CN103234643B - 周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法，该方法包括设置装置、测量和计算待测激光载波-包络相位的绝对值三步。本发明可以直接测量周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的准确值，为测量载波-包络相位的绝对值提供了可靠的途径。

Description

周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法

技术领域

本发明属于飞秒光学测量领域，特别是一种周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法。

背景技术

周期量级(脉冲持续时间只有几个光学周期)激光脉冲的重要参数—载波-包络相位(Carrier-envelop Phase，以下简称为CEP)，是指脉冲包络的最大值和包络下电场振荡的最大值之间的相对相位，它决定激光脉冲的瞬时电场强度。周期量级激光脉冲与物质相互作用过程中，CEP具有决定性的影响，例如高次谐波和阿秒脉冲的产生、光学合成以及相干控制等。尤其在阿秒科学和光频标测量学领域，CEP发挥着举足轻重的作用。随着频标测量学和阿秒科学研究的不断深入，控制并测量周期量级飞秒激光脉冲的CEP，已经成为当今最前沿的研究内容之一。

G.G.Paulus等人曾在文章“Measurement of the Phase of few-cycle laserPulses”[Phys.Rev.Lett.91,253004(2003)]中提出一种立体阈上电离质谱仪测量CEP的方法，通过对光电子谱的测量，利用阈值上电离产率的左右不对称性来测量周期量级激光脉冲的CEP。该测量方案要求复杂的超高真空装置，实验难度较大，而且由于测量理论不够成熟，未能得到广泛认同。例如经典的和Keldysh-tyPe模型预测了对于余弦型的脉冲左右产率是对称的，与实验上的结果是不同的。另外，C.A.Haworth等人曾在文章“Half-cycle cutoffs in harmonic spectra and robustcarrier-envelope phase retrieval”[Nature Physics 3,52(2007)]中提出利用激光脉冲各半个周期的高次谐波辐射与此处光场的CEP的相关性来测量激光的CEP；M.Kreβ等人在文章“Determination of the Carrier-Envelope Phase ofFew-Cycle Laser Pulses with Terahertz-Emission Spectroscopy”[NaturePhysics 2,327(2006)]中提出基于光电离非对称理论产生的太赫兹幅度与CEP的相关性来测量激光的CEP。

上述方法忽略了聚焦和非线性效应对CEP值的影响，而理论和实验都表明，光场与介质相互作用过程中的非线性效应对CEP的影响很大，不能忽略。因此，已有的CEP测量方法都不够完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法，该方法测量的是激光的初始CEP，不受聚焦和非线性效应地限制，不需要超高真空等复杂装置，不受苛刻实验条件的局限。

本发明的技术解决方案如下：

一种周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①设置装置：钛宝石激光器出来的激光经分束片分为透射光和反射光，所述的反射光经第二全反镜、延时器、第二透镜入射到合束片；所述的透射光经光参量放大***、第一透镜、空心光纤、硅片后产生CEP稳定的待测光，在所述的待测光的前进方向上垂直于所述的待测光光束设置石英楔板、第一全反镜，该第一全反镜将待测光反射经球面镜聚焦产生光丝，该光丝产生的太赫兹经抛物镜聚焦到合束片，该太赫兹透过所述的合束片与所述的反射光经所述的合束片反射的光束合并为一束称为合束光，该合束光由探测晶体、半波片、渥拉斯顿棱镜和平衡探测器构成的平衡探测装置探测，所述的分束片、第二全反镜、抛物镜和合束片各与射入的光束呈450，所述的探测晶***于所述的第二透镜和抛物镜的共同焦点处；

②测量：初始时石英楔板的***待测光束的***量小，使待测光的光斑正好通过，待测光经所述的球面镜在空气中聚焦产生光丝，该光丝产生太赫兹，薄金属片安装在平移台上，使所述的薄金属片从光丝的起始端开始，以0.5mm的间隔沿所述的光丝的长度方向连续移动安装在平移台的薄金属片在光丝的不同位置挡光丝，直至光丝的末端，所述的分束片的反射光作为探测光，与经所述的抛物镜反射的太赫兹合束，利用所述的平衡探测装置记录所述的太赫兹波形；连续增加所述的石英楔板的***量，以连续改变待测光的CEP，所述的平衡探测器记录不同CEP时不同光丝位置的太赫兹形及其反转结果；

