一种双色超短激光脉冲特性测量方法及测量装置

1.本发明涉及超短激光脉冲测量技术领域，尤其涉及一种双色超短激光脉冲特性测量方法及测量装置。


背景技术：

2.随着超强超快激光技术的发展，利用多束激光脉冲相互作用的双色场泵浦探测、光参量放大、亚周期光场相干合成等前沿技术研究，为强场物理、凝聚态物理、化学、信息科学以及生物医学等学科提供了全新的技术手段。如何对多束，特别是具有不同光谱成分的脉冲进行波形测量是一个十分重要并具有挑战的研究内容。
3.对于超快激光的波形测量，单路激光脉冲的波形通常使用频率分辨光学开关法(frog)以及光谱位相相干直接电场重建法(spider)进行测量，这两种方案在国际上得到了很好的验证。但是当需要测量两束具有不同光谱成分，特别是跨度比较大的双色超短激光脉冲时，上述方案由于受到测量装置的非线性晶体响应带宽以及光谱仪的探测范围限制，所能测量的光谱范围受限，无法测量全光谱，使得最终反演得到脉冲波形等信息错误。想要对双色超短激光脉冲特性进行实时测量与监控，必须使用两套上述装置，使得测量过程及其复杂、操作难度高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术在测量光谱跨度超过一个倍频程的多束激光时，测量方法繁复且光谱测量范围存在无法全覆盖的问题，提供了一种双色超短激光脉冲特性测量方法及测量装置。
5.为解决上述目的，本发明提供了如下技术方案：
6.一种双色超短激光脉冲特性测量方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
7.步骤一：对入射的双色超短激光脉冲进行延时处理
8.使用具有延时效应的双d镜将待测的双色超短激光脉冲进行延时处理；
9.步骤二：对延时处理过的双色超短激光脉冲分束
10.将延时处理过的双色超短激光脉冲通过三孔光阑分成三束激光；
11.步骤三：混合效应晶体处理
12.所述三束激光经第一超宽带聚焦镜聚焦至混合效应晶体，所述混合效应晶体产生两束测量光，分别为倍频测量光和衍射测量光；两束测量光与所述三束激光同时从该混合效应晶体出射；
13.步骤四：过滤测量光并实施测量
14.两束测量光和三束激光通过双孔光阑时，双孔光阑隔挡三束激光，仅让两束测量光通过，两束测量光再经第二超宽带聚焦镜聚焦至光谱仪中，通过反演获得双色激光的脉冲特性，所述脉冲特性包括电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁啾信息中的一种或多种。
15.进一步地，所述步骤一的具体过程为将待测双色超短激光脉冲通过双d镜进行反射，使待测双色超短激光脉冲分为具有延时信息的一半开关光和一半信号光。
16.进一步地，所述步骤二的具体过程为使一半开关光和一半信号光通过三孔光阑分为彼此之间具有空间距离的三束激光；其中，一半开关光被分成第一开关光和第二开关光，一半信号光产生一束信号光。
17.进一步地，步骤三中，所述混合效应晶体使用的是同时具备二阶与三阶非线性的晶体；
18.所述混合效应晶体为单晶的二氧化硅或单晶的偏硼酸钡或三硼酸锂晶体或三硼酸锂铯晶体或磷酸二氢铵晶体或磷酸二氢钾晶体或磷酸二氘钾晶体；
19.所述混合效应晶体厚度在100μm以下。
20.进一步地，步骤一中，所述双d镜为两个直边相对的d形镜，其中一个d形镜安装在平移台上；
21.步骤三中，所述第一超宽带聚焦镜焦距为100mm；
22.步骤四中，所述第二超宽带聚焦镜焦距为50mm；
23.步骤四中，所述光谱仪测量范围为200-1000nm。
24.为实现上述方法，本发明还提供一种双色超短激光脉冲特性测量装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的双d镜6、三孔光阑7、第一超宽带聚焦镜8、混合效应晶体9、双孔光阑10、第二超宽带聚焦镜11和光谱仪12；
25.所述混合效应晶体9设置在第一超宽带聚焦镜8的焦点处；所述第二超宽带聚焦镜11的焦点与光谱仪12接收点重合；
26.双色超短激光脉冲入射至具有延时效应的双d镜6进行延时处理后通过三孔光阑7分束成三束激光，三束激光经第一超宽带聚焦镜8聚焦后入射至混合效应晶体9产生新的两束测量光，该两束测量光与所述三束激光通过双孔光阑10后三束激光被隔挡，两束测量光通过，并经第二超宽带聚焦镜11聚焦至光谱仪12中。
27.进一步地，所述双d镜6为两个直边相对的d形镜，其中一个d形镜安装在平移台上。
28.进一步地，所述混合效应晶体9使用的是同时具备二阶与三阶非线性的晶体；所述混合效应晶体9为单晶的二氧化硅或单晶的偏硼酸钡或三硼酸锂晶体或三硼酸锂铯晶体或磷酸二氢铵晶体或磷酸二氢钾晶体或磷酸二氘钾晶体；
