CN113375799B - 一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪 - Google Patents

一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪 Download PDF

Info

Publication number
CN113375799B
CN113375799B CN202110425090.9A CN202110425090A CN113375799B CN 113375799 B CN113375799 B CN 113375799B CN 202110425090 A CN202110425090 A CN 202110425090A CN 113375799 B CN113375799 B CN 113375799B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frog
autocorrelation
electric field
signal
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110425090.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113375799A (zh
Inventor
刘世隆
崔玉栋
周志远
史保森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao Quantum Application Technology Co ltd
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Qingdao Quantum Application Technology Co ltd
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao Quantum Application Technology Co ltd, Zhejiang University ZJU filed Critical Qingdao Quantum Application Technology Co ltd
Priority to CN202110425090.9A priority Critical patent/CN113375799B/zh
Publication of CN113375799A publication Critical patent/CN113375799A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113375799B publication Critical patent/CN113375799B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0224—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using polarising or depolarising elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0243—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows having a through-hole enabling the optical element to fulfil an additional optical function, e.g. a mirror or grating having a throughhole for a light collecting or light injecting optical fiber
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0291—Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度‑图像式自相关‑FROG一体仪，输入的超快信号光场通过光纤或者空间耦合的方式输入到干涉仪中，通过调节干涉仪一端的几何距离，实现信号场和带有延时信号场的自我干涉；之后经过一块BBO非线性晶体实现二型和频过程；上转换后的信号通过整形、滤波、准直、最终采用CCD实现信号的探测。通过修改干涉仪的延时，可以实现输入信号场的自相关、FROG等高精度测量。本发明通过采用共线型的Type‑II BBO晶体，实现信号光的自相关过程。FROG测量后的结果采用非线性约束多变量优化算法进行重构。整个光路简洁高效、硬件十分容易集成化，在保证低成本的情况下达到甚至超过目前商用主流产品的灵敏度。