③计算CEP的绝对值的步骤如下：

a)从所述的太赫兹形及其反转结果找太赫兹形的反转点，第一个太赫兹形反转点消失时对应的待测光的CEP为0.5π；

b)测量第一个太赫兹形反转点消失时对应的石英楔板的***量Δl；

c)按下列公式计算石英楔板***量Δl引起的CEP改变量

其中，ω是待测光频率，u是待测光群速度，v是待测光相速度，λ是待测光的波长，n是石英楔板(7)折射率，c是光在真空中的速度，并且 $v=\frac{c}{n},$ $u=v-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{d\λ}}=v(1+\frac{\mathrm{\λ}}{n}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}),$ n＝1.4974， $\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}=-0.0138;$

d)

本发明的优点：

①本发明采用激光在空气中产生光丝测量太赫兹形，利用太赫兹形反转与CEP相关性判定驱动激光的CEP，实验现象在测量过程中直观可辨，实验装置简单，不需要高真空装置和复杂的设备，可操作性好。

②实验所需的激光能量最低仅0.2mJ，具有更广泛的应用前景。

③本发明测量的是激光的初始CEP值，不受聚焦和其它非线性效应的影响，更加准确可靠。

附图说明

图1为本发明探测装置结构示意图。

图2为本发明不同CEP(π范围)下太赫兹极性反转示意图。

图3为CEP判定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

①先请参阅图1，图1为本发明激光空气成丝产生波形反转的太赫兹及太赫兹探测装置结构示意图。由图可见，由钛宝石激光器1出来的激光经分束片2将激光分为透射光束和反射光束，所述的反射光束经全反镜12反射、延时器13、透镜14后，入射到合束片15，所述的透射光经光参量放大***3、透镜4、空心光纤5、硅片6后产生具有CEP稳定的待测光，所述的待测光的前进方向上设置石英楔板7、第一全反镜8，该全反镜8将激光反射到球面镜9聚焦产生光丝，该光丝产生的太赫兹经抛物镜11聚焦到合束片15，与该合束片15反射的光束合并为一束，射入探测晶体16中，经探测晶体16，半波片17、渥拉斯顿棱镜18和平衡探测器19构成的平衡探测装置探测，所述的分束片2、全反镜12、抛物镜11、合束片15与射入的光束呈450，所述的探测晶体16位于所述的透镜14和抛物镜11的共同焦点处；插图将本发明装置中的楔板参数标示，边长为L，高为h，顶角为a。

装置的工作原理：钛宝石激光器1出来的激光(中心波长为800nm，脉冲宽度25fs，重复频率1kHz,输出能量为5.2mJ)，经分束片2将激光分为透射光束和反射光束，透射光束经光参量放大***3、第一透镜4聚焦、空心光纤压缩器5压缩脉冲宽度、硅片6色散补偿产生CEP稳定的红外波长的周期量级飞秒脉冲(中心波长1800nm，脉冲宽度11fs约为1.8个光学周期，输出能量为0.45mJ)，改变石英楔板7的***量连续改变待测光的CEP，例如以0.1π的间隔在2π周期内连续增加或减小CEP，经第一全反镜8将激光反射到球面镜9聚焦成光丝产生太赫兹，该太赫兹经抛物镜11聚焦到合束片15；经所述的分束片2的反射光(中心波长800nm)作为探测光，经延时器13、第二透镜14在所述的合束片15与透射光束(中心波长1800nm)合并为合束光，该合束光射入太赫兹探测晶体16中，经所述的平衡探测器19探测。沿光丝的传播方向上，连续移动安装在平移台的薄金属片10在不同的光丝位置去挡光丝，得到在不同成丝位置的太赫兹反转波形。如图1所示，例如在某个CEP下在光丝前段4mm处得到的太赫兹(1)的极性与当移动金属片移动到光丝后段的7mm得到的太赫兹(2)的极性相反；

本发明装置实施例的具体参数如下：

如图1布置光路，第一透镜4的焦距为20cm，图中插图所示石英楔板7，顶角a为3°，边长L为50mm，高h为2mm，安装有石英楔板7的步进电机移动⊿d，CEP改变0.1π，则CEP改变2π时，步进电机移动的位移S＝20⊿d。球面镜9的焦距为15cm，产生大约12mm的光丝。用薄金属片10(约0.2mm×4mm×20mm)阻挡所述的光丝，使后面的光丝消失，记录前面未挡光丝产生的太赫兹，分束片2、全反镜12、抛物镜11、合束片15与射入的光束呈45°，石英楔板与激光垂直放置，延时器13是由两面全反镜垂直放在移动滑轨上而构成的，该延时器的第一面镜子与全反镜12平行放置，第二透镜14的焦距为50cm，抛物镜11的焦距为10cm，探测晶体16放在透镜14和抛物镜11的共同焦点处，探测晶体16的厚度为1mm；