29.所述混合效应晶体9厚度在100μm以下。
30.进一步地，所述三孔光阑7上的三个孔为等腰直角三角形分布。
31.进一步地，所述第一超宽带聚焦镜8焦距为100mm；
32.所述第二超宽带聚焦镜11焦距为50mm；
33.所述光谱仪12测量范围为200-1000nm。
34.本发明的有益效果：
35.1、本发明利用混合效应晶体的特性将双色超短激光脉冲同时实现倍频和瞬态光栅效应，使一个光谱仪可以同时测量双色超短激光脉冲，降低了操作难度；
36.2、本发明利用混合效应晶体的特性将双色超短激光脉冲同时实现倍频和瞬态光栅效应，使现有技术无法覆盖测量的频段可以实现测量，弥补了现有技术的不足；
37.3、本发明提供的具体实施例通过对中心波长为800nm与1350nm，脉宽都为30fs左
右的激光合束模拟的待测双色超短激光脉冲进行测量，测量结果为双色超短激光脉冲包括波长在750-850nm之间和1200-1500nm之间，电场包络分别为27fs和29fs的激光，证明了本发明测量结果可靠；
38.4、本发明提供的一种双色超短激光脉冲特性测量装置，构造简单，相比现有技术降低了对特定激光测量的难度。
附图说明
39.图1为本发明一种双色超短激光脉冲特性测量装置实施例的示意图；
40.图2本发明一种双色超短激光脉冲特性测量方法实施例中混合效应晶体出射光的示意图。
41.图3为本发明实施例中光谱仪得到的两束测量光的光谱行迹图；其中，实线方框为衍射测量光所得到的光谱行迹图，虚线方框为倍频测量光所得到的光谱行迹图；
42.图4为图3中倍频测量光光谱行迹图的处理结果，其中(a)直接通过光谱仪得到的光谱行迹图，(b)反演光谱行迹图，(c)光谱带宽及啁啾信息，(d)脉冲宽度及相位信息；
43.图5为图3中衍射测量光光谱行迹图的处理结果，其中(a)直接通过光谱仪得到的光谱行迹图，(b)反演光谱行迹图，(c)光谱带宽及啁啾信息，(d)脉冲宽度及相位信息；
44.附图标记说明：
45.1-激光器，2-第一激光，3-第二激光，4-平面镜，5-双色镜，6-双d镜，7-三孔光阑，8-第一超宽带聚焦镜，9-混合效应晶体，10-双孔光阑，11-第二超宽带聚焦镜，12-光谱仪；
46.01-第一开关光，02-第二开关光，03-信号光，04-倍频测量光，05-衍射测量光。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.本发明提供的一种双色超短激光脉冲特性测量方法的具体实现原理是：先对双色超短激光脉冲进行延时处理，再将延时处理过的双色超短激光脉冲分束成三束激光，接着将三束激光聚焦后入射至混合效应晶体，由混合效应晶体产生新的两束测量光，并且两束测量光与所述三束激光同时从该混合效应晶体出射；然后通过双孔光阑隔挡三束激光，仅允许两束测量光通过并聚焦至光谱仪中，通过反演获得双色激光的脉冲特性。
49.基于以上对本发明方法实现原理的描述，本发明还提供了实现上述方法的具体装置，包括双d镜6，三孔光阑7，第一超宽带聚焦镜8，混合效应晶体9，双孔光阑10，第二超宽带聚焦镜11，光谱仪12。
50.本实施例中，双色超短激光脉冲采用激光器1，平面镜4，双色镜5产生。
51.如图1所示，激光器1具有两个激光出射口，可以同时出射具有不同光谱成分的激光。在这两个激光出射口的光路上分别设置平面镜4和双色镜5，通过平面镜4和双色镜5的配合使两束具有不同光谱成分的激光在空间上合束，模拟待测双色超短激光脉冲。双色超短激光脉冲入射到双d镜6上。双d镜6为两个直边相对的d形镜，具体为宽带反射介质镜，其
中一个d形镜安装在平移台上。双d镜6的反射光路上设置有焦距为100mm第一超宽带聚焦镜8；双d镜6和第一超宽带聚焦镜8之间的光路上设置有三孔光阑7；第一超宽带聚焦镜8的焦点处设置有混合效应晶体9；混合效应晶体9使用的是同时具备二阶与三阶非线性的晶体，厚度在100μm以下，本实施例中混合效应晶体9的选用单晶二氧化硅晶体，晶体厚度为30μm，尺寸为5
×
5mm。焦距为50mm第二超宽带聚焦镜11设置在光线经混合效应晶体9出射后的光路上。双孔光阑10设置在混合效应晶体9和第二超宽带聚焦镜11之间。三孔光阑7上的三个孔为等腰直角三角形分布。第二超宽带聚焦镜11的焦点与光谱仪12焦点重合。光谱仪12测量范围为200-1000nm。
52.根据图1所示的装置，具体测量实验过程如下：
53.1、产生双色超短激光脉冲
54.激光器1出射两束具有不同光谱成分的待测脉冲，分别为第一激光2和第二激光3；其中，第一激光2和第二激光3脉宽都为30fs左右，能量都为0.2mj；第一激光2中心波长为800nm，第二激光3中心波长为1350nm。
