纳米。这两个和频脉冲随后平行地投射至所述第三分束器3，各自被分成两束；即所述第一和频脉冲13经所述第三分束器3反射、透射后分为第一和频子脉冲15和第二和频子脉冲16 ;同样地，所述第二和频脉冲14经所述第三分束器3反射、透射后分为第三和频子脉冲17和第四和频子脉冲18。通常，所述第三分束器3优选为50:50的非偏振立方体分束器。其中，所述第一和频子脉冲15和第二和频子脉冲16分别经一 400纳米波长光的宽带半波片(即第二波片22和第三波片23)后进入第一光谱仪41和第二光谱仪42。而第三和频子脉冲17和第四和频子脉冲18则直接被第一光谱仪41和第二光谱仪42分别接收。此时，所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17叠加，产生第一光谱干涉图样；所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18叠加，产生第二光谱干涉图样。[0028]可通过所述第二脉冲延时器32调节所述第一和频脉冲13与第二和频脉冲14间的相对时间延迟，以使各光谱仪测得的光谱干涉环疏密适当。其中，所述第一光谱仪41和第二光谱仪42的光谱分辨率需足够高(例如0.02纳米)。另外，此处使透过所述第二波片22的和频子脉冲为O光，使透过所述第三波片23的和频子脉冲为e光；或者使透过所述第二波片22的和频子脉冲为e光，使透过所述第三波片23的和频子脉冲为O光。即若所述第一和频子脉冲15为O光，则所述第二和频子脉冲16为e光；若所述第三和频子脉冲17为O光，则所述第四和频子脉冲18为e光；若所述第一和频子脉冲15为e光，则所述第二和频子脉冲16为O光；若所述第三和频子脉冲17为e光，则所述第四和频子脉冲18为O光。[0029]假设所述第一光谱仪41测到的光谱干涉环为
[0030]D1= I Eia (w) 12+1 E2a ( o - Q ) 12+2 | Eia (w) E2a (o - Q ) | cos [ w x + iy (0)-?; (o-Q)]
(1)
[0031]其中E表示电场，T为所述第一和频脉冲13与第二和频脉冲14间的时间延迟，Q为所述第一和频脉冲13与第二和频脉冲14间的中心频率差，而V表示相位。相应地，所述第二光谱仪42测到的光谱干涉环可表示为
[0032]D2= I Eib (w) 12+1 E2b ( w - Q ) 12~2 | Eib (w) E2b (w - Q ) | cos [ w x + iy (0)-?; (o-Q)]
(2)
[0033]因所述第一和频脉冲13和第二和频脉冲14平行地入射至一 50:50的非偏振立方体分束器，故有
[0034]Ieib(CO) |2/|e1a(co) I2=Ie2b(CO) |2/|e2A(?) I2=I ⑶
[0035]实际上，非偏振立方体分束器的分束比可能略微偏离I。对此进行数值修正，于是可得下式结果
[0036]D「U D2=4 I Eib (w) E2b (w - Q ) | cos [ w x + iy (0)-?; (o-Q)] (4)
[0037]显然,修正系数y满足
[0038]u I Eib O) 12二 I Eia O) 12，u E2b (w - Q ) |2二 | E2a O) |2 (5)
[0039]于是可以直接从⑷式得到光谱剪切相位差。
[0040]本实施例中所述第一光谱仪41和第二光谱仪42为同型号同规格的光谱仪，以便具有相同的光谱响应特性和噪声特性等。这两光谱仪在时间上同步获取第一光谱干涉环和第二光谱干涉环上记录的数据，并存储到处理器19中由相应的数据处理软件进行处理。与现有的SPIDER装置比较，本实施例通过二步相移技术记录两幅光谱干涉环，使得在数据处理上能轻易消除现有装置中直流量对交流量时间截取的影响，这带来两个方面的好处:
[0041]I)当測量光谱形状复杂或光谱较窄(时间较宽)的超短脉冲时，可有效地避免直流量与交流量在时间域上的重叠。从而有效地拓宽可测量范围。
[0042]2)选取交流分量不再靠时间窗截取，而是靠两台同样性能的光谱仪测到的光谱干涉环的加权相减，有效地减少噪声的影响。
