專利名稱：飛秒激光相機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量超短脈沖激光的裝置，尤其是能夠精確測量脈寬、快速測量相位及啁啾等特性的飛秒脈沖激光的裝置。
背景技術：
目前超短脈沖激光，一般是指脈沖寬度小于皮秒(ps，10-12秒)量級以下的激光。自上世紀60年代激光器問世以來，最初超短脈沖激光是利用調Q開關的自由振蕩激光器產生的幾個納秒(ns，10-9秒)寬度的光，到90年代，由于發明了克爾透鏡鎖模和孤子鎖模技術，并采用新型寬頻帶激光介質(如摻鈦蘭寶石Ti:Al2O3)的固體自鎖模激光器，已經可以直接產生幾個飛秒(fs，10-15秒)寬度的光。由于飛秒脈沖激光自身具有極高的時間分辨特性和極大的峰值能量，已被廣泛應用于各種超快現象的研究和強場下的物理行為。如分子的弛豫過程、生物細胞的新陳代謝研究、光化學反應動力學以及激光核聚變等。然而，目前超短脈沖激光測量技術卻相對滯后。迄今為止，由于受到電子探測技術的時間極限分辨率的限制(一般是1ps左右)，還沒有任何一種可以直接測量飛秒脈沖激光的儀器。為了適應越做越窄的超短脈沖激光的測量，人們只能仍然采用相干檢測技術。這種技術的基本思想是利用滿足光學相干(或稱相關)條件下的測量結果，通過數學方法間接地計算出所需要的待測信息。隨著超短脈沖激光技術的飛速發展，對飛秒脈沖的準確測量已經成為十分迫切的需求。尤其是當脈沖寬度很窄(小于10fs)時，不僅需要精確測量脈寬，而且需要同時測量脈沖相位及啁啾特性等信息。然而，傳統的只能測量脈寬的超短脈沖激光測量裝置(如雙光子熒光法、條紋相機等)已經無法適用，僅有相干法延用至今。另一方面，在飛秒激光器的研究領域，為了獲得最窄脈沖，必須盡可能地補償啁啾；同時，為了快速且有方向性地補償啁啾，壓縮脈沖和改善脈沖形狀，也需要有能快速測量脈沖相位、啁啾特性的測量裝置。因此，發展與開發飛秒脈沖激光測量技術，完整地了解飛秒脈沖的寬度、相位及啁啾等信息，是超快技術研究領域中非常重要的內容。經過長期探索，人們先后提出了許多種相干檢測方法。其中，最主要的國際公認的兩種標準飛秒脈沖激光測量方法是頻率分辨光學開關法(FROG)和光譜位相相干直接電場重構法(SPIDER)。
頻率分辨光學開關法(FROG)是上世紀90年代提出的一種能夠間接求得待測脈沖寬度、相位等信息的相干檢測方法。它的基本原理是將被測光分成兩束，一束作為探測光，另一束引入時間延遲τ作為開關光，再把兩束光匯聚到非線性介質中產生相互作用，利用介質產生的二階或三階非線性效應，接收探測光與開關光相互作用的和頻光作為信號光，再經光譜儀并用CCD攝像機測得其光強分布的圖象(實際上它是一個與時間和頻率有關的二維函數)，利用計算機并采用迭代運算就可以求得被測脈沖寬度和相位信息。在FROG方法中，根據不同的光開關函數，有多種不同的設計方案。其中，基于傳統的二次諧波-頻率分辨光開關法(SHG-FROG)，簡單易調、靈敏度高，因而被廣泛采用。具體如圖9所示被測飛秒脈沖激光光束G1經分束鏡B1分為兩束一束經邁克爾遜干涉儀(包括直角反射鏡M1、M2，半反半透鏡B1，反射鏡M3)中的固定直角反射鏡M1，作為探測光；另一束經邁克爾遜干涉儀中的可動直角反射鏡M2，作為開關光(以引入一個時間延遲量τ)；并使兩束光平行入射到透鏡L1并聚焦到非線性介質S1(BBO或KDP)中產生相互作用，經光譜儀T1進行光譜展開后由CCD接收，從而得到相互作用后的光強信息，亦稱為SHG-FROG的“跡線譜圖”。它是一系列不同延遲時刻、強度自相關信號的頻譜沿延遲時間軸的分布，用數學式表示為IFROG(ω,τ)=|∫-∞∞Esig(t,τ)exp(jωt)|2=|Esig(ω,τ)|2]]>其中Esig(t,τ)=E~(t)E~(t-τ)]]>為信號光的包絡表達式。
E(t)=E~(t)exp[-j(ωct)-K→r]]]>為待測飛秒脈沖激光電場表達式。
