CN103698025A - 基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

一种测量光脉冲特性领域的基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置，通过将待测光束分为两束，其中一束光经过延迟后两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，从而产生相应的切伦科夫辐射倍频，两路切伦科夫辐射倍频的时域重叠部分产生自相关信号，调整其中一束光的延迟量，测量该自相关信号的变化与该延迟量的变化之间的关系，得到自相关曲线，从而获得待测光束的脉冲时域宽度。本发明提高了非线性转化效率，产生更强的自相关信号。

Description

基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种测量光脉冲特性领域的方法及装置，具体是一种基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置。

背景技术

超短激光，即飞秒至几个皮秒量级的脉冲光，已经广泛应用于光学、物理学、生物学、化学等学科，在研究光与物质相互作用、非线性成像、飞秒化学、飞秒计量学、激光微加工等领域有重要应用。超短激光脉冲时域宽度是脉冲激光表征中重要的一个参数，对超短激光脉冲的测量是最基本、最常规的程序。

超短激光脉冲的测量技术很多，从最基本的光学自相关方法Optical autocorrelation到光学频率解析光学开关法Frequency resolved optical gating,FROG再到光谱相位相干直接电场重建法Spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction,SPIDER等，他们都是利用飞秒脉冲自身复制脉冲或者另一脉冲作为参考，通过分束后一路经延迟线后再在非线性晶体合束，利用他们在不同时间延迟量下呈现出不同的非线性信号来探测或反推出入射脉冲的时间脉宽或者是其他信息。同一种方法又根据利用的非线性机制的不同可再细分。

这其中最基本的自相关法由于结构简单，操作方便，不需要复杂的算法，可以直接读出待测脉冲的时域脉宽信息，可直接测量从飞秒到皮秒量级的超短脉冲等优点而得到最广泛的应用，相应的商品化的仪器也最成熟。

目前，自相关仪中的非线性频率变换机制都是利用双折射相位匹配技术。但是这些机制都存在两个重要的制约条件，第一就是匹配带宽问题，由于飞秒脉冲的频谱很宽，有10～30纳米，所以实际使用时前者要使用很薄的非线性晶体，如几十微米厚的BBO晶体。对于更宽频谱的超短脉冲的倍频，这种机制往往受到很大的限制；这也相应地带来了第二个制约，转化效率减低。由于倍频晶体很薄，作用距离短，自相关信号弱。信号探测需要灵敏的光电二极管或光电倍增管作为探头加上复杂的弱信号放大电路，这也决定了自相关仪能测量的最小脉冲能量。

晶体中光学非线性切伦科夫辐射是一种新的非共线二次谐波产生过程，其匹配条件没有双折射或准相位匹配条件那么严苛，可以得到高效宽带的二次谐波。在非线性光学中，如果由基波激发的非线性极化波的相速度大于谐波在介质中的速度时，该极化波将沿着切伦科夫角出射二次谐波。非线性介质中产生切伦科夫倍频的条件是基频光的折射率小于倍频光的折射率，这在正常色散的非线性材料中完全满足，而且这一转换机制不受匹配带宽的限制，可以在晶体的通光范围都可以实现。实验中发现，对于极化的铁电晶体，在正畴和负畴的交界面这一个薄区域内，这一现象变得尤为明显，即切伦科夫辐射得到极大的增强。研究表明，这一区域由于晶格结构不对称造成了对称性破缺，高度空间不对称性导致二阶非线性系数增强。由于畴壁呈现平面型特性，在畴壁上激发的切伦科夫倍频呈左右对称的光斑。因此利用畴壁上增强的非线性来进行超短脉冲的自相关测量将具有明显的优势。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101246057，公开日2008-8-20，记载了一种测量超短激光脉冲宽度的自相关仪。由固定聚焦反射镜、通过电机驱动的移动聚焦反射镜、非线性光学谐波发生器、滤光片和光电探测器组成，所述的非线性晶体设置在入射光束传播路径的外侧，入射光脉冲经过固定聚焦反射镜和移动聚焦反射镜反射分为两束光，两束光同时聚焦到非线性晶体中。两束脉冲光在非线性晶体中非共线会合产生光谐波，从而测量得到脉冲强度的二阶自相关曲线，但该技术中产生的谐波的机制是双折射相位匹配。如前所述，双折射相位匹配机制在宽光谱的飞秒脉冲的测量过程中有诸多缺陷，往往存在晶体的匹配角度、相位匹配带宽和转化效率低的问题。特别是在飞秒脉冲的测量中，如果相位匹配带宽小于飞秒脉冲本身的光谱宽度，则得到的自相关曲线宽度会偏大，推测的脉冲宽度也偏大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置,采用非线性相互作用机制，可以产生全宽频谱的相位匹配，由于信号的出射角度不与入射光共线，二者夹角较大，使得光路的调节更加简单。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法，通过将待测光束分为两束，其中一束光经过延迟后两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，从而产生相应的切伦科夫辐射倍频，两路切伦科夫辐射倍频的时域重叠部分产生自相关信号，调整其中一束光的延迟量，测量该自相关信号的变化与该延迟量的变化之间的关系，得到自相关曲线，从而获得待测光束的脉冲时域宽度。