[0043]如果所述待测脉冲20为100飞秒左右的光脉冲，则可以通过调整所述色散器6使所述啁啾脉冲10的时间宽度为1.5皮秒左右，而所述第一分束器I采用50:50的宽度分束片即可。若所述待测脉冲20为光周期量级的超短脉冲，则所述第二分束器2可采用与偏振无关的无色散光束分束器，其系底角小于10°的等腰棱镜，并于两腰平面镀0度宽度高反膜，如图3所示。前述反射脉冲24垂直于等腰棱镜的底面投射至两腰平面即可将其分为第一待测子脉冲11和第二待测子脉冲12，沿垂直于所述反射脉冲24传输方向平移该等腰棱镜即可调节所述第一待测子脉冲11与第二待测子脉冲12的功率比，操作简便。
[0044]实施例二
[0045]如图4所示，与实施例一不同的是，本实施例提供的光谱相位干涉装置适用于多次脉冲测量，其还包括:用于使所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17同时透射/反射、而后叠加产生所述第一光谱干涉图样，所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18同时反射/透射、而后叠加产生所述第二光谱干涉图样的第四分束器4;用于使所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17、所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18分时进入所述第四分束器4的光学斩波器7。若所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17经所述第四分束器4同时透射，则所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18经所述第四分束器4同时反射；若所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17经所述第四分束器4同时反射，则所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18经所述第四分束器4同时透射，而这与所述第四分束器4的摆放位置相关。
[0046]其中，所述光谱仪40仅为一个，用于分时接收所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样。同样地，所述第四分束器优选为50:50的非偏振立方体分束器。应当理解，所述光谱仪40与光学斩波器7同步工作，以达更佳效果。另外，所述光学斩波器7位于第三分束器3与第四分束器4之间。在此省却了一台光谱仪，而同一光谱仪40对所接收到的不同光谱干涉环引入的噪声特性相同，更有利于提升测量精度。
[0047]实施例三
[0048]如图5所示，与实施例二不同的是，本实施例提供的光谱相位干涉装置还包括:用于使所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17沿原光路返回至所述第三分束器3，从所述第三分束器3透射/反射后叠加，以产生所述第一光谱干涉图样的第一反射镜51 ;用于使所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18沿原光路返回至所述第三分束器3，从所述第三分束器3反射/透射后叠加，以产生所述第二光谱干涉图样的第二反射镜52 ；以及用于使所述第一和频子脉冲15与第三和频子脉冲17、所述第二和频子脉冲16与第四和频子脉冲18分时投射至第一反射镜51、第二反射镜52的光学斩波器7。其中，所述光学斩波器7位于第三分束器3与第一反射镜51、第二反射镜52之间，且相互平行。当然，所述第二波片22和第三波片23均应为四分之一波片。在此省却了实施例二所述的第四分束器，结构简单，成本更低。
[0049]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种光谱相位干涉装置，其特征在于，包括: 用于获取啁啾脉冲及特性相同的第一待测子脉冲和第二待测子脉冲，并使所述啁啾脉冲分别作用于第一待测子脉冲和第二待测子脉冲，以产生第一和频脉冲和第二和频脉冲的和频晶体； 用于将所述第一和频脉冲分为第一和频子脉冲和第二和频子脉冲、所述第二和频脉冲分为第三和频子脉冲和第四和频子脉冲的第三分束器； 用于使所述第一和频子脉冲与第三和频子脉冲叠加，以产生第一光谱干涉图样的第一相移机构； 用于使所述第二和频子脉冲与第四和频子脉冲叠加，以产生第二光谱干涉图样的第二相移机构； 用于获取所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样的光谱仪；以及用于对所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样进行处理，以获得所述第一待测子脉冲或第二待测子脉冲的特性的处理器； 其中，所述第一相移机 构和第二相移机构分别具有使第一和频子脉冲与第二和频子脉冲或者使第三和频子脉冲与第四和频子脉冲间产生n或相移的第二波片和第三波片。
