一種光譜相位干涉裝置及超短光脈沖電場直接重構系統的制作方法
【專利摘要】本發明適用于光電【技術領域】，提供了一種光譜相位干涉裝置及超短光脈沖電場直接重構系統，所述光譜相位干涉裝置在現有SPIDER裝置基礎上引進二步相移技術，這樣可以方便地獲得兩幅干涉條紋互補的光譜干涉圖樣，在數據處理上不再需要用時間窗濾去直流量，從而消除了直流量與交流量的時間交疊對測量結果的影響，極大地提升了測量精度。因此，本光譜相位干涉裝置廣泛應用于各種超短光脈沖電場直接重構系統，尤適用于測量光譜形狀比較復雜或光譜較窄的超短脈沖時間/光譜特性。
【專利說明】一種光譜相位干涉裝置及超短光脈沖電場直接重構系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電【技術領域】，尤其涉及一種光譜相位干涉裝置及超短光脈沖電場直接重構系統。
【背景技術】
[0002]超短激光脈沖目前已廣泛應用于物理、化學、材料、生物醫學、國防、工業加工等各個領域。自八十年代末至今，人們對超短光脈沖的研究一直就沒有停止過。其中包括更短、更強的超短脈沖的產生和放大技術、超短脈沖的診斷技術以及不斷開拓各種新的應用領域。在各種超短脈沖測量技術中，自相關測量是一種最為常用的技術，其特點為簡單、易用。但它只能近似地測量脈沖寬度而不能測量脈沖的形狀和相位。頻率分辨光快門技術能測量光脈沖的形狀、寬度和相位，結構也相對簡單，不過它復雜的數據處理限制了它的工作效率和實時診斷能力。利用傳統的光譜剪切干涉的SPIDER技術也能測量光脈沖的寬度、形狀和相位。它的優點是:測量在光譜域進行，不需快響應接收器；裝置內不含任何移動元件，穩定可靠；遞代算法簡單，有利于高重復率實時檢測。其不足之處為對于光譜形狀比較復雜，或光譜較窄的超短脈沖，測量的精度就比較差。
【發明內容】
[0003]本發明實施例的目的在于提供一種用于超短光脈沖電場直接重構的光譜相位干涉裝置，旨在提高現有光譜相位干涉裝置測量精度。
[0004]本發明實施例是這樣實現的，一種光譜相位干涉裝置，包括:
[0005]用于獲取啁啾脈沖及特性相同的第一待測子脈沖和第二待測子脈沖，并使所述啁啾脈沖分別作用于第一待測子脈沖和第二待測子脈沖，以產生第一和頻脈沖和第二和頻脈沖的和頻晶體；
[0006]用于將所述第一和頻脈沖分為第一和頻子脈沖和第二和頻子脈沖、所述第二和頻脈沖分為第三和頻子脈沖和第四和頻子脈沖的第三分束器；
[0007]用于使所述第一和頻子脈沖與第三和頻子脈沖疊加，以產生第一光譜干涉圖樣的第一相移機構；
[0008]用于使所述第二和頻子脈沖與第四和頻子脈沖疊加，以產生第二光譜干涉圖樣的第二相移機構；
[0009]用于獲取所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣的光譜儀；以及
[0010]用于對所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣進行處理，以獲得所述第一待測子脈沖或第二待測子脈沖特性的處理器；
[0011]其中，所述第一相移機構和第二相移機構分別具有使第一和頻子脈沖與第二和頻子脈沖或者使第三和頻子脈沖與第四和頻子脈沖間產生η或-JI相移的第二波片和第三波片。
[0012]本發明實施例的另一目的在于提供一種采用上述光譜相位干涉裝置的超短光脈沖電場直接重構系統。
[0013]本發明實施例在現有SPIDER裝置基礎上引進二步相移技術，這樣可以方便地獲得兩幅干涉條紋互補的光譜干涉圖樣，在數據處理上不再需要用時間窗濾去直流量，從而消除了直流量與交流量的時間交疊對測量結果的影響，從而提升了測量精度和測量范圍。因此，本光譜相位干涉裝置廣泛應用于各種超短光脈沖電場直接重構系統，尤適用于測量光譜形狀比較復雜或光譜較窄的超短脈沖時間/光譜特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例一提供的光譜相位干涉裝置的光路結構圖；
[0015]圖2是線偏振光通過半波片后，光束偏振面受到調制發生偏轉的示意圖；
[0016]圖3是偏振無關的無色散光束分束器的結構示意圖；
[0017]圖4是本發明實施例二提供的光譜相位干涉裝置的光路結構圖；以及
[0018]圖5是本發明實施例三提供的光譜相位干涉裝置的光路結構圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0020]本發明實施例在現有SPIDER裝置基礎上引進二步相移技術，這樣可以方便地獲得兩幅干涉條紋互補的光譜干涉圖樣，在數據處理上不再需要用時間窗濾去直流量，從而消除了直流量與交流量的時間交疊對測量結果的影響，提升了測量精度。因此，本光譜相位干涉裝置廣泛應用于各種超短光脈沖電場直接重構系統，尤適用于測量光譜形狀比較復雜或光譜較窄的超短脈沖時間/光譜特性。
