超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及超短脈沖的時間波形和啁啾率測量裝置及測量方法，包括皮秒量級和飛秒量級的單次超短脈沖。
【背景技術】
[0002]超短脈沖的時間波形是物理實驗中的一項重要技術參數，決定了超短脈沖與物質相互作用時的實時功率。啁啾率是超短脈沖激光系統的研制與調試中的一項重要技術參數，決定了脈沖寬度展寬和壓縮的可行性。
[0003]傳統的激光脈沖的時間波形測量方法，有示波器和條紋相機兩種。當采用16GHz的高速示波器進行脈寬測量時，綜合考慮快響應光電管、屏蔽電纜線、以及相應的接口電路元器件的帶寬，其上升沿響應為71.5ps，即時間分辨率大于71.5pso當采用條紋相機時，其時間分辨率為2.85ps。當采用單次自相關儀時，極限分辨率能夠達到7fs左右，能夠用于皮秒級(10_12秒)和飛秒級(10_15秒)超短脈沖的脈沖寬度分析和測量。但是單次自相關儀在時間軸上關于中心位置呈對稱結構，無法分辨脈沖的前沿和后沿，不具有時間波形測量能力。近年來基于自相關方法發展的頻率分辨光學開法(Frequency-resolved OpticalGating，FROG)也無法分辨脈沖的前沿和后沿，因此也不具有時間波形和啁啾率測量能力。
[0004]夏彥文在2009年申請了專利“一種用于高功率激光測試系統的光纖耦合方法，，(申請號:CN200910215304)，用于納秒級(10_9秒)時間波形測量，通過降低示波器的使用數量來降低成本。曹婧在2010年申請了專利“高功率激光器多路光纖采樣時間波形測量裝置”(申請號:CN201010129603)，也用于納秒級(I(T9秒)時間波形測量。吳正香在2013年申請了專利“超快光脈沖時間波形的測量裝置”，(申請號:CN201310103586)采用了基于光波導的折射率偏轉技術用于皮秒量級的時間波形測量。孫志紅在2014年申請了專利“一種激光脈沖波形測量裝置”，(申請號:CN201410115538)采用了基于光波導的多次反射技術用于皮秒量級的時間波形測量。牛振國在2014年申請了專利“單次超快脈沖時間波形和信噪比的測量裝置”，(申請號:CN201410524967)采用了基于光波導的折射率偏轉技術和光纖陣列技術用于皮秒級時間波形測量。
[0005]皮秒量級超短脈沖的光譜寬度大約為l_6nm，飛秒量級超短脈沖的光譜寬度大約為20-50nm。啁啾率為脈沖寬度與光譜寬度的比值。超短脈沖的展寬和壓縮過程中脈沖寬度發生變化，但是光譜寬度保持不變，因此啁啾率隨著脈沖寬度的變化而變化。當啁啾率為線性時，超短脈沖能夠被光柵所展寬和壓縮。當啁啾率為非線性時，超短脈沖不能夠被光柵所展寬和壓縮。因此啁啾率的測量是超短脈沖的研宄工作中非常重要的一項技術參數。目前啁啾率的測量手段是分別使用自相關儀測量超短脈沖的寬度、使用光譜儀測量超短脈沖的光譜，間接得到啁啾率。這將使整體光路結構復雜，增加了超短脈沖測量工作的復雜度。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量裝置，基于互相關方法實現超短脈沖的前沿和后沿的高精度分辨，提供時間波形和脈沖寬度的分辨能力，同時具備光譜分辨能力，能夠在同一套測量裝置上直接測量超短脈沖的啁啾率。這將有助于快速判斷被測脈沖啁啾率的線性程度，評價其是否具有可壓縮性。
[0007]本發明的技術解決方案是:
[0008]—種超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量裝置，其特點在于，包括第一耦合鏡、第二耦合鏡、分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、互相關晶體、二倍頻晶體、第四反射鏡、第五反射鏡、衍射元件、光電探測器和計算機；
[0009]上述各部件的位置關系如下:
[0010]沿被測超短脈沖方向依次是所述的第一親合鏡、第二親合鏡和分光鏡，該分光鏡將所述的被測超短脈沖分為反射脈沖和透射脈沖，在所述的反射脈沖方向依次是所述的第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡和互相關晶體，在所述的透射脈沖方向依次是所述的二倍頻晶體、第四反射鏡和互相關晶體，在所述的互相關晶體產生的互相關信號方向依次是所述的第五反射鏡、衍射元件和光電探測器，該光電探測器的輸出端與所述的計算機的輸入端相連。
[0011]所述的互相關晶體為非線性晶體，包括BBO、LBO, KDP或YCOB。
[0012]所述的衍射元件(12)是光柵或棱鏡。