55.将第一激光2通过平面镜4反射到双色镜5与第二激光3在空间合束，从而形成双色超短激光脉冲。
56.2、延时处理双色超短激光脉冲
57.将所得双色超短激光脉冲通过具有延时效应的双d镜6，双d镜6可以为宽带反射介质镜或者银镜，其中一片d形镜放置在一个精密平移台上，所述平移台可以为pzt压电陶瓷平移台，其精度为1nm。通过双d镜6后合束激光分为具有延时信息的一半开关光与一半信号光，一半开关光与一半信号光独立分布在双d镜上；
58.3、分束延时处理过的双色超短激光脉冲
59.将具有延时信息的一半开关光和一半信号光通过三个孔呈等腰直角三角形分布的三孔光阑7分为三束激光。其中，一半开关光通过三孔光阑7上位于直角位置的孔和位于其中一个锐角位置的孔产生第一开关光01和第二开关光02，一半信号光通过三孔光阑7上位于另外一个锐角位置的孔产生信号光03；
60.4、混合效应晶体处理
61.将第一开关光01、第二开关光02和信号光03经焦距为100mm的第一超宽带聚焦镜8聚焦至混合效应晶体9，混合效应晶体9产生两束测量光；混合效应晶体9为单晶二氧化硅，晶体厚度为30μm，尺寸为5
×
5mm。
62.所述两束测量光与第一开关光01、第二开关光02和信号光03同时从该混合效应晶体9出射。
63.为方便理解混合效应晶体9的原理，在此假设有一光屏设置在混合效应晶体9的出射光路上，得到的两束测量光与第一开关光01、第二开关光02和信号光03的分布如图2所示，其中三个大圆分别代表第一开关光01、第二开关光02和信号光03，两个小圆代表混合效应晶体产生的两束测量光。
64.第一开关光01与信号光03在混合效应晶体9中产生倍频效应，在第一开关光01与信号光03中间的位置获得倍频测量光04；
65.第一开关光01、第二开关光02与信号光03在混合效应晶体9中产生瞬态光栅效应，在第一开关光01对角线的位置获得衍射测量光05；
66.所述倍频测量光04与衍射测量光05即为混合效应晶体9产生的两束测量光。
67.5、过滤测量光并实施测量
68.参考图2，通过混合效应晶体9的第一开关光01、第二开关光02与信号光03，和倍频测量光04与衍射测量光05之间有一定的发散角，通过根据空间位置放置的双孔光阑10，隔挡步骤四中混合效应晶体9通过的第一开关光01、第二开关光02与信号光03，使倍频测量光04与衍射测量光05通过，倍频测量光04与衍射测量光05再经焦距为50mm的第二超宽带聚焦镜11聚焦至光谱仪12中，光谱仪12测量范围200-1000nm。此时，通过反演获得双色激光的脉冲特性，使用同一个光谱仪便可以测量两束具有不同光谱成分的双色场脉冲。
69.测量结果如图3所示。
70.图3中实线方框为衍射信号光05所得到的光谱行迹图，虚线方框为倍频信号光04所得到的光谱行迹图，最终通过软件算法分别对随延时变化的光谱信号进行处理获得双色场的光学信息，光学信息包括脉冲宽度、相位信息、光谱带宽、啁啾信息以及直接通过光谱仪得到的光谱行迹图和软件反演后的光谱行迹图，得到图4和图5。
71.具体来说，图4为衍射信号光05所得到的光谱行迹图处理结果，其中(a)为直接通过光谱仪得到的光谱行迹图，(b)为反演的光谱行迹图；(c)图中的实线为实际测量的光谱，长虚线为反演的光谱，由(c)可知光谱范围为750-850nm，短虚线为光谱相位，在5rad以内；(d)图为脉冲的电场形貌，其中实线为电场包络，可知脉宽为27fs，虚线为电场相位，在5rad以内。
72.图5为倍频信号光04所得到的光谱行迹图处理结果，其中(a)为直接通过光谱仪得到的光谱行迹图，(b)为反演的光谱行迹图；(c)图中的实线为实际测量的光谱，长虚线为反演的光谱，由(c)可知光谱范围为1200-1500nm，短虚线为光谱相位，在10rad以内；(d)图为脉冲的电场形貌，其中实线为电场包络，可知脉宽为29fs，虚线为电场相位，在10rad以内。
73.结合图4与图5得出的结果，得到测量的双色超短激光脉冲信息，双色超短激光脉冲包括波长在750-850nm之间和1200-1500nm之间、光谱相位分别在5rad以内和10rad、电场包络分别为27fs和29fs的激光；对应本实施例第一步中激光器1设置的出射的激光信息，即第一激光2和第二激光3脉宽都为30fs左右，能量都为0.2mj；第一激光2中心波长为800nm，第二激光3中心波长为1350nm，证明了本实施例得出的结果可靠。
74.以上对本发明实施例所提供的一种双色超短激光脉冲测量方法及测量装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。