[0021]下面列舉若干實施例對本發明的實現進行詳細描述。
[0022]實施例一
[0023]如圖1所示，本實施例提供的光譜相位干涉裝置包括:用于獲取啁啾脈沖10及特性相同的第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12，并使所述啁啾脈沖I分別作用于第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12、以產生第一和頻脈沖13和第二和頻脈沖14的和頻晶體5 ;用于將所述第一和頻脈沖13分為第一和頻子脈沖15和第二和頻子脈沖16、所述第二和頻脈沖14分為第三和頻子脈沖17和第四和頻子脈沖18的第三分束器3 ;用于使所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17疊加，以產生第一光譜干涉圖樣的第一相移機構；用于使所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18疊加，以產生第二光譜干涉圖樣的第二相移機構；用于獲取所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣的光譜儀；以及用于對所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣進行處理，以獲得所述第一待測子脈沖11或第二待測子脈沖12的特性的處理器19 ;其中，所述第一相移機構和第二相移機構分別具有使第一和頻子脈沖15與第二和頻子脈沖16或者使第三和頻子脈沖17與第四和頻子脈沖18間產生η相移的第二波片22和第三波片23。這樣可以方便地獲得兩幅干涉條紋互補的光譜干涉圖樣，在數據處理上不再需要用時間窗濾去直流量，從而消除了直流量與交流量的時間交疊對測量結果的影響，極大地提升了測量精度。因此，本光譜相位干涉裝置廣泛應用于各種超短光脈沖電場直接重構系統，尤適用于測量光譜形狀比較復雜或光譜較窄的超短脈沖時間/光譜特性。
[0024]為獲得所述啁啾脈沖10及特性相同的第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12，本光譜相位干涉裝置還包括:用于接收待測脈沖20并使之分為反射脈沖24和透射脈沖25的第一分束器I ;用于對所述透射脈沖25進行展寬并使之成為啁啾脈沖10的色散器6 ;用于將所述反射脈沖24分為第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12的第二分束器2 ;以及用于調整所述啁啾脈沖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脈沖10的偏振方向旋轉90°后出射。
[0025]本實施例主要用于單次脈沖測量，所述第一波片21、第二波片22和第三波片23均采用半波片。應當說明的是，半波片(相位延遲器)作為一種常用的偏振器件，它可以由多種人工或天然雙折射晶體制成，常被用來改變入射光束的偏振態。半波片能夠使得在其中傳播的ο光和e光產生一個π的相對相移，它能夠將入射的線偏振光的偏振面旋轉一個特定的角度，在激光【技術領域】常被用來作為偏振控制器件。若一束線偏振光入射至半波片，光束偏振面與半波片的慢軸的夾角為Φ (如45° )，經過該半波片調制后，光束偏振面將以半波片的慢軸為對稱軸旋轉2 Φ (如90° )，如圖2所示。在本實施例中，入射至所述第一波片21的啁啾脈沖光束偏振面與該波片慢軸的夾角為45°。所述第一和頻子脈沖15與第二波片22慢軸的夾角為0°或90°，所述第二和頻子脈沖16與第三波片23慢軸的夾角為90°或0°。
[0026]另外，本光譜相位干涉裝置還可以進一步包括:用于調節所述第一待測子脈沖11與第二待測子脈沖12間的相對時間延遲的第一脈沖延時器31以及用于調節所述第一和頻脈沖13與第二和頻脈沖14間的相對時間延遲的第二脈沖延時器32。當所述待測脈沖20在10飛秒左右時，由用作所述第一分束器I的分束片將所述待測脈沖20分為兩束，其中一束為反射脈沖24，另一束為透射脈沖25。所述透射脈沖25經所述色散器6被展寬為時間寬度在300飛秒至800飛秒間的啁啾脈沖10。所述反射脈沖24經所述第二分束器2被等分成兩個脈沖，其中一個脈沖為第一待測子脈沖11，另一個為第二待測子脈沖12，兩者寬度、形狀和相位等特性相同。所述第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12與啁啾脈沖10 —起入射到非線性和頻晶體5，產生第一和頻脈沖13以及第二和頻脈沖14。其中，所述非線性和頻晶體5系厚度約為幾十微米的β-BBO晶體，采用第二類相位匹配。和頻過程中，所述啁啾脈沖10為e光，而所述第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12均為ο光。