ωc為中心載波頻率， 為波矢， 為待測飛秒脈沖的時域復包絡。
實際上，IFROG(ω，τ)為Esig(t，τ)的傅里葉變換的模的平方。因而，由SHG-FROG跡線(攝得的圖象)數據通過計算機，并采用迭代算法(歸一化的Gerchberg-Saxton算法)獲得唯一解，即可以唯一地確定待測飛秒激光脈沖的脈寬和相位信息。它的優點是結果準確，缺點是速度較慢，不適合實時檢測。
光譜位相相干直接電場重構法(SPIDER)或稱自參考光譜位相相干直接電場重構法，是上世紀90年代在光譜相干法的基礎上提出的一種能夠快速計算待測脈沖相位的方法。法國人C.Froehly在上世紀70年代最早提出光譜相干概念，它的基本原理是，將滿足相干條件的兩束光通過非線性介質作用，并用光譜儀(其作用是將時域光信號轉變成頻域光信號，即傅立葉變換)記錄干涉條紋(條紋的頻率間隔與兩束相干光的延遲時間τ成反比，為2π/τ)，若對該干涉條紋進行傅立葉反變換就可以求出這兩束光的光譜相位差，如果已知其中一束參考光的光譜相位，則可求出另一束的光譜相位。但是，實際上參考光的光譜相位也是未知的，于是又提出了自參考光譜相干法，即將待測光脈沖經邁克爾遜干涉儀，復制成具有相對延遲時間τ的一對兒鏡像脈沖，但是由于它們之間的光譜相位差為零，仍然無法得到脈沖的譜相位。直到上世紀90年代，一種利用“光譜剪裁”的自參考光譜相干法(即SPIDER法)解決了上述問題。SPIDER法的核心是利用脈沖展寬技術設法給參考光附加一個已知的小頻移量Ω，并使該頻移量不影響被測光脈沖的相位，再利用上述光譜相干法就可以計算出被測光脈沖的相位。具體如圖10所示被測激光脈沖G2經分束鏡B4分為兩路，其中的一路光反射至邁克爾遜干涉儀(包括固定直角反射鏡M4、和可移動直角反射鏡M5，半反半透鏡B2、B3)后分為兩束完全相同的具有相對時間延遲τ的脈沖光，這兩束脈沖光合并一起送至聚焦鏡L2；另一路脈沖光由分束鏡B4透射至作為光譜相位調制器J的非線性介質中被展寬，由于作為光譜相位調制器(亦稱展寬器)的介質材料的色散系數等參數已知，所以能夠實現如上所述給參考光附加一個已知的小頻移量；被展寬而賦予頻移量的線形正啁啾脈沖光，經全反射鏡M6、M7反射后，與前一路光脈沖對平行入射到聚焦鏡L2，并進入非線形晶體S2進行頻率轉換，之后由光譜儀T2接收；由于時間延遲τ及啁啾的存在，使得兩束脈沖光在不同的頻率上和頻，并在頻域產生一個頻差，被稱為光譜剪切量(用Ω表示)；光譜儀記錄下帶有光譜剪切量Ω的脈沖對的干涉譜圖象(也稱為SPIDER跡線)送入計算機經簡單運算即可得出相位值。SPIDER跡線的數學表達式為D(ω,τ)=|E~(ωC-Ω)|2+|E~(ωC)|2+2|E~(ωC-Ω)||E~(ωC)|×COS[θ(ωC)-ωτ]]]>θ(ωC)＝ω(ωC-Ω)-ω(ωC)其中 τ為相對時間延遲， 為展寬器的二階色散， 與 為兩束光脈沖的頻域表達式。
由于SPIDER方法對光脈沖能量要求不高，可以直接從激光器振蕩級的輸出進行檢測(無需光功率放大級)，而且它的重構脈沖相位的處理運算不需要迭代算法、簡單快捷，可以作為實時檢測光脈沖的相位信息的工具，但此方法不能直接給出脈沖寬度等信息。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服上述背景技術的不足，提供一種飛秒激光脈沖檢測裝置，該裝置應能精確測量飛秒激光脈沖的寬度(振幅)、快速測量初始相位及其分布，直觀檢測飛秒激光脈沖的啁啾狀態、載波中心頻率與光譜帶寬，并能夠繪出飛秒激光脈沖的波形圖象。