2.如权利要求1所述的光谱相位干涉装置，其特征在于，所述光谱相位干涉装置还包括: 用于接收待测脉冲并使之分为反射脉冲和透射脉冲的第一分束器； 用于对所述透射脉冲进行展宽并使之成为啁啾脉冲的色散器； 用于将所述反射脉冲分为第一待测子脉冲和第二待测子脉冲的第二分束器；以及 用于调整所述啁啾脉冲偏振方向的第一波片。
3.如权利要求2所述的光谱相位干涉装置，其特征在于，所述待测脉冲为单次脉冲时，所述第一波片、第二波片和第三波片均为半波片；所述光谱仪为两个，其型号、规格均相同，分别用于接收所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样。
4.如权利要求2所述的光谱相位干涉装置，其特征在于，所述待测脉冲为多次脉冲时，所述光谱相位干涉装置还包括: 用于使所述第一和频子脉冲与第三和频子脉冲同时透射/反射、而后叠加产生所述第一光谱干涉图样，所述第二和频子脉冲与第四和频子脉冲同时反射/透射、而后叠加产生所述第二光谱干涉图样的第四分束器；以及 用于使所述第一和频子脉冲与第三和频子脉冲、所述第二和频子脉冲与第四和频子脉冲分时进入所述第四分束器的光学斩波器； 其中所述光谱仪仅为一只，用于分时接收所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样；所述光学斩波器位于第三分束器与第四分束器之间；所述第一波片、第二波片和第三波片均为半波片。
5.如权利要求4所述的光谱相位干涉装置，其特征在于，所述第三分束器和第四分束器均为50:50的非偏振立方体分束器。
6.如权利要求2所述的光谱相位干涉装置，其特征在于，所述待测脉冲为多次脉冲时，所述光谱相位干涉装置还包括: 用于使所述第一和频子脉冲与第三和频子脉冲沿原光路返回至所述第三分束器，从所述第三分束器透射/反射后叠加，以产生所述第一光谱干涉图样的第一反射镜； 用于使所述第二和频子脉冲与第四和频子脉冲沿原光路返回至所述第三分束器，从所述第三分束器反射/透射后叠加，以产生所述第二光谱干涉图样的第二反射镜； 用于使所述第一和频子脉冲与第三和频子脉冲、所述第二和频子脉冲与第四和频子脉冲分时投射至第一反射镜、第二反射镜的光学斩波器； 其中，所述光谱仪仅为ー个，用于分时接收所述第一光谱干涉图样和第二光谱干涉图样；所述光学斩波器位于第三分束器与第一、第二反射镜之间，所述第一波片为半波片，第二波片和第三波片均为四分之一波片。
7.如权利要求1~6中任一项所述的光谱相位干渉装置，其特征在于，所述光谱相位干涉装置进ー步包括: 用于调节所述第一待测子脉冲与第二待测子脉冲间的相对时间延迟的第一脉冲延时器；以及 用于调节所述第一和频脉冲与第二和频脉冲间的相对时间延迟的第二脉冲延时器。
8.如权利要求7所述的光谱相位干渉装置，其特征在干，所述待测脉冲为光周期量级的超短脉冲时，所述第二分束器为与偏振无关的无色散光束分束器，其系底角小于10°的等腰棱镜，于两腰平面镀0度宽度高反膜；所述反射脉冲垂直于等腰棱镜的底面投射至两腰平面，以此进行分束。
9.如权利要求7所述的光谱相位干渉装置，其特征在于，入射至所述和频晶体的啁啾脉冲为e光，而所述第一待测子脉冲和第二待测子脉冲均为O光； 若透过所述第二波片的和频子脉冲为O光，则使透过所述第三波片的和频子脉冲为e光；或者若透过所述第二波片的和频子脉冲为e光，则使透过所述第三波片的和频子脉冲为O光。
10.一种超短光脉冲电场直接重构系统，其特征在于，所述超短光脉冲电场直接重构系统采用如权利要求1~9中任一项所述的光谱相位干渉装置。
【文档编号】G01J11/00GK203432688SQ201320353456
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2013年6月19日
【发明者】徐世祥, 马影坤, 蔡懿, 曾选科, 李景镇 申请人:深圳大学