[0027]此處通過調節所述第一脈沖延時器31使第一和頻脈沖13與第二和頻脈沖14的中心波長相差約2.5納米。這兩個和頻脈沖隨后平行地投射至所述第三分束器3，各自被分成兩束；即所述第一和頻脈沖13經所述第三分束器3反射、透射后分為第一和頻子脈沖15和第二和頻子脈沖16 ;同樣地，所述第二和頻脈沖14經所述第三分束器3反射、透射后分為第三和頻子脈沖17和第四和頻子脈沖18。通常，所述第三分束器3優選為50:50的非偏振立方體分束器。其中，所述第一和頻子脈沖15和第二和頻子脈沖16分別經一 400納米波長光的寬帶半波片(即第二波片22和第三波片23)后進入第一光譜儀41和第二光譜儀42。而第三和頻子脈沖17和第四和頻子脈沖18則直接被第一光譜儀41和第二光譜儀42分別接收。此時，所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17疊加，產生第一光譜干涉圖樣；所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18疊加，產生第二光譜干涉圖樣。
[0028]可通過所述第二脈沖延時器32調節所述第一和頻脈沖13與第二和頻脈沖14間的相對時間延遲，以使各光譜儀測得的光譜干涉環疏密適當。其中，所述第一光譜儀41和第二光譜儀42的光譜分辨率需足夠高(例如0.02納米)。另外，此處使透過所述第二波片22的和頻子脈沖為ο光，使透過所述第三波片23的和頻子脈沖為e光；或者使透過所述第二波片22的和頻子脈沖為e光，使透過所述第三波片23的和頻子脈沖為ο光。即若所述第一和頻子脈沖15為ο光，則所述第二和頻子脈沖16為e光；若所述第三和頻子脈沖17為ο光，則所述第四和頻子脈沖18為e光；若所述第一和頻子脈沖15為e光，則所述第二和頻子脈沖16為ο光；若所述第三和頻子脈沖17為e光，則所述第四和頻子脈沖18為ο光。
[0029]假設所述第一光譜儀41測到的光譜干涉環為
[0030]D1= I Eia (ω) 2+ E2a (ω - Ω) 12+2 | Eia (ω) E2a (ω - Ω) | cos [ ω τ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω) (I)
[0031]其中E表示電場，τ為所述第一和頻脈沖13與第二和頻脈沖14間的時間延遲，Ω為所述第一和頻脈沖13與第二和頻脈沖14間的中心頻率差，而Ψ表示相位。相應地，所述第二光譜儀42測到的光譜干涉環可表示為
[0032]D2= I Eib (ω) 2+ E2b (ω - Ω) 12-2 | Eib (ω) E2b (ω - Ω) | cos [ ω τ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω) (2)
[0033]因所述第一和頻脈沖13和第二和頻脈沖14平行地入射至一 50:50的非偏振立方體分束器，故有
[0034]|Ε1Β(ω) |2/|Ε1Α(ω) |2=|Ε2Β(ω) |2/|Ε2Α(ω) |2=1 (3)
[0035]實際上，非偏振立方體分束器的分束比可能略微偏離I。對此進行數值修正，于是可得下式結果
[0036]D「μ D2=4 | Eib ( ω ) E2b ( ω - Ω ) | cos [ ω τ+ψ(ω)-ψ(ω-Ω)] (4)
[0037]顯然,修正系數μ滿足
[0038]μ I Eib ( ω ) |2二 | Eia ( ω ) |2, μ E2b ( ω - Ω ) |2二 | Ε2Α ( ω ) |2 (5)
[0039]于是可以直接從⑷式得到光譜剪切相位差。
[0040]本實施例中所述第一光譜儀41和第二光譜儀42為同型號同規格的光譜儀，以便具有相同的光譜響應特性和噪聲特性等。這兩光譜儀在時間上同步獲取第一光譜干涉環和第二光譜干涉環上記錄的數據，并存儲到處理器19中由相應的數據處理軟件進行處理。與現有的SPIDER裝置比較，本實施例通過二步相移技術記錄兩幅光譜干涉環，使得在數據處理上能輕易消除現有裝置中直流量對交流量時間截取的影響，這帶來兩個方面的好處:
[0041]I)當測量光譜形狀復雜或光譜較窄(時間較寬)的超短脈沖時，可有效地避免直流量與交流量在時間域上的重疊。從而有效地拓寬可測量范圍。
[0042]2)選取交流分量不再靠時間窗截取，而是靠兩臺同樣性能的光譜儀測到的光譜干涉環的加權相減，有效地減少噪聲的影響。
