CN109813451A - 超快激光脉冲的全相位测量及锁定方法和相应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超快激光脉冲的全相位测量方法，所述超快激光脉冲的光谱范围大于一个倍频程，所述方法包括如下步骤：步骤一：将所述超快激光脉冲分成第一光束和第二光束，其中，所述第一光束包含波长λ₀的基频光，所述第二光束包含波长2λ₀的光；步骤二：将所述波长2λ₀的光倍频至波长λ₀，再与所述波长λ₀的基频光发生干涉；步骤三：对所述干涉的干涉光谱进行傅里叶变换；以及步骤四：基于所述傅里叶变换的结果获取波长λ₀的基频光和倍频光之间的相对包络延时RED和载波包络相位CEP。本发明的方法能够采用一套简单的装置同时实现超快激光脉冲的全相位测量，测量精度高。

Description

超快激光脉冲的全相位测量及锁定方法和相应的装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种超快激光脉冲的全相位测量及锁定装置和相应的方法。

背景技术

在激光技术领域，如何获得能量更强、脉宽更短的激光脉冲一直是重要的研究方向。其中，相干控制与合成既可以实现在脉宽上比各个入射脉冲都短的合成脉冲，也可以使入射脉冲的能量得到大幅度的提高，因此其在超强超快激光脉冲的产生领域的应用是目前国际上具有战略意义的前沿课题。相干控制与合成的关键性因素是如何实现超快激光脉冲的全相位的测量以及锁定。

超快激光的全相位为多个相干合成激光脉冲之间的相对相位，其包括多个相干合成激光脉冲之间的相对包络延时(RED)和相干合成之后激光脉冲的载波包络相位(CEP)两项，相对包络延时RED是两束脉冲包络之间的相对相位差，而载波包络相位CEP是单个脉冲中载波与包络峰值的相位差。在周期量级激光脉冲领域，RED和CEP对脉冲的相干合成有很大的影响。目前，国际上可以分别对RED和CEP进行锁定控制，其中，锁定控制RED的方法有平衡光学互相关(BOC)、以及光谱干涉方案等等，锁定控制CEP的方法有f-2f方案等。想要对RED和CEP同时锁定和控制，就必须设置两套不同的装置，这使得测量过程极其复杂、操作难度高、测量精度差。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种超快激光脉冲的全相位测量方法，所述超快激光脉冲的光谱范围大于一个倍频程，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将所述超快激光脉冲分成第一光束和第二光束，其中，所述第一光束包含波长λ₀的基频光，所述第二光束包含波长2λ₀的光；

步骤二：将所述波长2λ₀的光倍频至波长λ₀，再与所述波长λ₀的基频光发生干涉；

步骤三：对所述干涉的干涉光谱进行傅里叶变换；以及

步骤四：基于所述傅里叶变换的结果获取波长λ₀的基频光和倍频光之间的相对包络延时RED和载波包络相位CEP。

根据本发明的全相位测量方法，优选地，所述超快激光脉冲的光谱范围为450nm-1000nm。

根据本发明的全相位测量方法，优选地，所述λ₀为480nm。

根据本发明的全相位测量方法，优选地，在所述步骤四中，所述傅里叶变换的结果中，第一个峰值点的横坐标和纵坐标分别表示所述相对包络延时RED和总的相对相位RTP。

根据本发明的全相位测量方法，优选地，根据如下公式计算所述载波包括相位CEP：

其中，Ф为总的相对相位RTP，w为所述超快激光脉冲的频率，Δt为相对包络延时RED，为载波包络相位CEP。

根据本发明的全相位测量方法，优选地，还包括：

步骤五：基于所述相对包络延时RED和所述载波包括相位CEP进行反馈锁定的步骤。

本发明还提供了一种超快激光脉冲的全相位测量装置，包括：

超快激光源，用于发射光谱范围大于一个倍频程的超快激光脉冲；

分束元件，用于将所述超快激光脉冲分成第一光束和第二光束，其中，所述第一光束包含波长λ₀的基频光，所述第二光束包含波长2λ₀的光；

至少一个光程调节部件，用于调节所述第一光束或所述第二光束的光程；

合束元件，设置于所述至少一个光程调节部件之后，用于将所述第一光束和第二光束合束；

倍频晶体，用于将波长2λ₀的光倍频至λ₀；

偏振调节部件，用于调节波长λ₀的基频光和波长λ₀的倍频光的偏振方向以使二者发生干涉；

光谱采集装置，用于采集所述干涉的光谱图样；以及

数据处理单元，用于将所述光谱图样进行傅里叶变换并提取波长λ₀的基频光和倍频光之间的相对包络延时RED和载波包络相位CEP。

根据本发明的超快激光脉冲的全相位测量装置，优选地，还包括反馈控制单元，用于将所述相对包络延时RED反馈给所述至少一个光程调节部件，以及将所述载波包络相位CEP反馈给所述超快激光源。

