专利名称：多功能飞秒激光脉冲测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞秒激光，特别是一种多功能飞秒激光脉冲测量装置，该装置可适用于深紫外到中红外波段超宽带光谱范围内，脉冲宽度单个光周期到几百飞秒的飞秒激光脉冲的单发和实时测量，并可以测量啁啾量大和复杂的激光脉冲。同时，本发明还可以应用于不同的泵浦-探测实验和非线性激光光谱学研究。
背景技术：
飞秒激光及相应飞秒激光技术的研究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而迅速发展。其中一个重要方面的应用是利用飞秒激光脉冲和飞秒激光光谱学方法来研究蛋白质，纳米材料，半导体等各类材料中的超快动力学特性。比如，可采用飞秒泵浦-探测技术和飞秒受激拉曼散射技术等研究蛋白质结构动力学，半导体和纳米材料载流子动力学。另一方面，飞秒 激光的脉冲形状和脉冲宽度是飞秒激光脉冲应用中一个重要的光学参量，对它的测量或实时监测在很多实验和应用中十分必要。目前，脉冲测量的两个重要方法是频率分辨光开关(Frequency-resolved optical grating简称FROG)方法和自参考光谱干涉(self-referenced spectral interferometry 简称 SRSI)方法。

发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能飞秒激光脉冲测量装置，该装置可以利用基于透明介质中的瞬态光栅效应的SRSI方法来实时和单发测量飞秒激光脉冲，也可以通过延时扫描电动平移台采用FROG方法来测量复杂的飞秒激光脉冲，并且通过延时扫描电动平移台，本装置还可以应用于不同的泵浦-探测实验和非线性激光光谱学研究。该装置具有简单实用、调节方便、数据采集与数据处理迅速的特点，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，和不同类型的泵浦探测实验研究。本发明的技术解决方案如下
一种多功能飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括沿入射激光前进的光路方向依次的小孔挡板、由L型平面高反射镜和方形平面高反射镜组合成一个可分离的大的方形平面反射镜、部分区域镀高反射膜的平面反射镜、抛物面反射镜、介质片、小孔光阑、聚焦镜、平面高反镜和高光谱精度的光谱仪，所述的高光谱精度的光谱仪的输出端接计算机的输入端，所述的方形平面反射镜置于高精度电动平移台上，该方形平面反射镜在高精度电动平移台的带动下沿光束方向前后进行高精度移动，以精确控制或扫描所述的方形平面反射镜上反射的激光束与所述的L型平面高反射镜上反射的激光束之间的延时；所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜置于在垂直方向可调节的手动平移台上；所述的小孔挡板具有成正四角分布四个小孔，该四个小孔可根据需要进行选择性打开或关闭，所述的方形平面高反射镜对应于所述的小孔挡板的右下角小孔，所述的L型平面高反射镜对应于所述的小孔挡板的其他三个小孔，所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜置于所述的L型平面高反射镜和方形平面高反射镜的反射光束方向，且所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜的未镀膜区域与所述的方形平面高反射镜反射光相对应，所述的介质片位于所述的抛物面反射镜的焦平面，所述的高光谱精度的光谱仪感光面位于所述的聚焦镜焦平面，所述的平面高反镜用于经所述的聚焦镜输出的光束进入所述的高光谱精度的光谱仪的方向精密调节。
