专利名称：基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞秒激光，特别是一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量方法和装置，更确切地说，是一种基于透明介质的瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲的自参考光谱干涉测量方法和装置，可适用于200-3000nm光谱范围内，脉冲宽度在10_300fs的飞秒光学系统。另外，本发明不仅可以适用于重复频率为兆赫兹的飞秒激光脉冲的测量，同时也适用于单发飞秒激光脉冲的脉冲宽度与脉冲形状的测量。
背景技术：
随着飞秒激光脉冲在科研、生物、医疗、加工、通信、国防等社会各个领域的应用的拓展与深入。飞秒激光器与相应飞秒激光技术的研究也迅速发展。目前，飞秒化学、飞秒非线性光学显微成像等化学与生物材料领域的重点与热点研究领域需要用到飞秒激光器与飞秒激光技术。阿秒激光脉冲产生、X射线激光、实验室天体物理、激光电子和质子加速等强场激光物理众多重要前沿科学基础研究与应用基础研究也都利用飞秒强激光脉冲作为研究工具。对比于纳秒和皮秒激光器，飞秒激光加工能够获得更加精细和光滑的表面形状，所以在飞秒激光微加工领域获得广泛应用。飞秒激光脉冲最近也被用来进行眼科晶状体的切割手术，大大地提高了手术的质量与安全性。在以上这些重要基础科学研究与应用中，飞秒激光的脉冲形状与脉冲宽度是一个重要的光学参量，对它的测量或实时监测在很多实验中十分必要。因此，一种简单方便有效的激光脉冲宽度测量与实时监测的方法与装置对于推动飞秒激光技术领域的发展与应用
非常重要。飞秒激光脉冲宽度测量伴随飞秒激光技术的发展也在不断发展。目前最为常用的方法包括自相关法[参见文献 I R. Trebino, Frequency-Resolved Optical Grating TheMeasurement of Ultrashort Laser Pulses, (Kluwer Academic Publishers)(2000)],频率分辨光栅(frequency-resolved optical gating,简称 FROG)法[参见文献 2 :R. Trebino, K. ff. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman,and D. J. Kane, “Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequencydomain using frequency-resolved optical gating,，，Rev. Sci. Instrum. 68 (9),3277-3295 (1997)]和光谱相位相干直接电场重建(spectral phase interferometryfor direct electric-f ield reconstruction,简称 SPIDER)法[参见文献 3 :C. Iaconisand I. A. Walmsley, “Spectral phase interferometry for direct electric-fieldreconstruction of ultrashort optical pulses,，，Opt. Lett. 23 (10)，792-794 (1998) ]。自相关方法的原理和结构简单却不能获得飞秒激光脉冲的相位信息。FROG和SPIDER方法可以获得脉冲相位。但是，FROG与SPIDER方法通常需要较长时间重建脉冲。在SPIDER方 法中，通常需要非线性光学晶体来转换产生测量信号。由于非线性光学晶体的相位匹配条件，这使得每台测量仪器只能适应于特定的光谱范围，从而限制了这些方法在宽频谱范围内的应用。并且这些系统与测量过程都复杂。
最近，一种基于交叉偏振波(cross-polarized wave,简称XPW)[参见文献4 :A. Jullien, L. Canova, 0. Albert, D.Boschetto, L. Antonucci, Y. H. Cha, J. P. Rousseau,P. Chaudet, G. Cheriaux, J. Etchepare, S. Kourtev, N. Minkovski, and S. M. Saltiel,“Spectral broadening and pulse duration reduction during cross-polarizedwave generation :influence of the quadratic spectral