根据本发明的超快激光脉冲的全相位测量装置，优选地，所述傅里叶变换的结果中，第一个峰值点的横坐标和纵坐标分别表示所述相对包络延时RED和总的相对相位RTP。

根据本发明的超快激光脉冲的全相位测量装置，优选地，所述数据处理单元根据如下公式计算所述载波包括相位CEP：

其中，Ф为总的相对相位RTP，w为所述超快激光脉冲的频率，Δt为相对包络延时RED，为载波包络相位CEP。

与现有技术相比，本发明的优点在于：能够同时得到超快激光的全相位信息，装置简单、方法易于操作、测量精度高。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的测量和锁定超快激光脉冲的全相位的光路图；

图2为根据本发明实施例的干涉光谱曲线；

图3为图2所示的干涉光谱曲线的傅里叶变换图样；以及

图4示出超快激光在全相位锁定和不锁定两种情况下的RED数据、RTP数据和干涉光谱图样。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供一种超快激光脉冲的全相位测量和锁定方法，参见图1所示的测量和锁定超快激光脉冲的全相位的光路图。钛宝石激光器和光谱展宽部件构成的超快光源1输出的能量为0.4mJ、波段为450-1000nm的超连续谱光到达双色镜2，被分成650-1000nm的长波束和450-750nm的短波束，长波束通过压电陶瓷平移台PZT1并经反射镜3到达双色镜5，短波束通过压电陶瓷平移台PZT2并经反射镜4到达双色镜5，压电陶瓷平移台PZT1和PZT2用于调节两路光的光程，长波束和短波束经由双色镜5合束，然后到达尖劈对分束器6，大部分光作为输出光输出，一小部分光作为测量和锁定光实现后续的测量锁定过程。具体地，锁定光通过抛物面镜7聚焦至I类相位匹配BBO晶体8上，其中，长波束中的波长为960nm左右的光被BBO晶体8倍频至480nm左右，并且偏振态相比基频光旋转了90°。然后借由带通滤波片9将480nm左右的基频光和倍频光滤出，其它波长的光被滤掉。从带通滤波片9出射的480nm左右的光进入半波片10和格兰棱镜11，二者共同调节光束的偏振态，使基频光和倍频光的具有同一方向上的偏振分量，从而发生干涉。继而，借由一曲率半径为100nm的宽带凹面银镜12将干涉光聚焦到精度为0.5nm的光谱仪13上以采集干涉光谱，干涉光谱曲线如图2所示。

在频域范围内，超连续谱中短波基频光与长波倍频光可以分别被写成：

其中，I_f(w)与I_sh(w)分别为基频光短波部分的与长波部分倍频之后的强度，w为激光脉冲频率，为激光脉冲载波包络相位(CEP)，Δt为两束脉冲之间的相对包络延时(RED)，由麦克斯韦方程可知，长波部分的二次谐波电场与基频存在一个固定的相移π/2。所以和分别为基频光与倍频光的光谱相位。

干涉叠加后的光强为

其中第三项为干涉项，包含了CEP以及RED的信息。

光谱仪13连接至数据处理单元14，数据处理单元14对公式(3)的干涉光强信息进行傅里叶变换，提取出虚部即为总的相对相位RTP：

由上式可知，两束光之间的总的相对相位RTP包括相对包络延时Δt和载波包络相位将光谱仪采集的干涉图样进行傅里叶变换，得到图3所示的曲线，图3即为图2所示的干涉光谱曲线的傅里叶变换图样，其中，横轴表示时间，纵轴表示强度，曲线中的第一个峰值点(一阶)的横坐标和纵坐标分别为RED(即Δt)和RTP(即Ф)，将Δt和Ф的值代入前述公式(4)，就能够得到即CEP的信息，于是就得到了相对包络延时RED和载波包络相位CEP，也就是得到了超快激光的主相位信息。为了实现锁定控制，继续参见图1，通过第一反馈模块PID1将RED反馈给PZT1从而实现RED的锁定，通过第二反馈模块PID2将CEP反馈给超快光源1中的压缩器以实现CEP的锁定，最终实现了超连续光的全相位锁定。

为了体现本发明的效果，发明人监测了全相位锁定和不锁定两种情况下的RED数据、RTP数据和干涉光谱图样，在0s-20s锁定，20s-40s取消锁定，结果如图4所示。参见图4的(a)，在0-20s，RED的均方根(RMS)值约为25as，在20-40s，RED的RMS值约130as；参见图4的(b)，在0-20s，在RTP的RMS值约为300mrad，在20-40s，RTP的RMS值约1000rmad；参见图4的(c)，在0-20s，干涉光谱比较干净，在20-40s，干涉光谱比较紊乱。可以看出，本发明的全相位锁定大大改善了超连续光源的性能。

在本发明的实施例中，BBO晶体8、带通滤波片9、半波片10、格兰棱镜11、宽带凹面银镜12和光谱仪13构成f-2f装置，用于获得两束光的干涉光谱信息。本发明的关键是从干涉光谱信息中提取出两束光的相对包络延时和载波包络相位，然后分别反馈给压电陶瓷和超快光源，从而实现超快激光的全相位锁定。

