CN101294850A - 一种测量超短光脉冲光谱相位的新方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是应用于信息光电子学领域中超短光脉冲光谱相位测量的新方法及其装置，该方法是在由待测脉冲啁啾展宽生成的具有频率差Ω的两个准单色成分光之间引入一个带极性的时间延迟量－τ，补偿两个准单色成分光之间因脉冲展宽器引入的附加时间延迟量+τ，使其与待测脉冲同步，并一起通过和频晶体产生两个和频光，再经光谱仪获得各自的功率频谱和无干涉条纹的相干频谱；由这三个频谱通过公式计算所述两个和频光的相位差，然后采用级连方法求得待测脉冲的光谱相位曲线。能正确地确定脉冲光谱相位差的极性，为测量超短光脉冲光谱相位提供简便、实时快速而准确的测量方法和装置。
Description
技术领域
本发明是应用于信息光电子学领域中超短光脉冲光谱相位测量的新方法，即称为无干涉条纹(Fringe-Free)的SPIDER方法，简称FF-SPIDER方法及其装置。
背景技术
超快信息光学领域中的超短脉冲产生和应用需要对光脉冲的包络、相位结构进行准确的测量。附图4所示为超短光脉冲电场的高斯型包络和中心频率载波示意图。一个在时域上很短的光脉冲是由许多具有不同频率的载波构成，有Δγ(频率宽度)×Δt(脉冲宽度)＝0.441(高斯型脉冲)。图中所示该频率载波振荡峰值与包络峰值重叠，也就是说，该载波的初相位(亦称绝对相位)为零。如果另一个频率载波的峰值与包络的峰值不重叠，例如说往+t方向偏离了1/4振荡周期，则认为这两个载波的初位相差为在一个产生超短光脉冲的锁模激光器中，由于腔内群速度色散、腔的机械或热的不稳定性等原因，各个载波之间原来锁定的相位差会发生变化，使光脉冲的形状和宽度也发生变化。因此，检测和锁定初相位差就成为超短脉冲，特别是飞秒脉冲的产生和应用(例如高精度时间测量、飞秒时标、阿秒脉冲产生等)中的重要课题。现在国际上用作实时测量的主要方法是光谱相位相干测量直接电场重构法(Spectral Phase Interferometry Direct Electric-fieldReconstruction，简称SPIDER法)。SPIDER方法的基本原理是利用待测脉冲和频光的相干频谱经傅立叶变换而导出脉冲的光谱相位。为此它需要把待测脉冲***成有相对时间延迟τ的两个脉冲，再分别和另两个具有频率差Ω的准单色光(一般由待测脉冲经啁啾展宽而成)和频，然后使这两个和频光相干而获得干涉频谱。由于τ具有皮秒数量级，导致干涉频谱具有稠密的梳状干涉条纹。记录此稠密的干涉条纹必须使用分辨率高的光谱仪，微弱的噪声即能改变梳峰结构；同时又需要对测量结果进行滤波处理和反富里叶变换，再减去人为引入的附加相位差ωcτ。这些过程增加了该技术的复杂性和难度，导致测量结果有较大的误差。这是目前国内外采用的SPIDER方法的弊端。近两年来，国外亦有提出零延时的SPIDER，企图克服光谱干涉条纹的弊端，但为了对相位差作校正又引进时间和空间干涉条纹，增加了新的误差和不便。在国内公示的另一项专利和论文中提出了一种称为“延时受控无条纹光谱相位干涉脉冲测量方法(简称CDFF-SPIDER方法)，该方法虽企图克服经典SPIDER方法有稠密的干涉条纹相干频谱方法所带来的的缺点，但它并没有发现、阐明和应用无干涉条纹频谱中所包含的极为重要的关于被测脉冲相位极性的信息，而是提出在和频光中引入π/2相位差(相当于数十纳米延迟距离)以克服光谱相位差岐义性问题，这是在理论上不合理、在实际测量上难于做到的。
超短脉冲光谱相位相干测量术的基本方法是用待测脉冲***为有延时差τ(称时间剪切量)的脉冲对，再分别和另两个具有频率差Ω的准单色光(一般为待测脉冲经啁啾展宽后的两个载波频率成分)和频后产生的和须脉冲对，然后通过光谱仪相干叠加获得二阶相干频谱。其数学表达式可写成：