本發明采用了以下技術方案飛秒激光相機，該相機具有一激光輸入端口，沿著該端口的激光脈沖方向依次設置有模式轉換器、一面透射另一面反射鏡和光譜相位調制器，并在一面透射另一面反射鏡所反射的激光脈沖方向和聚焦透鏡之間設置一傳送激光脈沖的反射鏡，以便使得該路激光脈沖先穿過模式轉換器、一面透射另一面反射鏡輸至光譜相位調制器進行頻率剪裁，然后沿原路返回至一面透射另一面反射鏡并反射至聚焦透鏡；又在模式轉換器所反射的激光脈沖方向設置附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀，并在邁克爾遜干涉儀所輸出的激光脈沖方向依次設置所述的聚焦透鏡、倍頻晶體BBO、空間濾波光圈、增益選擇開關和光譜儀，且在增益選擇開關所反射的激光脈沖方向設置干涉自相關接收器SHG，另外還配有計算機和攝象機CCD，以便使得另一路由模式轉換器反射的激光脈沖先穿過邁克爾遜干涉儀，并從邁克爾遜干涉儀輸出后與前述的由一面透射另一面反射鏡所反射的一路激光脈沖一起平行輸入到聚焦透鏡合并后進入倍頻晶體BBO進行和頻；經過和頻的激光脈沖又通過空間濾波光圈、增益選擇開關后分為兩束激光脈沖，一束激光脈沖穿過增益選擇開關進入光譜儀，由攝象機CCD攝像并送至計算機處理圖象數據，另一束激光脈沖由增益選擇開關反射至干涉自相關接收器SHG后輸出信號給計算機處理。
所述的模式轉換器中設有一可繞圓心轉動的圓形的光學鏡，其中半個圓制成全反射鏡，另半個圓制成半反半透鏡，該鏡由精密電機帶動并由計算機控制，以使飛秒激光相機的檢測狀態處于全信息模式、即時相位模式、啁啾狀態模式或比較模式。
所述的增益選擇開關中設有一可繞圓心轉動的圓形的光學鏡，其中1/3個圓制成全反射鏡，1/3個圓制成半反半透鏡，1/3個圓為全透鏡，該鏡由精密電機帶動并由計算機控制。
所述的時間延遲快門包括設置在充油內腔中的精密螺桿絲杠、步進電機、精密位移傳感器以及相關電路，并且與計算機DN連接控制，還包括邁克爾遜干涉儀中的可動直角反射鏡。
所述的空間濾波光圈是一中心孔面積可連續調整的光圈，用光學多維調節架固定。
所述的光譜相位調制器包括相互間形成一定角度的光柵、直角反射鏡和可移動反射鏡。
本發明提供的檢測裝置具有多種檢測功能1、當模式轉換器處于“全信息模式”時，具有SHG-FROG方法及SHG方法的檢測功能。此時，被測激光脈沖被模式轉換器中的光學鏡的全反射鏡區域反射。增益選擇開關可以選擇兩種狀態全透射狀態時，能夠以SHG-FROG方法測量被測飛秒激光脈沖的脈沖寬度(振幅)、相位、載波中心頻率與光譜帶寬的信息；增益選擇開關選擇半反半透射狀態時，能夠以傳統的SHG方法測量被測飛秒激光脈沖的脈沖寬度(振幅)、載波中心頻率與光譜帶寬的信息。
2、當模式轉換器處于“啁啾狀態模式”時，具有啁啾狀態檢測功能。此時，被測激光脈沖被模式轉換器中的光學鏡的全反射鏡區域反射。增益選擇開關可以選擇全反射狀態，同時又需啟用干涉自相關接收器，能夠完整精確地測得飛秒激光脈沖所含啁啾的大小和正負，并可以達到定量分析的效果。
3、當模式轉換器處于“即時相位模式”時，具有SPIDER方法檢測功能。此時，被測激光脈沖入射到模式轉換器中的光學鏡的半反半透鏡區域，增益選擇開關選擇全透射狀態，能夠簡便快捷地獲得被測激光脈沖的相位信息，可以作為實時測量工具。
4、當模式轉換器處于“比較模式”時，具有對同一被測激光脈沖進行SHG-FROG方法、SPIDER方法的檢測與比較的功能。此時，被測激光脈沖入射到按一定速率轉動的模式轉換器，使被測激光脈沖有規則的往復被模式轉換器全反射與半反半透射，增益選擇開關呈全透射狀態，并可得到兩種不同方法(FROG法和SPIDER法)的測量結果。因此，能夠比較測量結果并判斷其準確性；也可以采用兩種測量方法所得到的結果的平均值作為最終測量結果，使測量數據更加接近真實情況。因而本發明可廣泛用于超短脈沖激光技術與應用領域，尤其是超短脈沖激光器的研制、生產和調試。
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明中的模式轉換器的主視結構示意圖。
圖3是該模式轉換器的右視結構示意圖。
圖4是本發明中的時間延遲快門的結構示意圖。
圖5是本發明中的增益選擇開關的主視結構示意圖。