另外，在该实施例中，还可以通过第一反馈模块PID1将RED反馈给PZT2来实现RED的锁定，另外，CEP可以反馈给光源中的其他部件，例如放大器、展宽器等。

根据本发明的其他实施例，采用光纤激光器，将其输出光展宽后得到超快激光。

根据本发明的其他实施例，压电陶瓷可以用本领域公知的光程调节部件来代替。另外，可以只设置一个光程调节部件，用于调节长波波段光束或短波波段光束的光程继而调节两束光的光程差。

根据本发明的其他实施例，双色镜2和双色镜5可以用本领域公知的其他分束/合束元件来代替。

根据本发明的其他实施例，数据处理单元、第一反馈模块和第二反馈模块集成在电脑中，实现光谱的傅里叶变换、相对包络延时和载波包络相位的提取和反馈锁定。

根据本发明的其他实施例，倍频晶体采用其他的三阶非线性介质，例如：KDP、PPLN、磷酸二氢铵(ADP)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、砷酸二氘铯(DCDA)、砷酸二氢铯(CDA)等。

概括来说，在本发明中，超快激光源输出的超连续谱的光谱范围大于一个倍频程，为了实现全相位锁定，将超快激光分成两束，第一光束包含波长为λ₀的光，而第二光束包含波长为2λ₀的光，这样，波长为2λ₀的光倍频之后与波长为λ₀的基频光发生干涉，采集干涉光谱并进行进一步的傅里叶变化，就能够提取出相应的相对包络延时(RED)和载波包络相位(CEP)，进一步实现超快激光脉冲的全相位锁定。本发明的方法也适用于其它频段的电磁波谱的全相位测量，例如x射线、紫外光、可见光、红外光或太赫兹波段。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种超快激光脉冲的全相位测量方法，所述超快激光脉冲的光谱范围大于一个倍频程，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将所述超快激光脉冲分成第一光束和第二光束，其中，所述第一光束包含波长λ₀的基频光，所述第二光束包含波长2λ₀的光；

步骤二：将所述波长2λ₀的光倍频至波长λ₀，再与所述波长λ₀的基频光发生干涉；

步骤三：对所述干涉的干涉光谱进行傅里叶变换；以及

步骤四：基于所述傅里叶变换的结果获取波长λ₀的基频光和倍频光之间的相对包络延时RED和载波包络相位CEP。

2.根据权利要求1所述的全相位测量方法，其中，所述超快激光脉冲的光谱范围为450nm-1000nm。

3.根据权利要求2所述的全相位测量方法，其中，所述λ₀为480nm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的全相位测量方法，其中，在所述步骤四中，所述傅里叶变换的结果中，第一个峰值点的横坐标和纵坐标分别表示所述相对包络延时RED和总的相对相位RTP。

5.根据权利要求4所述的全相位测量方法，其中，根据如下公式计算所述载波包括相位CEP：

其中，Ф为总的相对相位RTP，w为所述超快激光脉冲的频率，Δt为相对包络延时RED，为载波包络相位CEP。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的全相位测量方法，还包括：

步骤五：基于所述相对包络延时RED和所述载波包括相位CEP进行反馈锁定的步骤。

7.一种超快激光脉冲的全相位测量装置，包括：

超快激光源，用于发射光谱范围大于一个倍频程的超快激光脉冲；

分束元件，用于将所述超快激光脉冲分成第一光束和第二光束，其中，所述第一光束包含波长λ₀的基频光，所述第二光束包含波长2λ₀的光；

至少一个光程调节部件，用于调节所述第一光束或所述第二光束的光程；

合束元件，设置于所述至少一个光程调节部件之后，用于将所述第一光束和第二光束合束；

倍频晶体，用于将波长2λ₀的光倍频至λ₀；

偏振调节部件，用于调节波长λ₀的基频光和波长λ₀的倍频光的偏振方向以使二者发生干涉；

光谱采集装置，用于采集所述干涉的光谱图样；以及

数据处理单元，用于将所述光谱图样进行傅里叶变换并提取波长λ₀的基频光和倍频光之间的相对包络延时RED和载波包络相位CEP。

8.根据权利要求7所述的超快激光脉冲的全相位测量装置，还包括反馈控制单元，用于将所述相对包络延时RED反馈给所述至少一个光程调节部件，以及将所述载波包络相位CEP反馈给所述超快激光源。

9.根据权利要求7或8所述的超快激光脉冲的全相位测量装置，其中，所述傅里叶变换的结果中，第一个峰值点的横坐标和纵坐标分别表示所述相对包络延时RED和总的相对相位RTP。

10.根据权利要求9所述的超快激光脉冲的全相位测量装置，其中，所述数据处理单元根据如下公式计算所述载波包括相位CEP：

其中，Ф为总的相对相位RTP，w为所述超快激光脉冲的频率，Δt为相对包络延时RED，为载波包络相位CEP。