phase,，，Appl. Phys. B87(4),595-601(2007)]用作参考光的自参考光谱干涉方法(self-referenced spectralinterferometry,简称 SRSI)[参见文献 5 :T. Oksenhendler, S. Coudreau, N. Forget,V. Crozatier, S.GrabielIe, R.Herzog, 0.Gobert, and D.Kaplan,“Self-referencedspectral interferometry, ”Appl. Phys. B 99 (I), 7-12 (2010) ]被用来测量激光脉冲。在此方法中，仅仅需要3次简单迭代计算就可以很快获得测量激光的光谱和光谱相位。这是目前为止最为简单方便，并可以进行脉冲宽度单发测量的方法。然而，此方法需要光学偏振元件。由于偏振光学元件也只对特定激光波长有效，并且有一定的光谱带宽，这样也就限制了这一方法和仪器只能在特定光谱范围内应用。偏振光学元件的色散也使其对IOfs以下短脉冲测量的有限制。我们最近也提出一种基于自衍射效应的SRSI方法，这种方法不受色散限制，但是目前此方法结构有些复杂[参见文献6 J. Liu, Y. L. Jiang, T.Kobayashi, R. X. Li, and Z. Z. Xu, “Self-referenced spectral interferometry basedon self-diffraction effect, ” J. Opt. Soc. Am. B 29(1) :29-34 (2012)]。

发明内容
本发明提出一种基于透明介质的瞬态光栅效应[参见文献7 J. Liu, K. Okamura,Y.Kida, and T. Kobayashi, “Femtosecond pulses cleaning by transient-gratingprocess in Kerr-optical media, ^Chin. Opt. Lett. 9 (5) :051903 (2011)]的自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的测量方法，一种非常实用的飞秒激光脉冲形状的实时测量装置。本发明装置简单，调节方便，数据采集与数据处理迅速，并且可以适应不同脉冲宽度和不同波长的飞秒激光脉冲宽度与脉冲形状的测量与实时监测。本发明的技术解决方案如下一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲的自参考光谱干涉测量方法，特点在于该方法包括下列步骤①采用飞秒激光脉冲通过三阶非线性介质产生的瞬态光栅，获得飞秒激光脉冲的自参考光；②通过高光谱精度的光谱仪对飞秒激光脉冲及其自参考光的进行自参考光谱干涉测量获得光谱干涉条纹D(G)，X)；③对所述的光谱干涉条纹D( ，X)利用自参考光谱相干方法反演计算获得激光光谱和光谱相位，从而可以测量激光脉冲宽度与脉冲形状。第一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特点在于其构成包括四小孔光阑板、延时片、平面反射镜、第一凹面反射镜、三阶非线性光学介质、小孔光阑、第二凹面高反射镜和高光谱精度的光谱仪，所述的元部件的位置关系如下所述的四小孔光阑板具有呈正方形分布的四个小孔，所述的平面反射镜的第一、第二、第三象限区域镀高反膜，第四象限未镀膜，所述的待测飞秒激光光束经所述的四小孔光阑板后分为四束光束并分别称为第一、第二、第三和第四光束，所述的第一、第二、第三光束直接达到所述的平面反射镜第一、第二、第三象限区域，第四光束经所述的延时片延时后达到所述的平面反射镜的第四象限区域，所述的平面反射镜与入射光束成一定角度设置，在所述的平面反射镜的反射光束方向设置第一凹面反射镜，在第一凹面反射镜的焦点位置设置所述的三阶非线性光学介质，所述的第一、第二、第三光束在所述的三阶非线性光学介质产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波，所述的第四光束经所述的三阶非线性光学介质与所述的瞬态光栅信号光波在空间重合并且依次经所述的小孔光阑、所述的第二凹面高反射镜反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪进行光谱测量获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。所述的延时片为透明玻璃介质，所述的平面反射镜为四分之三区域部分镀高反 射膜的反射镜。