所述的周期极化非线性铁电晶体由以下方式获得：Z向切割晶体，Z向即使为晶体沿光轴方向，上、下表面分别对应+Z，-Z面，两面平行并经过光学抛光，表面的法线即为晶体的自发极化方向；在-Z面上镀上均匀导电电极，+Z面镀上一维周期性导电电极，并对该晶体进行室温电场极化。

所述的电场极化施加的脉冲峰值电压大于晶体的矫顽场。，极化好之后将电极洗去，并切割极化晶体为沿着X方向长度为3mm。

所述的周期极化非线性铁电晶体的畴壁为周期性极化畴结构中正畴和负畴的交界面，畴壁的间隔为极化周期的一半。

所述的晶体为厚度1mm的5％mol掺杂比的Z切割掺镁铌酸锂晶片。

所述的一维周期性导电电极的周期为15μm。

所述的两束光经反射聚焦镜沿着晶体的X方向聚焦至周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，聚焦镜焦距为10cm，入射角度为15度，聚焦光斑在晶体中的大小为150μm，两束光在晶体中的重叠长度为2mm，聚焦光束在晶体中覆盖20个畴壁。当极化周期变小，覆盖的畴壁数目变多，相应的信号也更强，但同时制备的畴壁平整度下降，极化难度增加。

所述的待测光束的分束、延迟量的控制和聚焦的装置包括：入射光阑、分束镜、第一直角棱镜、聚焦反射镜、第二直角棱镜和移动平台，其中：待测光由入射光阑入射，经分束镜分为两束，第一直角棱镜和第二直角棱镜分别位于分束镜的两侧使得两束光平行入射聚焦反射镜，从而聚焦于周期极化非线性铁电晶体，第二直角棱镜设置于移动平台上，调整移动平台与分束镜之间的水平距离以实现对光束延迟量的控制。

本发明涉及一种用于实现上述方法的测量装置，包括：入射光阑、分束镜、第一直角棱镜、聚焦反射镜、第二直角棱镜、移动平台、周期极化非线性铁电晶体、记录探测器和控制***，其中：待测光由入射光阑入射，经分束镜分为两束光，两束光分别经过设置于分束镜两侧的第一直角棱镜和第二直角棱镜的折射形成平行光束入射至聚焦反射镜上，第二直角棱镜设置于移动平台上以调整其中一束光的时间延迟量，聚焦反射镜将两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，从而产生自相关信号，记录探测器记录自相关信号，记录探测器和移动平台由控制***控制。

所述的两束光经过周期极化非线性铁电晶体投射的透射光投射于上转换片上，将该上转换片设置成测量装置的一个后视窗口，并设上位置标记，这样在光路调节准直时，只需通过入射光阑和后视窗口的上转换片即可。