其中
即为待测脉冲分别与两个准单色光和频生成的两个和频脉冲的功率频谱，
是它们的初相位差，ωτ是与时间剪切量相应的附加相位差。这一附加相位差的引入能够确定
的极性，但同时亦引入密集干涉条纹等许多弊端；在CDFF-SPIDER方法中没有这一外加初相位差，省去干涉条纹的麻烦，但却无法确定
的极性，即存在岐义性问题。
发明内容
本发明专利目的正是为了克服上述现有技术在原理方法和装置上的缺陷，采用直接补偿被啁啾展宽的待测脉冲中两个准单色成分的附加相位差的方法，产生无干涉条纹的相干频谱，而且能正确地确定脉冲光谱相位差的极性，为测量超短光脉冲光谱相位提供简便、实时快速而准确的测量方法和装置。
本发明在原理上的关键之处是如何确定补偿相位差的极性。首先，由我们所用的脉冲展宽器的特性可以确定被展宽的待测脉冲的啁啾极性为正啁啾，即低频的准单色光比高频的具有超前的相位，也就是说，因展宽器引入的(高频光相位-低频光相位)附加相位差ωτ是正的，如(1)式所示。这就要求导入(-ωcτ)的附加相位差补偿，也就是说要使相位超前的低频准单色光滞后相同的相位差。
经上述对附加相位差的恰当补偿后，式(1)便变为
由(2)式可计得这一相位差
由(3)式计得的相位差再用级联方法即可求得待测脉冲的光谱相位
因此，采用FF-SPIDER方法可简便、快捷而且更准确地测定超短光脉冲的光谱相位。
本发明根据啁啾脉冲中各频率载波成分间初相位差补偿原理，引入一带极性的相位差，抵消附加相位差。这种技术既发扬了上述两种方法的优点又从源头上克服了各自的弊端，形成一种简便、实用，准确度高的新的方法。本发明的有益效果是通过下述方案实现的：
在由待测脉冲啁啾展宽生成的具有频率差Ω的两个准单色成分光之间引入一个带极性的时间延迟量-τ，补偿两个准单色成分光之间因脉冲展宽器引入的附加时间延迟量+τ，使其与待测脉冲同步，并一起通过和频晶体产生两个和频光，再经光谱仪获得各自的功率频谱和无干涉条纹的相干频谱；由这三个频谱通过公式计算所述两个和频光的相位差，然后采用级连方法求得待测脉冲的光谱相位曲线。FF-SPIDER方法的创新之处在于两个反射回来的准单色光间因展宽器产生的附加时间延迟，不是由待测脉冲***为两个互相延迟的脉冲分别与两个准单色光实现同步(同相位)，而是调节两个准单色光反射镜的相对延时实现两个准单色光之间及其与待测脉冲的同步。
计算所述两个和频光的相位差的公式是：
该方法计及了两个准单色光间时间延迟τ的正负性，τ为时间剪切量：若高频准单色光的群速度比低频准单色光的低，则它们之间的时间延迟差或者相位差为正，否则为负。
有两种方案能在两个准单色光间引入带极性的时间延迟量，补偿因展宽器(包括光栅对或高色散光学介质展宽器)产生的附加时间延迟量，使其与待测脉冲同步：其一是先调节待测脉冲延时量，使其与频率为ω0的准单色光同步，ω0为待测脉冲的中心频率，再调节频率为(ω0-Ω)的准单色光延时量补偿两个准单色光间的附加延时量；其二是先调节待测脉冲延时量，使其与频率为(ω0-Ω)的准单色光同步，再调节频率为ω0的准单色光延时量补偿两个准单色光的相对相位差。在后一情况下，由(1)式计得的附加相位差大小与前一种情况的相同但极性相反。这便克服了CDFF-SPIDER方法中确定相位差值极性的困难。上述具特色的附加相差补偿方法既适用于以光栅对作为脉冲展宽器的情况，亦适用于用高色散透明介质展宽待测脉冲的情况，它是采用一块约数厘米长具高色散的玻璃(例如ZF4玻璃)柱作为展宽器展宽待测脉冲，再经一分光棱镜在空间上分成等效的两束光，然后用具有上述时间延迟功能的反射镜M4和M5把这两束光按原路反射回。这种装置可以做得比较紧凑，待测脉冲光强度损失也较少，有利于提高测量敏灵度。