第二种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特点在于其构成包括四小孔光阑板、延时片、平面反射镜、三阶非线性光学介质、小孔光阑、第二凹面高反射镜和高光谱精度的光谱仪和薄透镜，上述元部件的位置关系如下所述的四小孔光阑板具有呈正方形分布的四个小孔，所述的平面反射镜的第一、第二、第三象限区域镀高反膜，第四象限未镀膜，该平面反射镜与入射光束成一定角度设置，在所述的四小孔光阑板和所述的平面反射镜之间设置所述的薄透镜，待测飞秒激光光束经所述的四小孔光阑板后分为四束光束并分别称为第一、第二、第三和第四光束，所述的第一、第二、第三光束经所述的薄透镜和所述的平面反射镜的第一、第二、第三象限区域反射后汇集在位于所述的薄透镜的焦平面的三阶非线性光学介质中，所述的第一、第二、第三光束在所述的三阶非线性光学介质中产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波，第四光束经所述的延时片延时后再经所述的薄透镜和所述的平面反射镜的第四象限区域反射，经所述的三阶非线性光学介质后与所述的瞬态光栅信号光波在空间重合。两束重合的激光一起再依次经所述的小孔光阑、所述的第二凹面高反射镜反射进入所述的高光谱精度的光谱仪进行测量获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。第三种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括四小孔光阑板、延时片、凹面反射镜、三阶非线性光学介质、小孔光阑、第二凹面高反射镜和高光谱精度的光谱仪，所述的元部件的位置关系如下所述的四小孔光阑板具有呈正方形分布的四个小孔，所述的凹面反射镜的第一、第二、第三象限区域镀高反膜，第四象限未镀膜，所述的待测飞秒激光光束经所述的四小孔光阑板后分为四束光束并分别称为第一、第二、第三和第四光束，所述的第一、第二、第三光束直接经所述的凹面反射镜第一、第二、第三象限区域反射，第四光束经所述的延时片延时后达到所述的凹面反射镜的第四象限区域，所述的凹面反射镜与入射光束成一定角度设置，在所述的凹面反射镜的焦平面位置设置所述的三阶非线性光学介质，所述的第一、第二、第三光束在所述的三阶非线性光学介质中产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波，经延时的所述的第四光束依次经所述的三阶非线性光学介质后与所述的瞬态光栅信号光波在空间重合，两束重合的激光脉冲一起再依次经过所述的小孔光阑和所述的第二凹面高反射镜反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪进行测量获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。所述的四小孔光阑板的四个通光孔可以为任意形状。
本发明具有 以下显著的特点(a)本发明采用了瞬态光栅效应产生的瞬态光栅光波作为参考光，因此可以运行在200-3000nm宽带范围和10_300fs脉冲宽度范围。并且可以对纳焦耳量级的振荡器进行测量。(b)本发明装置结构非常简单，仅仅利用了几个反射镜，两块玻璃片就可以获得信号光与待测激光的干涉光谱。(c)本发明采用自参考光谱方法(SRSI)来测量激光脉冲，经过计算机编写的程序软件线性计算，只需经过约三次的迭代计算就可以获得待测激光脉冲的激光光谱、光谱相位、脉冲形状和脉冲时域相位的信息，响应速度快。(d)与在先技术相比，本发明显著地提高了飞秒激光脉冲测量的光谱和脉冲宽度的适应范围、并且同时提高了计算速度，可以实时监测激光脉冲形状。可以用作飞秒激光脉冲脉冲宽度的单发测量和实时监测。


图1，图2，图3分别为本发明的三个典型实例装置光路结构图。图4(a)为装置图I中小孔板2的结构示意图，白色部分为透光小孔。L为小孔中心间距，d为小孔大小。图4(b)为装置图I中部分区域镀膜的平面反射镜4的结构示意图。白色区域为不镀膜区域，灰色区域为镀膜区域。图5是自参考光谱相干方法计算飞秒激光脉冲形状，激光光谱和光谱相位的流程图。图6是利用本发明实例装置图I测量800nm中心波长40fs激光脉冲实验结果图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明的实质是采用飞秒激光脉冲经三阶非线性效应介质产生的所述的瞬态光栅信号光波作参考光束对飞秒激光脉冲进行自参考光谱干涉(SRSI)测量。首先，是利用透明介质材料中的瞬态光栅效应产生参考信号光波。本发明飞秒激光脉冲测量装置的一个实施例装置光路图如图I所示。