所述的自相关信号的出射处设有限孔光阑用以滤掉杂光。

所述的分束镜与待测光的入射角度呈45°。

所述的第一直角棱镜与分束镜的距离等于第二直角棱镜前后平移的中心位置离分束镜的距离。

所述的聚焦反射镜的焦距为10cm。

技术效果

本发明提高了非线性转化效率，产生的自相关信号更强。基于该机制的自相关测量方法更适合于对低脉冲能量下超短脉冲的测量；在非线性晶体的通光光谱内都可以实现高效频率变换，而不受双折射或准相位匹配条件限制；克服了现有技术中自相关仪对入射光有偏振要求的缺陷。由于透射光和自相关的信号夹角很大，完全分开，使得光路的准直变得非常容易，可以利用入射光和透射光的限孔直接调整光路。这样可以不用打开仪器，直接根据入射光阑和后视窗口调整自相关仪。

附图说明

图1为两束交叉同步的超短脉冲在晶体界面处产生的切伦科夫辐射的示意图；

图2为入射中心波长800nm的飞秒光及其切伦科夫的倍频光的频谱；

图3为本发明的测试装置结构示意图；

图4为实施例1测量得到的全高半宽为95fs的飞秒脉冲。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例将待测光束分为两束，其中一束光经过延迟后两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，从而产生相应的切伦科夫辐射倍频，两路切伦科夫辐射倍频的时域重叠部分产生和频光，即自相关信号，调整其中一束光的延迟量，测量该自相关信号的变化与该延迟量的变化之间的关系，得到自相关曲线，从而获得待测光束的脉冲时域宽度。

周期极化非线性铁电晶体由以下方式获得：选取厚度为1mm的5％mol掺杂比的Z切割掺镁铌酸锂晶片，Z向即使为晶体沿光轴方向，上、下表面分别对应+Z，-Z面，两面平行并经过光学抛光，表面的法线即为晶体的自发极化方向；在-Z面上镀上均匀导电电极，+Z面镀上周期为15μm的一维周期性导电电极，并对该晶体进行室温电场极化。所用外电场为脉冲高压电场，由于掺镁铌酸锂晶体的矫顽场为4.5kV/mm，所以施加的脉冲峰值电压要大于4.5kV/mm，脉冲周期的长短与次数与电极的实际表面积有关。极化好之后将电极洗去，并切割极化晶体为沿着X方向长度为3mm，其畴壁为周期性极化畴结构中正畴和负畴的交界面，畴壁的间隔为极化周期的一半。

所述的两束光经反射聚焦镜沿着X方向聚焦至极化晶体的畴壁上，聚焦镜焦距为10cm，入射角度为15度。聚焦光斑在晶体中的大小为150μm，两束光在晶体中的重叠长度为2mm，聚焦光束在晶体中覆盖20个畴壁。当极化周期变小，覆盖的畴壁数目变多，相应的信号也更强，但同时制备的畴壁平整度下降，极化难度增加。

所述的待测光束的分束、延迟量的控制和聚焦的装置包括：入射光阑1、分束镜2、第一直角棱镜3、聚焦反射镜4、第二直角棱镜5和移动平台6，其中：待测光由入射光阑1入射，经分束镜2分为两束，第一直角棱镜3和第二直角棱镜5分别位于分束镜2的两侧使得两束光平行入射聚焦反射镜4，从而聚焦于周期极化非线性铁电晶体7，第二直角棱镜5设置于移动平台6上，调整移动平台6与分束镜2之间的水平距离以实现对光束的延迟的控制。

本实施例以Z切割周期性极化的5%mol掺镁铌酸锂晶体为例，但不局限于铌酸锂晶体，其他极化铁电晶体亦可。实例中待测光为中心波长为800nm的飞秒激光，同时为了利用最大铌酸锂晶体最大的非线性系数，可以设定入射光为e光。此时产生的切伦科夫倍频光也为e光，该0型匹配方式利用了晶体最大的非线性系数张量元d₃₃。非线性切伦科夫辐射只在正负畴交界面即畴壁的地方产生，此处的非线性系数有很大的增强。在晶体内部，切伦科夫角α为cosα＝n_1e/n_2e，其中n_1e和n_2e分别为基频光和倍频光的折射率。与中心波长为800nm激光对应的切伦科夫辐射外出射角约为56度。由于聚焦光斑在晶体中总是可以覆盖多个畴壁，因此不需对晶体的角度进行调整，光路调节更加方便。而且铌酸锂晶体在其光学通光范围内总是正常色散，总是满足非线性切伦科夫辐射条件。