圖6是該增益選擇開關的右視結構示意圖。
圖7是本發明處于“啁啾狀態模式”時的狀態示意圖。
圖8是本發明處于“全信息模式”時的狀態示意圖。
圖9是現有的二次諧波頻率分辨光學開關法的原理圖。
圖10是現有的光譜位相相干直接電場重構法的原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，該飛秒激光相機，具有一激光脈沖輸入端口R(一般是一段內壁鍍黑的空心鋁管，作為被測激光脈沖的引入通路，且與模式轉換器MO成為一體)，沿著輸入端口被測激光脈沖的輸入方向依次設置有模式轉換器MO，一面透射另一面反射鏡BF和光譜相位調制器(展寬器)GT，并在一面透射另一面反射鏡BF所反射的激光脈沖方向和聚焦透鏡L3之間設置一傳送激光脈沖給聚焦透鏡L3的反射鏡M12。又在模式轉換器所反射的激光脈沖方向設置邁克爾遜干涉儀[包括直角反射鏡M8、與該鏡成直角布置的可動直角反射鏡M9(為時間延遲快門YC的一部分)以及分束鏡(亦稱半反半透鏡)B6、B5]，并在邁克爾遜干涉儀所輸出的激光脈沖方向依次設置所述的聚焦透鏡L3、倍頻晶體BBO、空間濾波光圈GQ、增益選擇開關MG和光譜儀GPY，且在增益選擇開關所反射的激光脈沖方向設置干涉自相關接收器SHG，并配有計算機DN和攝象機CCD。圖中的箭頭為被測激光脈沖的運行方向，箭頭位置為被測激光脈沖的運行路線。
圖2、圖3所示的模式轉換器中，圓形的光學鏡可繞中心軸轉動，且與輸入端口空心管中心線成45度角并由功能支架固定。圓形的光學鏡的半個圓2制成全反射鏡面，另半個圓1制成半反半透鏡面，該鏡可由步進電機3帶動旋轉并由計算機控制。當需要測量脈沖的脈寬(振幅)、相位、載波中心頻率、光譜帶寬時，飛秒激光相機的檢測狀態應處于“全信息模式”，此時模式轉換器是全反射鏡面；當需要測量脈沖啁啾特性時，飛秒激光相機的檢測狀態應處于“啁啾狀態模式”，此時模式轉換器也是全反射鏡面；當需要測量脈沖相位時，飛秒激光相機的檢測狀態應處于“即時相位模式”，此時模式轉換器是半反半透射鏡面；當需要用兩種方法(FROG法與SPIDER法)測量同一個待測脈沖時，飛秒激光相機的檢測狀態應處于“比較模式”，此時，模式轉換器是一個由計算機控制使其呈現按一定速率轉動，輪換改變為全反射鏡面與半反半透射鏡面，上述模式的選擇由操作者根據需要而定。
所述的光譜相位調制器GT(亦稱展寬器)已有多種形式，如非線性介質(即色散介質)、法布里-珀羅標準具、特殊鍍膜的介質膜反射鏡以及本發明采用的光柵+直角反射鏡等都是較成熟技術，可直接采用。本發明所述的光柵+直角反射鏡結構，它包括相互間形成一定角度的光柵G(1200線/mm)、直角反射鏡M10，和一個可移動改變相對于光柵G距離的全反射鏡M11，其中光柵G與直角反射鏡M10的距離亦可調。進入該相位調制器GT的光，是由如前所述的模式轉換器MO透射的被測光。該光首先經一面反射另一面透射鏡BF的透射面，入射到所述的光譜相位調制器GT中的光柵G并反射至直角反射鏡M10，經M10反射至光柵G，而后又被光柵G反射到全反射鏡M11，由全反射鏡M11按原路返回至光柵G，并再一次由光柵G按原路反射至直角反射鏡M10、又經M10與原方向相反返回至光柵G，且按原進入該相位調制器GT的光路，反射到一面反射另一面透射鏡BF的反射面。因此，被測激光脈沖在所述的相位調制器GT中共被光柵反射了四次，則由已知的上述有關等參數可以計算出相位調制器GT所提供的色散量、光譜剪裁量Ω、以及所述附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀的鏡像光相對時間延遲τ的合適范圍值，存入計算機待用。