[0013]利用所述的測量裝置進行超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量方法，其特點在于，該方法包括如下步驟:
[0014]①利用互相關方法，得到互相關信號的前沿和后沿，然后換算為被測脈沖的前沿和后沿。互相關過程的公式如下:
[0015]Ιχ(? = I I1 (t- τ ) I2 (t) dt = / I (t- τ ) J12 (t) dt (I)
[0016]式中，τ為時間延遲，Ιχ(τ)為互相關信號，Ijt)為反射脈沖，I2(t)為透射脈沖。
[0017]在小信號轉換條件下，互相關信號中的前沿與被測脈沖的前沿在時間位置和強度上具有一一對應的關系，從而可以根據互相關信號的寬度Atx以及關系式Atx =1.225 Δ t，得到被測脈沖的脈沖寬度Λ t和時間波形。
[0018]②在垂直于時間軸的方向上為光譜軸，將互相關信號的前沿和后沿按照光譜成分的不同進行分離，并換算為被測脈沖的光譜寬度。由于互相關信號的前沿和后沿具有不同的光譜成分，因而經過衍射元件之后具有不同的衍射角，從而在光電探測器(14)的光譜軸上能夠得到互相關信號的光譜寬度Λ λχ，然后根據關系式Λ λχ= Δ λ/15.6，得到被測脈沖的脈沖寬度Δ λ。
[0019]③基于脈沖寬度和光譜寬度的比值計算得到啁啾率(R= Λ t/ Λ λ )。
[0020]上述步驟的要點是:
[0021]I)通過二倍頻晶體將透射脈沖變換為二倍頻脈沖，在互相關晶體上產生互相關過程，因此被測脈沖的前沿和后沿，在互相關信號中表現為不同的形狀，能夠實現時間波形的分辨;
[0022]2)基于超短脈沖的光譜寬度常見范圍，選擇衍射元件的工作參數，比如光柵常數d和光柵與光電探測器的間距L，使得互相關信號的前沿和后沿在色散分離后不超出光電探測器的測量范圍。
[0023]與現有技術相比，本發明的技術效果如下:
[0024]不僅能夠實現超短脈沖的時間波形和脈沖寬度的分析和測量，同時還能夠實現啁啾率的直接測量，實現超短脈沖啁啾率的線性程度的快速分析和判斷，評估脈沖寬度進一步壓縮的可行性。這將非常方便地滿足物理實驗對于時間波形的測量需求，以及超短脈沖激光系統對啁啾率的測量需求。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明實施例1的結構簡圖，用于實現超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量功能；
[0026]圖2是本發明實施例2的結構簡圖，演示了超短脈沖的時間波形和啁啾率的測量結果。
【具體實施方式】
[0027]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0028]被測脈沖經過第一耦合鏡1、第二耦合鏡2之后，在分光鏡3上一分為二，產生反射脈沖和透射脈沖。反射脈沖經過第一反射鏡4、第二反射鏡5、第三反射鏡6，到達互相關晶體7。透射脈沖經過二倍頻晶體8、第四反射鏡9，也到達互相關晶體7。反射脈沖和透射脈沖在互相關晶體7上相互作用，產生互相關信號10。該互相關信號10經過第五反射鏡11，并且通過一塊衍射元件12之后，得到色散后的互相關信號13。然后使用光電探測器14和計算機15采集并處理色散后的互相關信號13，從而求解出被測脈沖的時間波形和啁啾率等信息。
[0029]互相關方法的基本原理可以表示為
[0030]Ix ( τ ) = f I1 (t- τ ) I2 (t) dt = / I (t_ O1I12 (t) dt (I)
[0031]公式⑴中，τ為時間延遲，Ιχ(τ)為互相關信號，I1U)為反射脈沖，I2(t)為透射脈沖。
[0032]在互相關晶體7上，反射脈沖和透射脈沖之間的夾角為Φ。傾斜入射的反射脈沖橫截面上的不同位置，到達互相關晶體7的時間有先后的不同。同樣，傾斜入射的透射脈沖橫截面上的不同位置，到達互相關晶體7的時間也有先后的不同。這樣的效果是在互相關晶體7上的不同位置，反射脈沖和透射脈沖之間具有不同的時間延遲量。從光路結構上可以看出，反射脈沖是由被測脈沖的反射部分直接傳輸得到，透射脈沖經過了一塊二倍頻晶體8轉換為了二倍頻脈沖，因此在互相關晶體7上發生相互作用的是兩個不同的脈沖，得到的互相關信號的前沿和后沿是不同的，因此能夠用于實現被測脈沖的前沿、后沿的分辨，用于分析其時間波形。
[0033]互相關信號的空間寬度Δχ、時間寬度Atx、非共線夾角Φ、光速c之間的關系為
[0034]Δ tx/Δ X = 2sin (Φ/2)/c (2)
[0035]對于被測脈沖的脈沖寬度Λ t