所述的介质片为产生瞬态光栅效应的透明介质片，或产生和频信号的非线性晶体介质，或用于泵浦-探测实验的样品。所述的手动平移台对所述的部分区域镀膜反射镜进行调节，以控制入射激光束在部分区域镀膜反射镜上是通过镀膜区域还是未镀膜区域。所述的聚焦镜为聚焦透镜、凹面反射镜、或抛物面反射镜。本发明具有以下显著的特点
Ca)本发明装置功能多样，可以进行基于瞬态光栅效应的SRSI和FROG测量，也可以进行倍频或者和频的FROG测量，最后还可以用作传统的单色或多色的飞秒泵浦-探测实验和飞秒受激拉曼散射实验等多种激光光谱学实验装置。(b)本发明装置结构非常简单，仅仅利用了几个反射镜，就可以进行脉冲测量和进行泵浦探测实验，减少了光学元件带来的稳定性影响，提高了系统的可靠性和稳定性。(C)与先前的装置相比，本发明装置激光未通过任何色散元件和对光谱敏感的光学元件，因此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。本发明可以实施多种脉冲测量的方法，因此本装置的应用范围很宽，可以测量从深紫外到中红外波段，从单个或小于单个光周期到几个光周期，以致复杂的激光脉冲，从高重复频率到单发激光脉冲，从低能量的振荡器到拍瓦量级的大功率激光系统的脉冲形状和脉冲宽度。


图I为本发明装置一个典型实施例的光路结构示意图。图2a是本发明L型反射镜和方形镜结构；
图2b是本发明部分反射镜结构；
图3是利用本发明图I实例装置并采用SRSI方法测量1800 nm中心波长约10 fs激光脉冲实验结果图。图4是利用本发明图I实例装置和基于倍频的FROG方法测量800 nm中心波长约50 fs激光脉冲实验结果图。图5是利用本发明图I实例装置和泵浦-探测方法，利用400 nm中心波长约10fs激光脉冲测量茈分子的超快动力学的实验结果图。
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。先请参阅图1，图I是本发明装置一个典型实施例的光路结构示意图。由图可见，本发明多功能飞秒激光脉冲测量装置，构成包括沿入射激光I前进的光路方向依次的小孔挡板2、L型平面高反射镜3和方形平面高反射镜4组合成一个可分离的大的方形平面反射镜(参见图2a)、部分区域镀高反射膜的平面反射镜6 (参见图2b)、抛物面反射镜8、介质片9、小孔光阑10、聚焦镜11、平面高反镜12和高光谱精度的光谱仪13，该高光谱精度的光谱仪13的输出端接计算机(未在图中标出)的输入端，所述的方形平面反射镜4置于高精度电动平移台(未在图中标出)上，该方形平面反射镜4在高精度电动平移台的带动下沿光束方向前后进行高精度移动，以精确控制或扫描所述的方形平面反射镜4上反射的激光束与所述的L型平面高反射镜3上反射的激光束之间的延时；所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜6置于在垂直方向可调节的手动平移台(未在图中标出)上；所述的小孔挡板2具有成正四角分布四个小孔，该四个小孔可根据需要进行选择性打开或关闭(机构未在图中标出)，所述的方形平面高反射镜4对应于所述的小孔挡板2的右下角小孔，所述的L型平面高反射镜3对应于所述的小孔挡板2的其他三个小孔，所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜6置于所述的L型平面高反射镜3和方形平面高反射镜4的反射光束方向，且所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜6的未镀膜区域与所述的方形平面高反射镜4反射光相对应，所述的介质片9位于所述的抛物面反射镜8的焦平面，所述的高光谱精度的光谱仪13感光面位于所述的聚焦镜11焦平面，所述的平面高反镜12用于经所述的聚焦镜11输出的光束进入所述的高光谱精度的光谱仪13的方向精密调节。