[0043]如果所述待測脈沖20為100飛秒左右的光脈沖，則可以通過調整所述色散器6使所述啁啾脈沖10的時間寬度為1.5皮秒左右，而所述第一分束器I采用50:50的寬度分束片即可。若所述待測脈沖20為光周期量級的超短脈沖，則所述第二分束器2可采用與偏振無關的無色散光束分束器，其系底角小于10°的等腰棱鏡，并于兩腰平面鍍O度寬度高反膜，如圖3所示。前述反射脈沖24垂直于等腰棱鏡的底面投射至兩腰平面即可將其分為第一待測子脈沖11和第二待測子脈沖12，沿垂直于所述反射脈沖24傳輸方向平移該等腰棱鏡即可調節所述第一待測子脈沖11與第二待測子脈沖12的功率比，操作簡便。
[0044]實施例二
[0045]如圖4所示，與實施例一不同的是，本實施例提供的光譜相位干涉裝置適用于多次脈沖測量，其還包括:用于使所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17同時透射/反射、而后疊加產生所述第一光譜干涉圖樣，所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18同時反射/透射、而后疊加產生所述第二光譜干涉圖樣的第四分束器4;用于使所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17、所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18分時進入所述第四分束器4的光學斬波器7。若所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17經所述第四分束器4同時透射，則所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18經所述第四分束器4同時反射；若所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17經所述第四分束器4同時反射，則所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18經所述第四分束器4同時透射，而這與所述第四分束器4的擺放位置相關。
[0046]其中，所述光譜儀40僅為一個，用于分時接收所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣。同樣地，所述第四分束器優選為50:50的非偏振立方體分束器。應當理解，所述光譜儀40與光學斬波器7同步工作，以達更佳效果。另外，所述光學斬波器7位于第三分束器3與第四分束器4之間。在此省卻了一臺光譜儀，而同一光譜儀40對所接收到的不同光譜干涉環引入的噪聲特性相同，更有利于提升測量精度。
[0047]實施例三
[0048]如圖5所示，與實施例二不同的是，本實施例提供的光譜相位干涉裝置還包括:用于使所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17沿原光路返回至所述第三分束器3，從所述第三分束器3透射/反射后疊加，以產生所述第一光譜干涉圖樣的第一反射鏡51 ;用于使所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18沿原光路返回至所述第三分束器3，從所述第三分束器3反射/透射后疊加，以產生所述第二光譜干涉圖樣的第二反射鏡52 ；以及用于使所述第一和頻子脈沖15與第三和頻子脈沖17、所述第二和頻子脈沖16與第四和頻子脈沖18分時投射至第一反射鏡51、第二反射鏡52的光學斬波器7。其中，所述光學斬波器7位于第三分束器3與第一反射鏡51、第二反射鏡52之間，且相互平行。當然，所述第二波片22和第三波片23均應為四分之一波片。在此省卻了實施例二所述的第四分束器，結構簡單，成本更低。
[0049]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種光譜相位干涉裝置，其特征在于，包括: 用于獲取啁啾脈沖及特性相同的第一待測子脈沖和第二待測子脈沖，并使所述啁啾脈沖分別作用于第一待測子脈沖和第二待測子脈沖，以產生第一和頻脈沖和第二和頻脈沖的和頻晶體； 用于將所述第一和頻脈沖分為第一和頻子脈沖和第二和頻子脈沖、所述第二和頻脈沖分為第三和頻子脈沖和第四和頻子脈沖的第三分束器； 用于使所述第一和頻子脈沖與第三和頻子脈沖疊加，以產生第一光譜干涉圖樣的第一相移機構； 用于使所述第二和頻子脈沖與第四和頻子脈沖疊加，以產生第二光譜干涉圖樣的第二相移機構； 用于獲取所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣的光譜儀；以及用于對所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣進行處理，以獲得所述第一待測子脈沖或第二待測子脈沖的特性的處理器； 其中，所述第一相移機構和第二相移機構分別具有使第一和頻子脈沖與第二和頻子脈沖或者使第三和頻子脈沖與第四和頻子脈沖間產生H或-H相移的第二波片和第三波片。