Description

一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪
技术领域
本发明涉及超快激光技术、光场重构、精密测量等技术领域，尤其涉及一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪。
背景技术
目前，在超快激光领域，对于超短脉冲(～fs)时域波形的测量，普通的电子学设备，诸如示波器等无法完成精细的测量。上世纪80年代发展起来的自相关仪则是采用光学自相关的方式实现了脉冲波形宽度的估计，然而由于自相关测量的对称性，较难得到波形的具体轮廓。本世纪初发展起来的频率分辨光学门测量技术(Frequency-ResolvedOptical Gating，FROG)成为了有效的波形重构方法。这种方法的原理是通过测量不同延时下的光谱，用计算机重构算法实现波形的重构。由于这种技术的有效性和实用性，目前国际上已经有几家公司开发了相应的自相关、FROG仪器。主要的公司有德国的APE公司，法国的Femto Easy公司，以及美国的Swamp Optics公司等。各个公司的产品具有各自的特征，比如APE公司在测量上给出了不同的方式来提高灵敏度，用户可以选择采用普通的光电探测(PD)和双光子吸收(TPA)的方式进行探测。除此之外，用户可以升级采用光电倍增管(PMT)的测量方式，这可以进一步提高灵敏度，然而这会大大增加成本。Femto Easy公司的产品更加灵巧，目前的版本在测量精度上没有做进一步的提升。Swamp optics研制的GRENOUILLE产品是源于美国佐治亚理工学院超快光物理学教授Rick Trebino的思路，他们巧妙的利用了时空耦合，用一个菲涅尔棱镜和非线性晶体(BBO)实现了超快脉冲的测量，这种方式的好处是可以采用较长的晶体，从而提高非线性转换效率，进而提高探测的灵敏度，目前最新版本的灵敏度可以达到100μW。然而这种测量方式对空间光路的要求非常高，如果测量一些空间信号，每次都需要精准的实时校准，因此这种方式具有较大的操作难度。
目前商用的自相关、FROG多采用BBO作为非线性晶体。由于BBO晶体的高光学透过率和高频谱带宽，已经得到了广泛的应用。这些商用的仪器中，多采用角度匹配(非共线-Type-I)的方式进行测量，当信号是空间输入时，就需要十分复杂的校准过程，例如APE公司的仪器中单独将信号光的一半作为参考，用以矫正空间光路。尽管Type-I共线类型的自相关可以实现较为简单的调节，但是这种方式会产生调制的条纹，这对自相关和FROG的测量会有较大影响。此外目前主流的仪器其测量的平均功率多在1-10mW范围，对于一些较弱的超快信号则无能为力，为了得到较高的灵敏度需要升级硬件，从而大大增加了成本。此外由于FROG需要测量光谱和算法的重构，一些产品也将自相关和FROG作为两个独立的模块进行销售，这样增加了用户成本。
鉴于此，有必要研究一种成本低廉、光路简单、灵敏度高、自相关-FROG一体化的仪器。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种图像式的自相关-FROG一体仪，采用了Type-II类型的BBO作为非线性晶体，其光路简单，适合光纤和空间作为输入；通过优化空间光路可以实现较高灵敏度的测量(FROG：150uW，自相关：50uW)；整个样机的硬件均采用普通的中等商用器件，其成本在4万左右。此外还开发了一种非线性约束多变量优化算法进行FROG重构，其重构的效果和主流的算法精度接近。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，包括：第一平台把手T1、第二平台把手T2、空间光信号的输入S2、小孔A矫正、光纤信号的准直输入Coll.、第一90度可折叠反射镜R1、第二90度可折叠反射镜R2、第一红外波段全反射镜R3、第二红外波段全反射镜R4、光束偏振分束器PBS、非线性晶体BBO(Type-II)、第一聚焦透镜F1、第二聚焦透镜F2、第三聚焦透镜F3、第四聚焦透镜F4、低通滤波器P、近红外衍射光栅G和CCD；
所述第一平台把手T1和第二平台把手T2用以移动整个一体仪；所述空间光信号的输入S2通过小孔A矫正作为光纤信号的准直输入Coll.，通过第一90度可折叠反射镜R1用于信号的输入方式选择，所述第二90度可折叠反射镜R2用于信号的初步整形；第一红外波段全反射镜R3、第二红外波段全反射镜R4、光束偏振分束器PBS，这些器件构成一个完成的偏振马赫-增德尔干涉仪；所述非线性晶体BBO(Type-II)用来产生信号的和频过程；所述第一聚焦透镜F1、第二聚焦透镜F2、第三聚焦透镜F3、第四聚焦透镜F4，用来对光束进行空间聚焦和整形；所述低通滤波器P(800nm截止波长)，用来实现输出信号光的滤波；所述近红外衍射光栅G(d＝1200/mm)，用来将输出信号从时域变换为频域；所述CCD(有效曝光尺寸6240*4670um，单像素点距离1.2um，最大曝光时间15s)，用来记录频谱分布图像。获取的不同图像通过FROG重构算法进行重构，从而完成电场的测量。
进一步地，可以通过光纤耦合或者空间耦合的方式作为两种输入，相应的改变90度折叠镜可以实现两种方式的测量。
进一步地，通过搭建偏振型的马赫-增德尔干涉仪实现输入信号偏振的分束和延时，即实现垂直偏振输入电场(E(t))和水平偏振延时电场(E(t-τ))叠加的功能：E(t)+E(t-τ)。通过调节反射镜R4底部的水平位移台，改变R4的位置，从而改变水平偏振电场的相对延时。
进一步地，通过选用二型的BBO晶体(长度200um，镀1560nm波段的增透膜)，实现信号的自相关操作：E(t)·E(t-τ)。通过优化聚焦透镜F1和F2的焦距以及聚焦透镜F1和F2到晶体中心的几何距离，实现最大效率的转换。