所述的介质片9为产生瞬态光栅效应的介质玻璃片，或产生和频信号的非线性晶体介质，或用于泵浦-探测实验的样品，根据测量对象进行更换。所述的手动平移台7对所述的部分区域镀膜反射镜6进行调节，以控制入射激光束在部分区域镀膜反射镜6上是通过镀膜区域还是未镀膜区域。所述的聚焦镜11为聚焦透镜、或凹面反射镜。图I中所述的聚焦镜11为聚焦透镜。所述的小孔光阑10,用来透过信号光和挡住杂散光。所述的高光谱精度的光谱仪，用来测量光谱与干涉光谱，或者是高动态范围的光谱仪用来进行泵浦-探测实验测量。 所述的入射激光I可以是同一束激光或者平行入射的不同激光在脉冲宽度测量 的时候，I为同一束激光；在泵浦-探测实验的时候，I可以平行入射的不同的激光。所述的小孔板2为特殊设计小孔板，通常板上有四个正方形排列的小孔，用来选取入射激光光斑上四个部分激光形成四束激光，在一些测量和应用中可以只有两个或三个小孔，小孔大小和间距根据入射光斑大小来选取，以光斑互不影响，并且通过能量合适为原则。在装置结构中，反射镜的膜根据入射激光中心波长不同可以镀银膜和铝膜等。小孔光阑10的位置可以根据不同应用进行移动。本发明装置的几种典型应用和它们的光路走势的描述如下
A.在进行基于瞬态光栅效应的SRSI方法进行脉冲宽度测量时候，图I装置的光路走势如下
一束光斑足够大的入射激光束I经过小孔挡板2后，小孔板上的四个小孔透过约相等口径的四束激光，这四束激光位于正方形四个角。其中三束激光经过固定的L型反射镜3反射，而另外一束激光经过一个放在电动平移台5的方形反射镜4反射。通过控制电动平移台可以在经过方形镜反射的光束和经过L型反射镜之间引入合适的固定延时。然后，四束激光入射到部分反射镜6上，经过方形镜4的第四束激光则入射到未镀膜的区域反射进行强度衰减称之为待测光波，其它三束激光则经过镀有高反膜的区域反射。经过反射镜6的光以合适的角度入射到抛物面反射镜8上，并被它聚焦到产生瞬态光栅效应的介质玻璃片9上。三束经过高反射区域的三束激光在介质玻璃片9上产生瞬态光栅效应，形成的信号光波，该信号光波正好跟延迟和衰减的待测光波在一个方向上，利用小孔光阑10选取所述的信号光波和待测光波，经过聚焦透镜或者凹面反射镜11和平面高反射镜12后聚焦到高精度光谱仪13中，该高光谱精度的光谱仪13将测得信号光和待测光的干涉光谱信号送所述的计算机进行数据处理经过计算可以得到激光脉冲的形状和脉宽。B.在进行基于瞬态光栅效应的FROG进行脉冲宽度测量时候，图I装置的光路走势如下
一束光斑足够大的入射激光束I经过小孔挡板2后，小孔板上的三个小孔透过约相等 口径的三束激光，这三束激光位于正方形三个角上。其中两束激光经过固定的L型反射镜3反射，而另外一束激光经过一个放在电动平移台5的方形反射镜4反射。通过控制电动平移台可以在时间上扫描方形反射镜进行FROG测量。然后，三束激光入射到部分反射镜6上，并且都经过高反射膜区域反射。经过反射镜6的光以合适的角度入射到抛物面反射镜8上，并被它聚焦到介质玻璃片9上。产生的信号光波正好在被挡住的那一束光的光路上，通过电动平移台扫描，可以得到不同时间延时的瞬态光栅信号光。利用小孔光阑10选取信号光波，经过聚焦透镜或者凹面反射镜11和平面高反射镜12聚焦到高精度光谱仪13中，结合计算机测得光谱-延时的二维FROG图，经过计算可以得到激光脉冲的形状和脉宽。C.在进行基于和频或倍频效应的FROG进行脉冲宽度测量时候，图I装置的光路走势如下