光路主要包括1为入射激光束；2为小孔板；3为玻璃片，用来引入时间延迟；4为第一、第二、第三象限区域镀高反膜的平面反射镜，用于调整光路；5为镀高反膜的第一凹面反射镜；6为产生瞬态光栅效应的介质玻璃片；7为小孔光阑，用来透过信号光和挡住杂散光；8为镀高反膜的第二凹面反射镜；9为高光谱精度的光谱仪，用来测量激光光谱与干涉光谱。在光路图中，所述的小孔板2有四个成正方形排列的口径相等的小孔，用来选取入射激光光斑上四个部分激光形成相等口径的四束激光，如图4(a)所示。所述的平面反射镜4的第四象限未镀膜，其它第一、第二、第三象限镀高反膜的反射镜，如图4(b)所示。图I测量装置的光路走势如下，一束光斑足够大(直径大于5_)的入射激光束I经过所述的小孔板2后，小孔板上的四个小孔通过相等口径的四束激光，该四束激光位于正方形四个角，也叫“盒子形状(box)”。其中一束激光透过一块合适厚度的玻璃片3，而其它三束激光在空气自由传播，透过所述的玻璃片3的激光束与其它三束激光之间具有一定的时间延迟。然后，该四束激光经所述的平面反射镜4，其中延迟的那束激光经过未镀膜的四分之一区域反射，其它三束激光则经过镀有高反膜的四分之三区域反射。经过平面反射镜4的光以很小的角度入射到第一凹面反射镜5上，并被该第一凹面反射镜5聚焦到所述的介质玻璃片6上。三束经平面反射镜4高反射的激光在介质玻璃片6上产生瞬态光栅效应并产生瞬态光栅信号光波，所产生的信号光波正好跟经延迟的那一束待测光波在一个方向上，并且在空间上重合。利用小孔光阑7选取信号光波和延迟的待测光波，经过第二凹面反射镜8聚焦到高精度光谱仪9中，测得光谱信号。在装置结构中，小孔板2上的四个小孔大小和间距根据入射光斑大小来选取，以四个光斑互不影响，并且通过能量最大为原则。玻璃片3材料的选取根据入射激光波长来确定，以在激光波长带宽范围透明，色散小为原则。材料的厚度则跟入 射激光带宽宽和中心波长有关，入射激光带宽宽，脉冲宽度短，则玻璃片3要薄，具体根据后面测得的干涉光谱条纹是否分辩和精度为原则。平面反射镜4和第一凹面反射镜5的膜根据入射激光中心波长不同可以镀银膜、金膜、铝膜和介质高反膜。介质玻璃片6材料选择需要对入射激光透明，并且三阶非线性系数要高，并且厚度通常选取100-500um。9为高光谱精度的光谱仪，可以提1 测量精度。在原理上，瞬态光栅效应可以用表达式(I)来描述[参见参考文献7]
权利要求
1.一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲的自参考光谱干涉测量方法，特征在于该方法包括下列步骤 ①采用飞秒激光脉冲通过三阶非线性介质产生的瞬态光栅，获得飞秒激光脉冲的自参考光; ②通过高光谱精度的光谱仪(9)对飞秒激光脉冲及其自参考光的进行自参考光谱干涉测量获得光谱干涉条纹D( ，τ)； ③对所述的光谱干涉条纹D( ，τ)利用自参考光谱相干反演方法计算获得激光光谱和光谱相位，从而可以测量激光脉冲宽度与脉冲形状。
2.实施权利要求I所述的基于瞬态光栅效应的自参考光谱干涉测量方法的飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括四小孔光阑板(2)、延时片(3)、平面反射镜(4)、第一凹面反射镜(5)、三阶非线性光学介质(6)、小孔光阑(7)、第二凹面高反射镜(8)和高光谱精度的光谱仪(9)，上述元部件的位置关系如下所述的四小孔光阑板(2)具有呈正方形分布的四个小孔，所述的平面反射镜(4)的第一、第二、第三象限区域镀高反膜，第四象限未镀膜，所述的待测飞秒激光光束(I)经所述的四小孔光阑板(2)后分为四束光束并分别称为第一、第二、第三和第四光束，所述的第一、第二、第三光束直接到达所述的平面反射镜(4)第一、第二、第三象限区域，第四光束经所述的延时片(3)延时后到达所述的平面反射镜(4)的第四象限区域，所述的平面反射镜(4)与入射光束成一定角度设置，在所述的平面反射镜(4)的反射光束方向设置第一凹面反射镜(5)，在第一凹面反射镜(5)的焦点位置设置所述的三阶非线性光学介质￠)，所述的第一、第二、第三光束在所述的三阶非线性光学介质(6)产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波，所述的第四光束经所述的三阶非线性光学介质(6)后与所述的瞬态光栅信号光波空间重合并且一起依次经所述的小孔光阑(7)、所述的第二凹面高反射镜(8)反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪(9)进行光谱测量获得待测飞秒激光的自参考干涉光谱。
3.根据权利要求2所述的基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的延时片(3)为透明玻璃介质，所述的平面反射镜(4)为四分之三区域部分镀高反射膜的反射镜。