该方法对频率剪切量Ω的选择不受时间剪切量τ的限制，可以根据所使用光谱仪的最高分辨率选择足够小的Ω，既能满足Whittaker-Shannon抽样定理——即只当一个脉冲完全受限在时间间隔T≤2π/Ω内，才能被精确重构，亦能提高测量精度。
实施权利要求超短光脉冲光谱相位测量的新方法的装置，该装置的光路如下：由飞秒激光器产生的待测脉冲P1经分束镜BS分成反射光和透射光两部分，反射的待测脉冲P2先后经过潜望镜PR、反射镜M1、M2、M3和凹面镜CM进入和频晶体，其中M1、M2组成屋脊型反射镜，并由计算机精确控制其光程延迟量；待测脉冲经分束镜的透射部分P3通过补偿两个准单色光附加相位差功能的装置按原路反射回，再经反射镜M6反射后与待测脉冲光P2一起由凹面镜CM聚焦到和频晶体产生两个和频信号光，并把这两个和频信号分别及同时导入数字式光谱仪。
所述和频晶体为II类匹配BBO，厚度为100μm。
所述补偿两个准单色光附加相位差功能的装置是待测脉冲经分束镜的透射部分P3通过由光栅对G1、G2组成的脉冲展宽器展宽后由具有精密光程延迟的反射镜M4和M5把频率为ω0的高频准单色光P4和频率为(ω0-Ω)的低频准单色光P5分别按原路反射回。
所述补偿两个准单色光附加相位差功能的装置是采用一块约数厘米长具高色散的玻璃柱作为展宽器展宽待测脉冲，再经一分光棱镜在空间上分成等效的两束光，然后用具有时间延迟功能的组合反射镜M4和M5把这两束光按原路反射回与待测脉冲一起产生和频脉冲对。
本发明装置与SPIDER装置最大的差别在于取消了把被测脉冲通过分束器分成两个有延时的脉冲，改为在两个准单色光路中引入一极性可调的延时器；与CDFF-SPIDER的装置最大不同除上述改进外还取消了倍频光的附加π/2相位延时器。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、克服了SPIDER方法相干频谱中多干涉条纹所引起种种弊端和待测脉冲分束片色散畸变对带宽的限制；同时亦消除了CDFF-SPIDER方法中相位差歧异性问题和实践上的不可克服的困难；测量程序简明，不必进行繁复的富氏变换或相位差极性识别，大大提高了测量精度和准确度。
2、本发明方法能充分考虑和利用脉冲展宽器的特性，设计测量精度和准确度高、使用方便的测量装置。由展宽器的群速度色散可得到两个准单色光的频率差Ω与其延时差τ的关系 。同时，频谱剪切量的选择还要满足Whittaker-Shannon抽样定理。即只当一个脉冲完全受限在时间间隔T≤2π/Ω内，才能被精确重构。所以，应该选Ω应足够小，以使得T明显大于待测脉冲宽度。这就要求τ值小。但对SPIDER方法来说，为了使相干频谱的富里叶变换后的交流分量能从直流分量中分离开来，τ不能太小。对FF-SPIDER方法来说则不受这一限制，能提高测量精度。
3、FF-SPIDER方法能减少测试装置校正的难度和误差。在SPIDER方法中，和频脉冲对的相位差需要从每一个测量值中减去时间剪切量产生的附加相位差ωcτ而得。通常ωcτ是一个比
大得多的量，前者的测量误差将大大影响后者的测定准确度。因而，ωcτ的准确校正就成为该方法的关键。CDFF-SPIDER方法中，因其需在两个和频脉冲中准确引入π/2的附加相位差，使测量工作难予实施，亦同样引入误差。但在FF-SPIDER方法中，ωcτ已在测量中通过最佳的补偿，使总的附加相位差为零，不必对其再行校正，减少测量误差，有利于提高测量的精度和准确度。
4、本发明之测量***中在所有被测脉冲通过的光路中都不存在色散器件，和频晶体也采用宽频带设计，因此它既适用宽的皮秒脉冲的测量，也适用于窄的亚十飞秒脉冲的测量。