一束光斑足够大的入射激光束I经过小孔挡板2后，小孔板上的两个小孔透过约相等口径的两束激光，这两束激光位于正方形一条边的两个角上。其中一束激光经过固定的L型反射镜3反射，而另外一束激光经过一个放在电动平移台5的方形反射镜4反射。通过控制电动平移台可以在时间上扫描方形反射镜进行FROG测量。然后，两束激光入射到部分反射镜6上，并且都经过高反射膜区域反射。经过反射镜6的光以合适的角度入射到抛物面反射镜8上，并被它聚焦到非线性晶体9上。产生的和频信号光波正好在两束激光的中间，通过电动平移台扫描，可以得到不同时间延时的瞬态光栅信号光。利用小孔光阑10选取信号光波，经过聚焦透镜或者凹面反射镜11和平面高反射镜12聚焦到高精度光谱仪13中，结合计算机14测得光谱-延时的二维FROG图，经过计算可以得到激光脉冲的形状和脉宽。D.在进行两束相同激光的泵浦探测的实验中，图I装置的光路走势如下
一束光斑足够大的入射激光束I经过小孔挡板2后，小孔板上的两个小孔透过约相等口径的两束激光，这两束激光位于正方形一条边的两个角上。其中一束激光经过固定的L型反射镜3反射，而另外一束激光经过一个放在电动平移台5的方形反射镜4反射。通过控制电动平移台可以在时间上扫描方形反射镜进行泵浦-探测实验。然后，两束激光入射到部分反射镜6上，经过L型反射镜的一束经过未镀膜区域反射用作探测光，经过方形镜3的一束则经过镀膜区域反射用作泵浦光。经过反射镜6的光以合适的角度入射到抛物面反射镜8上，并被它聚焦到样品材料9上。通过电动平移台扫描，可以得到不同时间延时的透过样品材料的探测信号光。利用小孔光阑10选取探测光信号，经过聚焦透镜或者凹面反射镜11和平面高反射镜12聚焦到高动态范围光谱仪13中，由计算机处理并显示测得的随时间延时变化的样品吸收光谱图。E.在进行两束不同激光的泵浦探测的实验中，图I装置的光路走势如下
两束不同平行激光I经过小孔挡板2后，小孔板上的两个小孔透过约相等口径的两束激光，这两束激光位于正方形一条边的两个角上。其中一束激光经过固定的L型反射镜3反射，而另外一束激光经过一个放在电动平移台5的方形反射镜4反射。通过控制电动平移台可以在时间上扫描方形反射镜进行泵浦-探测实验。然后，两束激光入射到部分反射镜6上，经过L型反射镜的一束经过未镀膜区域衰减后用作探测光，经过方形镜3的一束则经过镀膜区域反射用作泵浦光。经过反射镜6的光以合适的角度入射到抛物面反射镜8上，并被它聚焦到样品材料9上。通过电动平移台扫描，可以得到不同时间延时的透过样品材料的探测信号光。利用小孔光阑10选取探测光信号，经过聚焦透镜或者凹面反射镜11和平面高反射镜12聚焦到高动态范围光谱仪13中，结合计算机14测得随时间延时变化的样 品吸收光谱图。F.在进行有三束相同激光的泵浦探测的实验中，图I装置的光路走势如下
一束光斑足够大的入射激光束I经过小孔挡板2后，小孔板上的三个小孔透过约相等口径的三束激光，这三束激光位于正方形的三个角上。其中两束激光经过固定的L型反射镜3反射，而另外一束激光经过一个放在电动平移台5的方形反射镜4反射。通过控制电动平移台可以在时间上扫描方形反射镜进行泵浦-探测实验。然后，三束激光入射到部分反射镜6上，经过L型反射镜的一束经过未镀膜区域反射用作探测光，另外一束和经过方形镜3的一束则经过镀膜区域反射用作泵浦光。经过反射镜6的光以合适的角度入射到抛物面反射镜8上，并被它聚焦到样品材料9上。通过电动平移台扫描，可以得到不同时间延时的经过样品材料的产生的信号光。产生的信号光在被挡住的一路光的光路上。利用小孔光阑10选取探测的光信号，经过聚焦透镜或者凹面反射镜11和平面高反射镜12聚焦到高动态范围光谱仪13中，结合计算机14测得随时间延时变化的样品信号光谱图。在装置中，采用A的SRSI方法可以单发，快速地在高动态范围内和宽光谱范围内测量不同波长的激光脉冲，因此可以用单发或实时脉冲测量和监测。采用B的瞬态光栅的FROG测量方法则可以测量从深紫外到中红外宽光谱范围内的超短脉冲和复杂激光脉冲。采用C方法的和频或倍频的FRGO测量方法，则可以测量低脉冲能量振荡器的激光脉冲宽度。采用D则可以测量传统的飞秒超快激光光谱学研究。采用E方法则可以进行多色飞秒激光光谱学实验。而采用F则可以进行飞秒受激拉曼散射等等多种三脉冲的飞秒激光光谱学实验。实施例I