所述的附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀包括直角反射鏡M8、與該鏡成直角布置的可動直角反射鏡M9以及分束鏡(亦稱半反半透鏡)B6、B5，其中可動直角反射鏡M9是時間延遲快門YC的組成部分，該時間延遲快門(圖4所示)包括設置在充油內腔13中的精密螺桿絲杠15、步進電機14、精密位移傳感器11以及相關電路，并且與計算機DN連接控制，使步進電機根據測量需要旋轉并帶動螺桿絲杠及相連可動直角反射鏡M9移動相應的距離后，CCD快門才拍攝一次，依次反復進行，以獲得所需要的具有時間延遲量τ的各相關檢測信號的圖象。
所述的干涉自相關接收器SHG主要包括光電探測器、A/D變換器。該干涉自相關接收器SHG，加上本發明中的邁克爾遜干涉儀部分以及計算機后，所組成的結構就與現有的中國專利(ZL200420110194.2)相同，它能夠完整精確地測得飛秒激光脈沖所含啁啾的大小和正負，可以達到定量分析的效果，而且能夠完整再現“頻率分辨自相關干涉二次諧波包絡”的完整波形，并且通過圖象表達的測試結果，形象直觀、易于為人理解。
所述的增益選擇開關MG，主要是為了擴大飛秒激光相機的檢測功能，除了如上述可方便、直觀檢測飛秒激光脈沖啁啾特性以外，所述的增益選擇開關MG的“全反射鏡狀態”與所述的自相關接收器SHG，加上本發明中的邁克爾遜干涉儀部分以及計算機后，即組成了傳統的二次諧波自相關(SHG)方法的超短激光脈沖檢測裝置。另一方面，根據需要使其對測得的信號光進行分束，或者進行全反射、全透射以達到減小對測得的信號光能量的損耗。作為一種較簡單的結構，增益選擇開關MG可以是一個可繞中心軸轉動的圓盤型的光學平面鏡，該光學鏡鏡面與飛秒激光相機輸入端口的引入通道管的中心線方向成45度角放置，并且能夠在該方向上微調或鎖定。該圓形光學平面鏡平均分為三等份，其中三分之一為全反射鏡22，三分之一為半反半透射鏡21，三分之一是空的(全透射面23)。增益選擇開關由步進電機26帶動并通過計算機控制，以適應測量的需要。
在飛秒激光相機處于“全信息模式”狀態時(即圖8所示狀態)時，被測激光脈沖通過模式轉換器MO，被MO全反射到所述的附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀中，并被該干涉儀中的分束鏡B6分成兩束，其中一束被分束鏡B6反射進入到邁克爾遜干涉儀的固定直角反射鏡M8，其反射光作為探測光束，入射到分束鏡B5并透射到所述的聚焦透鏡L3；另一方面，由分束鏡B6透射進入到附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀中的可移動直角反射鏡M9的光束，因M9為所述的時間延遲快門YC的組成部分，并可以根據測量需要能夠沿精密充油絲杠移動相應距離，從而形成了與上所述的探測光束具有相對時間延遲τ的光，將該光作為開關光(顯然與上述的探測光只是具有相對時間延遲τ而無任何其它差別的鏡像脈沖)，由M9反射到分束鏡B5后又反射(使其與探測光相互平行入射)到所述的聚焦透鏡L3，經聚焦透鏡入射到所述的倍頻晶體BBO(或KDP)中進行相干和頻轉換后，又經所述的空間濾波光圈GQ濾除不需要的雜散光，得到的和頻信號光入射到所述的增益選擇開關MG[根據測量需要MG可選擇全透射與半反半透射二種狀態(如圖8中所述，由MG半反射的信號光用虛線箭頭表示)]；當MG為全透射時，信號光束直接進入光譜儀GPY，并由CCD攝象機記錄下強度相對于頻率和時間的二維譜圖。該數據通過計算機多次迭代運算處理后，可以得到被測激光脈沖的脈寬(振幅)、相位、光譜帶寬等信息；當增益選擇開關MG為半反半透射時，得到的和頻信號光束將分為兩路一路由MG透射到如上所述的光譜儀GPY并進行如上所述的檢測過程，另一路由MG反射到所述的全反射鏡M13，并經M13反射到所述的干涉自相關接收器SHG后亦輸出信號給計算機處理，給出飛秒激光脈沖所含啁啾的信息。
當飛秒激光相機處于“即時相位模式”時，被測光入射到模式轉換器MO后，呈現半反半透射狀態，時間增益選擇開關MG處于全透射狀態。此時，飛秒激光相機的狀態基本與圖1相同，僅是在時間增益選擇開關MG與全反射鏡M13之間沒有信號光。