对于o光偏正的入射光，根据掺镁铌酸锂晶体的色散条件可知，对于波长小于1050nm的入射光，同样存在切伦科夫辐射，倍频光为e光，该I型匹配方式利用了晶体非线性系数张量元d₃₁，出射角度不同cosα＝n_1o/n_2e，但仍能同样进行测量。由于畴壁上d₃₁小于d₃₃，同样强度的o光入射光得到的自相关信号弱一些。值得一提的是，畴壁上d₃₃/d₃₁≈1.7，这一点与体介质d₃₃/d₃₁≈7不同。对于传统的自相关仪而言，另一正交偏振的入射光由于始终不能相位匹配是不能用来测量的，只能通过偏振旋转后再测量，本发明克服了现有技术中自相关仪对入射光有偏振要求的缺陷。

如图1所示，当两束有一夹角的e偏振入射光聚焦在周期极化非线性铁电晶体7上时，它们各自产生一对e偏振的切伦科夫倍频光。当二者在晶体中时空重叠时，在它们切伦科夫倍频光的中间产生二者的和频光，即是自相关信号。

图2显示的是待测光的入射光和切伦科夫倍频光的光谱，可以看出所有的频谱成分都得到了完全变换。利用切伦科夫辐射机制的全带宽倍频的这一特性，可以使用更长的非线性晶体来进一步提高信号的强度，实现对更低能量脉冲的测量。

如图3所示，将一个待测光通过入射光阑1经分束镜2分束，一路通过直角棱镜3和聚焦反射镜4聚焦至非线性晶体7中，产生相应的切伦科夫倍频光8；另一路通过直角棱镜5和聚焦反射镜4聚焦至非线性晶体7中，产生相应的切伦科夫倍频光8。切伦科夫倍频光的出射角由非线性切伦科夫辐射的相位匹配条件决定。由于直角棱镜5固定在可控的平移台6上，因而可以控制这一路光路的时间延迟量。当两路光聚焦后在非线性晶体7中时空重叠时，在切伦科夫倍频光8的夹角中产生切伦科夫和频光10，即是自相关信号。限孔光阑9滤掉其他杂光，只保留自相关信号10用于探测；控制***12记录探测器11探测到的自相关信号强度并控制平移台6移动，最后得到自相关信号强度随平移台位置的关系曲线。根据这个结果曲线直接得到待测激光脉冲的时域宽度，从而实现脉宽测量。

本实施例得到的800nm的e光自相关数据如图4所示，测量得到的全高半宽为95fs的飞秒脉冲的结果。本发明同样适用于更宽频谱和更短脉宽激光的测量。

实施例2

如图3所示，本实施例包括：入射光阑1、分束镜2、第一直角棱镜3、聚焦反射镜4、第二直角棱镜5、移动平台6、周期极化非线性铁电晶体7、记录探测器11和控制***12，其中：待测光由入射光阑1入射，经分束镜2分为两束光，两束光分别经过设置于分束镜2两侧的第一直角棱镜3和第二直角棱镜5的折射形成平行光束入射至聚焦反射镜4上，第二直角棱镜5设置于移动平台6上以调整其中一束光的时间延迟量，聚焦反射镜4将两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体7的畴壁上，从而产生自相关信号，记录探测器11记录自相关信号，记录探测器11和移动平台6由控制***12控制。

所述的两束光经过周期极化非线性铁电晶体7投射的透射光投射于上转换片13上，将该上转换片13制作成测量装置的一个后视窗口，并做上位置标记，这样在光路调节准直时，只需通过入射光阑1和后视窗口的上转换片13即可。