采用如图I所示的实验装置和SRSI方法，对1800 nm中心波长约IOfs的激光脉冲进行了脉冲宽度和脉冲形状测量。在具体实施光路中，待测的入射激光光束I的重复频率为IkHz,中心波长为1800 nm，光斑大小为6 mm，脉冲能量为2 uj。光束I通过小孔板2后分成四束激光，其中右下角的那一束经过置于电动平移台5上的方形反射镜4，并入射到部分区域反射镜6上的未镀膜区域反射，其它三束则首先经过L型反射镜3反射，然后直接经过反射镜6的镀膜区域反射。四束反射激光经过焦距为152_的镀膜的抛物面反射镜8聚焦在一片500 um厚的熔石英材料9上。三束较强激光在熔石英玻璃片上由于瞬时光栅效应在另外一束衰减和延时的光束的方向上产生了瞬时光栅光波。该瞬时光栅光波和延时的光束形成的重合激光经过小孔光阑10和聚焦透镜11聚焦，再经过平面高反射镜12反射进入高精度光谱仪13测量激光光谱和干涉激光光谱。 图3 (a)干涉光谱(细实线)为测得的1800 nm激光的干涉光谱。利用测得的干涉光谱数据，采用SRSI方法中的计算流程，可以计算得到待测脉冲的激光光谱与光谱相位。图3 (b)实线为光谱仪测得的待测激光光谱，点线和细实线分别为此方法得到的激光光谱和激光光谱相位。图3 (c)的实线为光谱仪测得的待测激光的脉冲形状，其对应脉冲半高全宽度为10.6 fs，虚线为激光光谱对应的转换极限脉冲形状。实施例2
采用如图I所示的实验装置和倍频的FROG方法，对商用钛宝石飞秒再生放大器的800nm中心波长约50fs的激光脉冲进行了脉冲宽度和脉冲形状测量。在具体实施光路中，待测的入射激光光束I的重复频率为1kHz，光斑大小为6 _，脉冲能量为2 Uj0光束I通过小孔板2后分成两束激光，其中右下角的那一束经过置于电动平移台5上的方形反射镜4，调节反射镜6上的垂直平移台，使得激光入射到部分区域反射镜6上的镀膜区域反射，另外一束则首先经过L型反射镜3反射，然后直接经过反射镜6的镀膜区域反射。两束反射激光经过焦距为152mm的镀膜的抛物面反射镜7聚焦在一片10 um厚的BBO晶体9上。两束激光在BBO晶体上和频并产生了和频的信号光波。该和频的信号激光经过小孔光阑10和聚焦透镜11聚焦，再经过平面高反射镜12反射进入高精度光谱仪13测量和频的信号光光谱随电动平移台扫描延时的变化二维FROG图。图4 Ca)是和频信号光光谱随电动平移台扫描延时的变化的二维FROG图。采用FROG方法中的计算流程，可以计算得到待测脉冲的激光光谱与光谱相位。图4 (b)的实线为FROG测得的待测激光光谱，点线为此方法得到的激光光谱相位。图4 (c)的实线为FROG测得的待测激光的脉冲形状，其对应脉冲半高全宽度为51 fs，点线为时域的脉冲相位。实施例3
采用如图I所示的实验装置和泵浦-探测方法，利用400nm中心波长IOfs的激光脉冲，我们对茈分子进行飞秒激光光谱学研究。在具体实施光路中，400nm的飞秒激光光束I的重复频率为1kHz，光斑大小为6 mm，脉冲能量为200 nj。光束I通过小孔板2后分成两束激光，其中右下角的那一束经过置于电动平移台5上的方形反射镜4，并入射到部分区域反射镜6上的镀膜区域反射用作泵浦光，另外一束则首先经过L型反射镜3反射，然后直接经过反射镜6的未镀膜区域反射用作探测光。两束反射激光经过焦距为152_的镀膜的抛物面反射镜7聚焦在一个500 um厚的装有茈分子的样品盒9上。通过电动平移台5控制泵浦光的延时，在不同延时获得探测光的吸收光谱，探测光经过小孔光阑10和聚焦透镜11聚焦，再经过平面高反射镜12反射进入高动态范围光谱仪13测量吸收光谱随泵浦和探测激光间的延时变化。图5 Ca)为测量得到的吸收光谱随泵浦光和探测光之间延时变化的二维数据图。图5 (b)为取出其中吸收光谱的波长在约427nm探测激光随延时的变化曲线。图5 (c)为图5 (b)的傅里叶转换图，它对应测量得到的茈分子的振动模式。