當飛秒激光相機處于“啁啾狀態模式”(圖7所示狀態)時，被測光入射到模式轉換器MO后，呈現全反射狀態，時間增益選擇開關也處于全反射狀態，并開啟干涉自相關接收器SHG。
當飛秒激光相機處于“比較模式”時，模式轉換器MO則按一定速率轉動，使被測光交替呈半反半透及全反射狀態，時間增益選擇開關處于全透射狀態。
以上所述的各類光學鏡都應滿足測量需要的光譜帶寬要求，并采用吸收損耗小的石英材料。其中，非線性倍頻晶體(BBO、或KDP等)的厚度為100μm左右，一面透射另一面反射鏡，在被測光的載波中心頻帶足夠寬的波長范圍內，盡可能地做到具有一致足夠高的透射率與反射率。值得指出的是，為使儀器的測量結果準確，各部件的精度均要有較高要求，盡可能地滿足光學自相干檢測的基本條件。例如，反射鏡面平整度應優于1/50波長，延遲系統確保穩定不抖動，采用充油精密絲杠、延遲快門及空間濾波光圈、相應的光學鏡安裝在有鎖定、粗調微調、三維多維精密調節架上，便于安裝調節，重要光路需采取防塵避光等措施，從而可以提高測量系統的信噪比(S/N)，檢測精度與靈敏度。
應當指出的是為保證檢測精確，整臺裝置應當設置在防震光學平臺上，測量時應保證整機密閉不透光，同時盡量避免周圍環境有震動源的產生等也是非常必要的。
尚需說明的是除增益選擇開關MG、模式轉換器、時間延遲快門外，其余所有元器件和材料均可外購獲得；所需計算機軟件也可由普通程序員編制。
本發明的幾種檢測過程是1、“全信息模式”時，被測飛秒激光脈沖A從輸入端口R進入，依次經過模式轉換器M0(呈全反射狀態)、附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀，其中經固定鏡直角反射鏡M8的一束光作為探測光E(t)，另一束經可移動直角反射鏡M9引入一個相對時間延遲τ作為開關光信號E(t-τ)，將兩束光經聚焦透鏡L3匯聚到倍頻晶體(BBO)中，從而產生和頻光Esig(t，τ)，這是檢測所需要的信號光，根據非線性光學原理可知它應滿足關系Esig(t，τ)∝E(t)(t-τ)。由于非線性介質內同時還產生不同方向其它光，因此，利用所述的空間濾波光圈GQ可以最大限度地濾除不需要的雜散光，并將信號光Esig(t，τ)直接入射到光譜儀GPY(此時增益選擇開關應處于全透射狀態)，并由攝象機CCD記錄所測得的圖象(SHG-FROG跡線)，把圖象及相關數據輸入到計算機DN處理，利用迭代運算程序，就能得到被測飛秒激光脈沖的振幅(脈寬)、相位、光譜帶寬等信息，并可繪出波形圖象。顯然，該檢測過程即為圖9所述的二次諧波頻率分辨光學開關法(SHG-FROG法)。
2、“啁啾狀態模式”(此時模式轉換器是一全反射鏡，增益選擇開關處于全反射狀態)時，被測激光脈沖入射到模式轉換器后，被全反射到附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀中的分束鏡而分為兩束，其中一束經附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀的固定直角反射鏡的反射光作為“固定光”，與另一束經附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀的可移動(啟動其精密慢進擋)的直角反射鏡的反射光作為“可移動光”，在計算機控制下選擇最小步長，使該“可移動光”對上述“固定光”進行掃描，并使步進電機每轉進一步采集一個數據。因此，能夠得到干涉條紋可分辨的二次諧波自相關平面曲線圖形，相關數據由計算機處理便可得到直觀的飛秒激光脈沖所含啁啾大小及正負信息，達到如中國專利(ZL200420110194.2)所述效果。