2.如權利要求1所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述光譜相位干涉裝置還包括: 用于接收待測脈沖并使之分為反射脈沖和透射脈沖的第一分束器； 用于對所述透射脈沖進行展寬并使之成為啁啾脈沖的色散器； 用于將所述反射脈沖分為第一待測子脈沖和第二待測子脈沖的第二分束器；以及 用于調整所述啁啾脈沖偏振方向的第一波片。
3.如權利要求2所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述待測脈沖為單次脈沖時，所述第一波片、第二波片和第三波片均為半波片；所述光譜儀為兩個，其型號、規格均相同，分別用于接收所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣。
4.如權利要求2所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述待測脈沖為多次脈沖時，所述光譜相位干涉裝置還包括: 用于使所述第一和頻子脈沖與第三和頻子脈沖同時透射/反射、而后疊加產生所述第一光譜干涉圖樣，所述第二和頻子脈沖與第四和頻子脈沖同時反射/透射、而后疊加產生所述第二光譜干涉圖樣的第四分束器；以及 用于使所述第一和頻子脈沖與第三和頻子脈沖、所述第二和頻子脈沖與第四和頻子脈沖分時進入所述第四分束器的光學斬波器； 其中所述光譜儀僅為一只，用于分時接收所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣；所述光學斬波器位于第三分束器與第四分束器之間；所述第一波片、第二波片和第三波片均為半波片。
5.如權利要求4所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述第三分束器和第四分束器均為50:50的非偏振立方體分束器。
6.如權利要求2所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述待測脈沖為多次脈沖時，所述光譜相位干涉裝置還包括: 用于使所述第一和頻子脈沖與第三和頻子脈沖沿原光路返回至所述第三分束器，從所述第三分束器透射/反射后疊加，以產生所述第一光譜干涉圖樣的第一反射鏡； 用于使所述第二和頻子脈沖與第四和頻子脈沖沿原光路返回至所述第三分束器，從所述第三分束器反射/透射后疊加，以產生所述第二光譜干涉圖樣的第二反射鏡； 用于使所述第一和頻子脈沖與第三和頻子脈沖、所述第二和頻子脈沖與第四和頻子脈沖分時投射至第一反射鏡、第二反射鏡的光學斬波器； 其中，所述光譜儀僅為一個，用于分時接收所述第一光譜干涉圖樣和第二光譜干涉圖樣；所述光學斬波器位于第三分束器與第一、第二反射鏡之間，所述第一波片為半波片，第二波片和第三波片均為四分之一波片。
7.如權利要求1?6中任一項所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述光譜相位干涉裝置進一步包括: 用于調節所述第一待測子脈沖與第二待測子脈沖間的相對時間延遲的第一脈沖延時器；以及 用于調節所述第一和頻脈沖與第二和頻脈沖間的相對時間延遲的第二脈沖延時器。
8.如權利要求7所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，所述待測脈沖為光周期量級的超短脈沖時，所述第二分束器為與偏振無關的無色散光束分束器，其系底角小于10°的等腰棱鏡，于兩腰平面鍍O度寬度高反膜；所述反射脈沖垂直于等腰棱鏡的底面投射至兩腰平面，以此進行分束。
9.如權利要求7所述的光譜相位干涉裝置，其特征在于，入射至所述和頻晶體的啁啾脈沖為e光，而所述第一待測子脈沖和第二待測子脈沖均為ο光； 若透過所述第二波片的和頻子脈沖為ο光，則使透過所述第三波片的和頻子脈沖為e光；或者若透過所述第二波片的和頻子脈沖為e光，則使透過所述第三波片的和頻子脈沖為ο光。
10.一種采用如權利要求1?9中任一項所述的光譜相位干涉裝置的超短光脈沖電場直接重構系統。
【文檔編號】G01J11/00GK104236726SQ201310244775
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月19日 優先權日:2013年6月19日
【發明者】徐世祥, 馬影坤, 蔡懿, 曾選科, 李景鎮 申請人:深圳大學