②图2为本发明中不同CEP(π范围)下太赫兹极性反转的简单示意图，能量为250uJ时太赫兹极性反转结果。如图2所示，两种灰度代表太赫兹不同的极性，较深的颜色代表太赫兹的正极性，较浅的颜色代表太赫兹的负极性，我们将太赫兹波形反转所处的位置称为反转点。理论分析计算得到的规律是：CEP＝0.0π～0.4π时，光丝前端的太赫兹形的反转点位置是逐渐移向光丝开始端，在CEP＝0.5π时，光丝前端的太赫兹形的反转点消失。依据此规律可直观解释CEP判断的步骤：找到在光丝前端的太赫兹形反转点消失点，在光丝起始端时对应的CEP为0.5π，依据测量的楔板***量，计算出楔板前后待测光与透射激光的CEP之差得到待测光的CEP的真值。

测量石英楔板7的***量为Δl,则石英楔板7***量Δl引起的CEP改变量为

其中ω是待测光的频率，u是待测光的群速度，v是待测光的相速度，λ是待测光的波长，n是石英楔板(7)的折射率，c是光在真空中的速度，并且 $v=\frac{c}{n},$ $u=v-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{d\λ}}=v(1+\frac{\mathrm{\λ}}{n}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}),$ n＝1.4974， $\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}=-0.0138;$

最后得到待测光的

图3是本发明CEP判定流程图。

实验表明，本发明不受聚焦和非线性效应地限制，不需要超高真空等复杂装置，不受苛刻实验条件的局限，可以直接测量周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的准确值，为测量载波-包络相位的绝对值提供了可靠的途径。

Claims (1)

1.一种周期量级飞秒激光脉冲的载波-包络相位的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①设置装置：钛宝石激光器(1)出来的激光经分束片(2)分为透射光和反射光，所述的反射光经第二全反镜(12)、延时器(13)、第二透镜(14)入射到合束片(15)；所述的透射光经光参量放大***(3)、第一透镜(4)、空心光纤(5)、硅片(6)后产生CEP稳定的待测激光，在所述的待测激光的前进方向上垂直于所述的待测激光光束设置石英楔板(7)、第一全反镜(8)，该第一全反镜(8)将待测激光反射经球面镜(9)聚焦产生光丝，该光丝产生的太赫兹波经抛物镜(11)会聚到合束片(15)，该太赫兹波透过所述的合束片(15)与所述的反射光经所述的合束片(15)反射的光束合并为一束称为合束光，该合束光由探测晶体(16)、半波片(17)、渥拉斯顿棱镜(18)和平衡探测器(19)构成的平衡探测装置探测，所述的分束片(2)、第二全反镜(12)、抛物镜(11)和合束片(15)各与射入的光束呈45⁰，所述的探测晶体(16)位于所述的第二透镜(14)和抛物镜(11)的共同焦点处；

②测量：初始时石英楔板(7)的***待测激光光束的***量小，使待测激光的光斑正好通过，待测激光经所述的球面镜(9)在空气中聚焦产生光丝，该光丝产生太赫兹波，薄金属片(10)安装在平移台上，使所述的薄金属片(10)从光丝的起始端开始，以0.5mm的间隔沿所述的光丝的长度方向连续移动所述的薄金属片(10)在光丝的不同位置挡光丝，直至光丝的末端，所述的分束片(2)的反射光作为探测光，与经所述的抛物镜(11)反射的太赫兹波合束，利用所述的平衡探测装置记录所述的太赫兹波波形；连续增加所述的石英楔板(7)的***量，以连续改变待测激光的CEP，所述的平衡探测器(19)记录不同CEP时不同光丝位置的太赫兹波波形及其反转结果；

③计算待测激光CEP的绝对值的步骤如下：

a)从所述的太赫兹波形及其反转结果找太赫兹波波形的反转点，第一个太赫兹波波形反转点消失时对应的CEP为0.5π；

b)测量第一个太赫兹波波形反转点消失时对应的石英楔板(7)的***量Δl；

c)按下列公式计算石英楔板(7)***量Δl引起的CEP改变量

其中，ω是待测激光频率，u是待测激光群速度，v是待测激光相速度，λ是待测激光的波长，n是石英楔板(7)的折射率，c是光在真空中的速度，并且 $u=v-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{d\λ}}=v(1+\frac{\mathrm{\λ}}{n}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}),$ n＝1.4974， $\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}}=-0.0138;$

d)