附图说明
图1为FF-SPIDER方法实施例1的装置光路原理图；
图2A为FF-SPIDER方法测得的倍频光功率频谱(虚曲线)和相干频谱(实曲线)；
图2B为SPIDER方法在同等实验条件下测量的带干涉条纹的相干频谱；
图3A为待测脉冲功率频谱(实线)和分别采用FF-SPIDER方法(三角点连线)、SPIDER方法(圆圈点连线)所修复得的待测脉冲光谱相位曲线；
图3B为由待测脉冲功率频谱按转换极限计算的脉冲光强自相关曲线(粗实线)和用FF-SPIDER(三角点连线)重构得到的光强度自相关曲线和时间相位曲线；
图4为超短光脉冲电场的高斯型包络和中心频率载波示意图；
图5为FF-SPIDER方法实施例2的装置光路原理图。
具体实施方式
实施例1
本发明的上述效果是通过下述测量方案和装置实现的：
附图1为FF-SPIDER方法测量装置示意图。由飞秒激光器产生的待测脉冲P1经分束镜BS分成反射光和透射光两部分，反射的待测脉冲P2先后经过潜望镜PR、反射镜M1、M2、M3和凹面镜CM进入和频晶体，其中M1、M2组成屋脊型反射镜，并由计算机精确控制其光程延迟量；经分束镜的透射脉冲P3通过由光栅对G1、G2(1200线/mm)组成的脉冲展宽器展宽后由具有精密光程延迟的反射镜M4和M5把频率为ω0(ω0为待测脉冲的中心频率)的高频准单色光P4和频率为(ω0-Ω)的低频准单色光P5分别按原路反射回，再经反射镜M6反射后与待测脉冲光P2一起由凹面镜CM聚焦到和频晶体(II类匹配BB，厚度100μm)产生两个和频信号光。这两个和频信号再分别及同时导入数字式光谱仪，以产生各自的功率频谱及无干涉条纹的相干频谱D(ωc)。所要测量的待测脉冲光谱相位即可由所得的频谱数据经上述关系式(2)和(3)计得。
图2A为FF-SPIDER方法测得的倍频光功率频谱(虚曲线)和相干频谱(实曲线)；图2B为SPIDER方法在同等实验条件下测量的带干涉条纹的相干频谱；图3A为待测脉冲功率频谱(实线)和分别采用FF-SPIDER方法(三角点连线)、SPIDER方法(圆圈点连线)所修复得的待测脉冲光谱相位曲线。图3B为待测脉冲光强自相关曲线(粗实线)和用FF-SPIDER方法重构得到的光强自相关曲线(三角点连线)及时间相位曲线。从图3(A)可见这两种方法所测得的光谱相位曲线在脉冲的频谱的主要部分基本一致，说明待测脉冲具有正啁啾特性。图3(B)所示的由FF-SPIDER方法重构的待测脉冲光强度自相关曲线(三角点连线)比转换极限的宽，但与实测的光强度自相关曲线(图中粗实线)很好符合，说明FF-SPIDER方法的有效性。它也说明了光脉冲的群速度色散现象，可以通过群速度色散补偿把脉冲压缩。因此，超短光脉冲光谱相位的准确测定对光脉冲的压缩、整型、光通信、光信息处理、光全息术、相位测量和控制等都有很重要意义。
实施例2
本发明的上述效果是通过下述测量方案和装置实现的：
附图5为FF-SPIDER方法测量装置示意图。由飞秒激光器产生的待测脉冲P1经分束镜BS分成反射光和透射光两部分，反射的待测脉冲P2先后经过潜望镜PR、反射镜M1、M2、M3和凹面镜CM进入和频晶体，其中M1、M2组成屋脊型反射镜，并由计算机精确控制其光程延迟量；经分束镜的透射脉冲P3通过一块约数厘米长具高色散的玻璃柱作为展宽器展宽待测脉冲，再经一分光棱镜在空间上分成等效的两束光，然后用具有时间延迟功能的组合反射镜M4和M5把这两束光按原路反射回，再经反射镜M6反射后与待测脉冲光P2一起由凹面镜CM聚焦到和频晶体(II类匹配BBO，厚度100μm)产生两个和频信号光。这两个和频信号再分别及同时导入数字式光谱仪，以产生各自的功率频谱