3、“即時相位模式”時，被測飛秒激光脈沖A從輸入端口R進入，依次經過模式轉換器MO，此時模式轉換器呈半反半透射狀態，使被測激光脈沖分成透射光和反射光所透射的光通過一面透射另一面反射鏡的透射面，入射到光譜相位調制器GT(展寬器)并賦予線性的正啁啾而被調制，然后沿原路返回至一面透射另一面反射鏡的反射面，并反射至全反射鏡M12，再反射至聚焦透鏡L3。另一方面，在模式轉換器所反射的被測激光脈沖，依次穿過附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀、聚焦透鏡、倍頻晶體、空間濾波光圈、增益選擇開關(增益選擇開關為全透射狀態)和光譜儀。被測激光脈沖通過附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀，產生出具有相對延遲時間τ的鏡像脈沖光束E(t)與E(t-τ)，并與前述由一面透射另一面反射鏡反射的具有被賦予線性正啁啾的光束E′(t)平行入射到聚焦透鏡進入倍頻晶體BBO內發生相干和頻，由于時間延遲τ及啁啾的存在，使得鏡像脈沖光束與被賦予線性正啁啾的光束在不同頻率上和頻，因此產生一頻差，這個頻差被稱為光譜剪裁量，用Ω表示。和頻后的光束經過空間濾波光圈、增益選擇開關(此時增益選擇開關為全透射狀態)，進入光譜儀并由CCD攝象機記錄其光譜相干的干涉條紋圖象，其數學表達式為
D(ω,τ)=|E~(ωC-Ω)|2+|E~(ωC)|2+2|E~(ωC-Ω)||E~(ωC)|×COS[θ(ωC)-ωτ]]]>其中，D(ω，τ)為攝得的干涉條紋圖象的表達式； 及 是輸入脈沖對的頻域表達式；Q是光譜剪裁量，且 τ是延遲時間， 是光譜相位調制器的二階色散；ωc和ωc-Q分別為經光譜剪裁后兩脈沖的中心頻率。
將上述光譜相干的干涉條紋圖象(或稱SPIDER跡線數據)輸入計算機中，并用SPIDER的反演算法處理，就可得到飛秒激光脈沖的相位信息。由于運算簡單、快捷，從而可以得到被測激光脈沖的即時相位信息。
顯然，該檢測過程即為圖10所述的光譜位相相干直接電場重構法(SPIDER法)。
4、“比較模式”時，被測飛秒激光脈沖A從輸入端口R進入，此時模式轉換器按一定速率(根據“全信息模式”與“即時相位模式”對應的SHG-FROG法與SPIDER法測量各自所需要的時間)轉動，使被測激光脈沖有規則的往復被光學鏡全反射與半反半透射變動(此時增益選擇開關呈全透射狀態)，則能夠用兩種不同方法(FROG法和SPIDER法)測量同一個被測飛秒激光脈沖，比較測量結果，并給出其平均值，從而進一步提高了測量的精確度。
初始狀態設置與調整(1)在初始測量時，調整被測激光脈沖進入輸入端口R的正確入射角度，使飛秒激光相機的觀察顯示窗口的對應指示燈亮。通過計算機使模式轉換器處于“全信息模式”(呈全反射狀態)、增益選擇開關啟用半反半透射狀態、啟用干涉白相關接收器SHG，并開啟附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀的快速移動擋全程往復移動一次，被測激光脈沖經由如前所述“全信息模式”的光路，由飛秒激光相機的觀察顯示屏上可以觀察到被測激光脈沖自相關信號的最大值，從而可以確定SHG-FROG測量所需要的最佳延遲時刻τ值并存入計算機，待測量時由時間延遲快門執行。同時，通過光譜儀、光電探測器可以測出被測激光脈沖的中心載波頻率及光譜帶寬，將這些參數存入計算機待用。
(2)還需要通過計算機使模式轉換器處于“即時相位模式”(呈半反半透射狀態)、增益選擇開關啟用半反半透射狀態、同時啟用干涉自相關接收器SHG，被測激光脈沖經由如前所述“即時相位模式”的光路，并開啟附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀的快速移動擋全程往復移動，同時調整光譜相位調制器(展寬器)中的可移動全反射鏡M11與光柵的距離(可改變其二階色散量的值)，并由飛秒激光相機的觀察顯示屏上可以觀察到被測激光脈沖相干光強對不同延遲時間τ及 的變化情況，從而可以確定SPIDER法測量所需要的最佳延遲時刻τ及Ω的取值范圍，存入計算機待測量時由時間延遲快門執行。