所述的自相关信号的出射处设有限孔光阑9用以滤掉杂光。

所述的分束镜2与待测光的入射角度呈45°。

所述的第一直角棱镜3与分束镜的距离等于第二直角棱镜5前后平移的中心位置离分束镜的距离。

所述的聚焦反射镜的的焦距为10cm。

如图3所示，将一个待测光通过入射光阑1经分束镜2分束，一路通过直角棱镜3和聚焦反射镜4聚焦至周期极化非线性铁电晶体7中，产生相应的切伦科夫倍频光8；另一路通过直角棱镜5和聚焦反射镜4聚焦至周期极化非线性铁电晶体7中，产生相应的切伦科夫倍频光8。切伦科夫倍频光的出射角由非线性切伦科夫辐射的相位匹配条件决定。由于直角棱镜5固定在可控的平移台6上，因而可以控制这一路光路的时间延迟量。当两路光聚焦后在周期极化非线性铁电晶体7中时空重叠时，在切伦科夫倍频光8的夹角中产生切伦科夫和频光10，即是自相关信号。限孔光阑9滤掉其他杂光，只保留自相关信号10用于探测；控制***12记录探测器11探测到的自相关信号强度并控制平移台6移动，最后得到自相关信号强度随平移台位置的关系曲线。

聚焦的光束经过周期极化非线性铁电晶体7后透射打在上转换片13上，显示可见光光斑。由于透射光与自相关信号的夹角较大，二者是分开的。可以将上转换片13制作成仪器的一个后视窗口，并做上位置标记，这样在光路调节准直时，只需通过入射光阑1和后视窗口的上转换片13即可。

Claims (10)

1.一种基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法，其特征在于，通过将待测光束分为两束，其中一束光经过延迟后两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，从而产生相应的切伦科夫辐射倍频，两路切伦科夫辐射倍频的时域重叠部分产生自相关信号，调整其中一束光的延迟量，测量该自相关信号的变化与该延迟量的变化之间的关系，得到自相关曲线，从而获得待测光束的脉冲时域宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的周期极化非线性铁电晶体由以下方式获得：Z向切割晶体，Z向即使为晶体沿光轴方向，上、下表面分别对应+Z，-Z面，两面平行并经过光学抛光，表面的法线即为晶体的自发极化方向；在-Z面上镀上均匀导电电极，+Z面镀上一维周期性导电电极，并对该晶体进行室温电场极化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的周期极化非线性铁电晶体的畴壁为周期性极化畴结构中正畴和负畴的交界面，畴壁的间隔为极化周期的一半。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的一维周期性导电电极的周期为15μm。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的电场极化施加的脉冲峰值电压大于晶体的矫顽场。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是，所述的待测光束的分束、延迟量的控制和聚焦的装置包括：入射光阑、分束镜、第一直角棱镜、聚焦反射镜、第二直角棱镜和移动平台，其中：待测光由入射光阑入射，经分束镜分为两束，第一直角棱镜和第二直角棱镜分别位于分束镜的两侧使得两束光平行入射聚焦反射镜，从而聚焦于周期极化非线性铁电晶体，第二直角棱镜设置于移动平台上，调整移动平台与分束镜之间的水平距离以实现对光束延迟量的控制。

7.一种用于实现上述权利要求1-6中任一所述方法的测量装置，其特征在于，包括：入射光阑、分束镜、第一直角棱镜、聚焦反射镜、第二直角棱镜、移动平台、周期极化非线性铁电晶体、记录探测器和控制***，其中：待测光由入射光阑入射，经分束镜分为两束光，两束光分别经过设置于分束镜两侧的第一直角棱镜和第二直角棱镜的折射形成平行光束入射至聚焦反射镜上，第二直角棱镜设置于移动平台上以调整其中一束光的时间延迟量，聚焦反射镜将两束光聚焦于周期极化非线性铁电晶体的畴壁上，从而产生自相关信号，记录探测器记录自相关信号，记录探测器和移动平台由控制***控制。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征是，所述的两束光经过周期极化非线性铁电晶体投射的透射光投射于上转换片上，将该上转换片设置成测量装置的一个后视窗口，并设上位置标记；所述的自相关信号的出射处设有限孔光阑用以滤掉杂光。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征是，所述的分束镜与待测光的入射角度呈45°；聚焦反射镜的焦距为10cm。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征是，所述的第一直角棱镜与分束镜的距离等于第二直角棱镜前后平移的中心位置离分束镜的距离。

Images