及无干涉条纹的相干频谱D(ωc)。所要测量的待测脉冲光谱相位即可由所得的频谱数据经上述关系式(2)和(3)计得。
Claims (8)
1、一种测量超短光脉冲光谱相位的新方法，其特征在于在由待测脉冲啁啾展宽生成的具有频率差Ω的两个准单色成分光之间引入一个带极性的时间延迟量-τ，补偿两个准单色成分光之间因脉冲展宽器引入的附加时间延迟量+τ，使其与待测脉冲同步，并一起通过和频晶体产生两个和频光，再经光谱仪获得各自的功率频谱和无干涉条纹的相干频谱；由这三个频谱通过公式计算所述两个和频光的相位差，然后采用级连方法求得待测脉冲的光谱相位曲线。
2、根据权利要求1所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法，其特征在于计算所述两个和频光的相位差的公式是：
3、根据权利要求1所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法，其特征在于该方法计及了两个准单色光间时间延迟τ的正负性，τ为时间剪切量：若高频准单色光的群速度比低频准单色光的低，则它们之间的时间延迟差或者相位差为正，否则为负。
4、根据权利要求1所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法，其特征在于有两种方案能在两个准单色光间引入带极性的时间延迟量：其一是先调节待测脉冲延时量，使其与频率为ω0的准单色光同步，ω0为待测脉冲的中心频率，再调节频率为(ω0-Ω)的准单色光延时量补偿两个准单色光间的附加延时量；其二是先调节待测脉冲延时量，使其与频率为(ω0-Ω)的准单色光同步，再调节频率为ω0的准单色光延时量补偿两个准单色光的相对相位差。
5、根据权利要求1所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法，其特征在于该方法对频率剪切量Ω的选择不受时间剪切量τ的限制，可以根据所使用光谱仪的最高分辨率选择足够小的Ω。
6、一种实施权利要求1所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法的装置，其特征在于该装置的光路如下：由飞秒激光器产生的待测脉冲P1经分束镜BS分成反射光和透射光两部分，反射的待测脉冲P2先后经过潜望镜PR、反射镜M1、M2、M3和凹面镜CM进入和频晶体，其中M1、M2组成屋脊型反射镜，并由计算机精确控制其光程延迟量；待测脉冲经分束镜的透射部分P3通过补偿两个准单色光附加相位差功能的装置按原路反射回，再经反射镜M6反射后与待测脉冲光P2一起由凹面镜CM聚焦到和频晶体产生两个和频信号光，并把这两个和频信号分别及同时导入数字式光谱仪。
7、根据权利要求6所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法的装置，其特征在于所述补偿两个准单色光附加相位差功能的装置是待测脉冲经分束镜的透射部分P3通过由光栅对G1、G2组成的脉冲展宽器展宽后由具有精密光程延迟的反射镜M4和M5把频率为ω0的高频准单色光P4和频率为(ω0-Ω)的低频准单色光P5分别按原路反射回。
8、根据权利要求6所述的超短光脉冲光谱相位测量的新方法的装置，其特征在于所述补偿两个准单色光附加相位差功能的装置是采用一块约数厘米长具高色散的玻璃柱作为展宽器展宽待测脉冲，再经一分光棱镜在空间上分成等效的两束光，然后用具有时间延迟功能的组合反射镜M4和M5把这两束光按原路反射回与待测脉冲一起产生和频脉冲对。
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