權利要求
1.飛秒激光相機，其特征在于該相機具有一激光輸入端口R，沿著該端口的激光脈沖方向依次設置有模式轉換器MO、一面透射另一面反射鏡BF和光譜相位調制器GT，并在一面透射另一面反射鏡BF所反射的激光脈沖方向和聚焦透鏡L3之間設置一傳送激光脈沖的反射鏡M12，以便使得該路激光脈沖先穿過模式轉換器MO、一面透射另一面反射鏡BF輸至光譜相位調制器GT進行頻率剪裁，然后沿原路返回至一面透射另一面反射鏡BF并反射至聚焦透鏡L3；又在模式轉換器MO所反射的激光脈沖方向設置附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀，并在邁克爾遜干涉儀所輸出的激光脈沖方向依次設置聚焦透鏡L3、倍頻晶體BBO、空間濾波光圈GQ、增益選擇開關MG和光譜儀GPY，且在增益選擇開關MG所反射的激光脈沖方向設置干涉自相關接收器SHG，另外還配有計算機DN和攝象機CCD，以便使得另一路由模式轉換器MO反射的激光脈沖先穿過邁克爾遜干涉儀，并從邁克爾遜干涉儀輸出后與前述的由一面透射另一面反射鏡BF所反射的一路激光脈沖一起平行輸入到聚焦透鏡L3合并后進入倍頻晶體BBO進行和頻；經過和頻的激光脈沖又通過空間濾波光圈GQ、增益選擇開關MG后分為兩束激光脈沖，一束激光脈沖穿過增益選擇開關進入光譜儀GPY，由CCD攝象機攝像并送至計算機DN處理圖象數據，另一束激光脈沖由增益選擇開關反射至干涉自相關接收器SHG后輸出信號給計算機DN處理。
2.根據權利要求1所述的飛秒激光相機，其特征在于所述的模式轉換器MO中設有一可繞圓心轉動的圓形的光學鏡，其中半個圓制成全反射鏡(2)，另半個圓制成半反半透鏡(1)，該鏡由精密電機(3)帶動并由計算機控制，以使飛秒激光相機的檢測狀態處于全信息模式、即時相位模式、啁啾狀態模式或比較模式。
3.根據權利要求1所述的飛秒激光相機，其特征在于所述的增益選擇開關MG中設有一可繞圓心轉動的圓形的光學鏡，其中1/3個圓制成全反射鏡(22)，1/3個圓制成半反半透鏡(21)，1/3個圓為全透鏡(23)，該鏡由精密電機帶動并由計算機控制。
4.根據權利要求1所述的飛秒激光相機，其特征在于所述的時間延遲快門包括設置在充油內腔(13)中的精密螺桿絲杠(15)、步進電機(14)、精密位移傳感器(11)以及相關電路，并且與計算機DN連接控制，還包括邁克爾遜干涉儀中的可動直角反射鏡M9。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的飛秒激光相機，其特征在于所述的空間濾波光圈GQ是一中心孔面積可連續調整的光圈，用光學多維調節架固定。
6.根據權利要求5所述的飛秒激光相機，其特征在于所述的光譜相位調制器GT包括相互間形成一定角度的光柵G、直角反射鏡M10和可移動反射鏡M11。
全文摘要
本發明涉及一種測量飛秒脈沖激光各種特性的裝置。所要解決的技術問題是該裝置應能精確測量飛秒激光脈沖的寬度(振幅)、快速測量初始相位及其分布，直觀檢測飛秒激光脈沖的啁啾狀態、載波中心頻率與光譜帶寬，并能夠繪出飛秒激光脈沖的波形圖象。技術方案是飛秒激光相機，沿著相機激光輸入端口的激光脈沖方向依次設置有模式轉換器、一面透射另一面反射鏡和光譜相位調制器，并設置聚焦透鏡，又在模式轉換器所反射的激光脈沖方向設置附有時間延遲快門的邁克爾遜干涉儀，并依次設置所述的聚焦透鏡、倍頻晶體、空間濾波光圈、增益選擇開關、光譜儀和攝象機，且在增益選擇開關所反射的激光脈沖方向設置干涉自相關接收器SHG，另外還配有計算機。
文檔編號G01J11/00GK1808080SQ200610049530
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月16日 優先權日2006年2月16日
發明者劉天夫 申請人:中國計量學院