4.种实施权利要求I所述的基于瞬态光栅效应的自参考光谱干涉测量方法的飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括四小孔光阑板(2)、延时片(3)、平面反射镜(4)、三阶非线性光学介质出)、小孔光阑(7)、凹面高反射镜(8)和高光谱精度的光谱仪(9)和薄透镜(10)，上述元部件的位置关系如下 所述的四小孔光阑板(2)具有呈正方形分布的四个小孔，所述的平面反射镜(4)的第一、第二、第三象限区域镀高反膜，第四象限未镀膜，该平面反射镜(4)与入射光束成一定角度设置，在所述的四小孔光阑板(2)和所述的平面反射镜(4)之间设置所述的薄透镜(10)，待测飞秒激光光束(I)经所述的四小孔光阑板(2)后分为四束光束并分别称为第一、第二、第三和第四光束，所述的第一、第二、第三光束经所述的薄透镜(10)和所述的平面反射镜(4)的第一、第二、第三象限区域反射后汇集在位于所述的薄透镜(10)的焦平面的三阶非线性光学介质￠)中，所述的第一、第二、第三光束在所述的三阶非线性光学介质(6)中产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波，第四光束经所述的延时片(3)延时后再经所述的薄透镜(10)和所述的平面反射镜(4)的第四象限区域反射，经所述的三阶非线性光学介质￠)与产生的瞬态光栅信号光波空间重合再一起依次经所述的小孔光阑(7)、所述的凹面高反射镜(8)反射进入所述的高光谱精度的光谱仪(9)进行测量获得待测飞秒激光的自參考干涉光谱。
5.实施权利要求I所述的基于瞬态光栅效应的自參考光谱干涉測量方法的飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括四小孔光阑板(2)、延时片(3)、凹面反射镜(11)、三阶非线性光学介质出)、小孔光阑(7)、第二凹面高反射镜(8)和高光谱精度的光谱仪(9)，上述元部件的位置关系如下 所述的四小孔光阑板(2)具有呈正方形分布的四个小孔，所述的凹面反射镜(11)的第一、第二、第三象限区域镀高反膜，第四象限未镀膜，所述的待测飞秒激光光束(I)经所述的四小孔光阑板(2)后分为四束光束井分别称为第一、第二、第三和第四光束，所述的第一、第二、第三光束直接经所述的凹面反射镜(11)第一、第二、第三象限区域反射，第四光束经所述的延时片(3)延时后达到所述的凹面反射镜(11)的第四象限区域，所述的凹面反射镜(11)与入射光束成一定角度设置，在所述的凹面反射镜(11)的焦平面位置设置所述的三阶非线性光学介质出)，所述的第一、第二、第三光束在所述的三阶非线性光学介质(6)中产生瞬态光栅效应形成瞬态光栅信号光波，经延时的所述的第四光束依次经所述的三阶非线性光学介质(6)与产生的瞬态光栅信号光波空间重合并且依次经过所述的小孔光阑(7)和所述的第二凹面高反射镜(8)反射后进入所述的高光谱精度的光谱仪(9)进行测量获得待测飞秒激光的自參考干渉光谱。
6.根据权利要求2至5任一项基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的四小孔光阑板(2)的四个通光孔的形状不限。
7.根据权利要求5所述的基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的延时片(3)为透明玻璃介质，所述的凹面反射镜(11)为四分之三区域部分镀高反射膜的反射镜。
8.根据权利要求2至7任一项所述的基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的延时片(3)为镀中性衰减膜的光学窗ロ片。
全文摘要
一种基于瞬态光栅效应的飞秒激光脉冲测量方法和装置，本发明的实质是采用飞秒激光脉冲经三阶非线性效应介质产生的所述的瞬态光栅信号光波作参考光束对飞秒激光脉冲进行自参考光谱干涉测量。通过测量干涉光谱，利用自参考光谱相干方法来反演计算获得激光光谱和光谱相位，从而可以测量激光脉冲宽度与脉冲形状。本发明具有结构简单，计算速度快的特点，不需要偏振光学元件，减少了入射激光色散，可以测量10-300fs范围内不同波长的激光脉冲；本发明可进行单次脉冲测量，可用于飞秒激光脉冲的实时监测，获得的光谱相位反馈到相关的相位补偿装置，可优化飞秒激光脉冲输出。
文档编号G01J3/28GK102636272SQ20121007932
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者刘军, 李儒新, 李方家 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所