权利要求
1.一种多功能飞秒激光脉冲测量装置，特征在于其构成包括沿入射激光(I)前进的光路方向依次的小孔挡板(2)、L型平面高反射镜(3)和方形平面高反射镜(4)组合成一个可分离的大的方形平面反射镜、部分区域镀高反射膜的平面反射镜(6)、抛物面反射镜(8)、介质片(9)、小孔光阑(10)、聚焦镜(11)、平面高反镜(12)和高光谱精度的光谱仪(13)，该高光谱精度的光谱仪(13)的输出端接计算机的输入端，所述的方形平面反射镜(4)置于高精度电动平移台上，该方形平面反射镜(4)在高精度电动平移台的带动下沿光束方向前后进行高精度移动，以精确控制或扫描所述的方形平面反射镜(4)上反射的激光束与所述的L型平面高反射镜(3)上反射的激光束之间的延时；所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜(6)置于在垂直方向可调节的手动平移台上；所述的小孔挡板(2)具有成正四角分布四个小孔，该四个小孔可根据需要进行选择性打开或关闭，所述的方形平面高反射镜(4)对应于所述的小孔挡板(2)的右下角小孔，所述的L型平面高反射镜(3)对应于所述的小孔挡板(2)的其他三个小孔，所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜(6)置于所述的L型平面高反射镜(3)和方形平面高反射镜(4)的反射光束方向，且所述的部分区域镀高反射膜的平面反射镜(6)的未镀膜区域与所述的方形平面高反射镜(4)反射光相对应，所述的介质片(9)位于所述的抛物面反射镜(8)的焦平面，所述的高光谱精度的光谱仪(13)感光面位于所述的聚焦镜(11)焦平面，所述的平面高反镜(12)用于经所述的聚焦镜(11)输出的光束进入所述的高光谱精度的光谱仪(13)的方向精密调节。
2.根据权利要求I所述的多功能飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的介质片(9)为产生瞬态光栅效应的透明介质片，或产生和频信号的非线性晶体介质，或用于泵浦-探测实验的样品。
3.根据权利要求I所述的多功能飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的手动平移台(7)对所述的部分区域镀膜反射镜(6)进行调节，以控制入射激光束在部分区域镀膜反射镜(6)上是通过镀膜区域还是未镀膜区域。
4.根据权利要求I至3任一项所述的多功能飞秒激光脉冲测量装置，其特征在于所述的聚焦镜(11)为聚焦透镜、凹面反射镜、或抛物面反射镜。
全文摘要
一种多功能飞秒激光脉冲测量装置，包括沿入射激光前进的光路方向依次的小孔挡板、L型平面高反射镜和方形平面高反射镜组合成一个可分离的大的方形平面反射镜、部分区域镀高反射膜的平面反射镜、抛物面反射镜、介质片、小孔光阑、聚焦镜、平面高反镜和高光谱精度的光谱仪，该高光谱精度的光谱仪的输出端接计算机的输入端。此装置可以同时利用频率分辨光开关法和自参考光谱干涉方法来对飞秒激光脉冲进行测量，可以应用于泵浦-探测等非线性激光光谱学实验。
文档编号G01J11/00GK102944313SQ201210449570
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者刘军, 李方家, 刘奇福, 张素侠, 赵冠凯, 李儒新 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所