进一步地，自相关测量过程具体为：将第二90度可折叠反射镜R2的角度旋转为90度，使滤波后的信号经过第三聚焦透镜F3聚焦到CCD的左侧位置。通过积分CCD上的强度值，从而得到当前位置的自相关结果；通过扫描第二红外波段全反射镜R4，实现整个自相关曲线的获取。反射镜R4底部的水平位移台可以为电动位移平台，从而加快扫描时间。
进一步地，FROG测量过程具体为：将第二90度可折叠反射镜R2的角度旋转为0度，使滤波后的信号入射到光栅表面，通过优化第二聚焦透镜F2到晶体中心的几何距离使得入射到光栅的光束为平行光。通过光栅可以将入射信号的频率分布转换为空间分布，选取光栅的刻线间隔为d＝1200/mm，其角度通过光栅方程决定。通过优化第四聚焦透镜F4透镜，使得频谱分布入射到CCD的右侧。计算机存储当前CCD接收到的频谱分布图像。通过扫描R4底部的水平位移台，从而实现多个频谱分布图像的存储。获取的不同图像通过FROG重构算法进行重构，从而完成电场的测量。
进一步地，FROG重构过程为：采用非线性多变量约束的优化算法进行电场重构，即通过测量的FROG-Trace和模拟的FROG-Trace做最小化迭代。具体步骤如下：
首先假定任意一个时域电场：
这里N是分段数，将时域窗口分为N个小电场Ej(tj)，j＝1…N，aj和exp(iφj)分别是第j个电场的振幅和位相，公式中存在2N个未知的变量，其中aj的范围设定到0-1，φj的范围取值为-10pi-10pi。
其次计算此电场和频后的FROG-teace和测量的相似度：
S～(|FFT(SFG(E(t)))|2,Itrace)
其中相似度函数定义为S(a,b)＝∑a·b/∑a∑b，a,b表示两个未知参数，S＝1代表了重构和测量的完全一致，S＝0代表了重构和测量的完全不相关，FFT表示傅里叶变换；SFG表示和频过程；Itrace表示实验测得的FROG-Trace。算法中通过多变量非线性优化的方式，优化2N个电场相关的变量，使其目标S值最大化的接近1。算法迭代出来的时域电场就是目标电场。
本发明的有益效果：通过采用共线型的Type-II BBO晶体，实现信号光的自相关过程。通过一个90度折叠镜，可以实现自相关和FROG的切换测量。自相关的测量中，采用一个短焦透镜可以实现光强的高灵敏度测量；在FROG测量中，采用长焦透镜、光栅、CCD的方式实现频谱的精密测量。测量后的结果采用非线性约束多变量优化算法进行重构。整个光路简洁高效、硬件十分容易集成化，在保证低成本的情况下达到甚至超过目前商用主流产品的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪示意图。
图2为本发明实施自相关和FROG测量的两种模式下光斑分布图，其中(a)为相对延时为零(自相关模式，R2取90度)，(b)为相对延时为零(FROG模式，R2取0度)。
图3为本发明对孤子锁模脉冲的自相关和FROG测试和重构的基本结果，其中(a)为自相关曲线，(b)为重构后的时域电场分布，(c)为重构后的频域电场分布，(d)为测量的SFG-FROG-Trace，(e)为重构前的FROG-Trace，(f)为重构后的FROG-Trace。
图4为本发明对孤子锁模脉冲展宽后的FROG测试和重构的基本结果，(a)为采用非线性多变量优化方法重构的时域脉冲，(b)为采用传统的GP算法重构的时域脉冲，(c)为功率灵敏度测试，(d)为重构前的FROG-Trace，(e)为重构后的FROG-Trace，(f)为非线性多变量优化重构算法迭代过程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
下面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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于图像式的高灵敏度自相关-FROG一体仪，输入的超快信号光场通过光纤或者空间耦合的方式输入到干涉仪中，通过调节干涉仪一端的几何距离，实现信号场和带有延时信号场的自我干涉；之后经过一块BBO非线性晶体实现二型和频过程；上转换后的信号通过整形、滤波、准直、最终采用CCD实现信号的探测。通过修改干涉仪的延时，可以实现输入信号场的自相关、FROG等高精度测量。如图1所示，为高灵敏度自相关-FROG一体仪的光路结构示意图，其主要包括信号输入端口，偏振MZ干涉仪模块，BBO和频模块，测量模块。
信号输入端口：一个90度折叠红外反射镜R1、一个输入光纤准直镜Coll.、一个准直小孔A。
偏振MZ干涉仪模块：两个红外反射镜R3，R4、两个玻片以及一个PBS。
BBO和频模块：聚焦平凸透镜F1、Type-II类型的BBO晶体(28.7度切割)、聚焦平凸透镜F2、低通滤波器P(800低通)。
测量模块：一个90度折叠红外反射镜R2、一个B波段反射闪耀光栅G(d＝940mm-1)、两个聚焦平凸透镜F3、F4、普通国产商用CCD。
其中T1和T2是两个把手，用来方便移动仪器。
下面将结合图1的光路图介绍自相关和FROG的实施测量过程。
对于自相关：
脉冲的自相关已经成为了测量脉冲宽度的最有效、最简单、最广泛的技术。对于Type-II型的非线性晶体BBO，其输出电场可以写为：
E3,V(t)＝χ(2)E1,H(t)E2,V(t)
这里E1(2),H(V)(t)代表了输入的电场信号，χ(2)是非线性磁化率，E3,V(t)是输出的和频信号。可以发现BBO可以实现两个信号的相关乘积。通过测量输出的光强(|E3,V(t)|2)可以得到两个信号的乘积结果。为了实现一个信号的自相关过程，需要将其中的一路信号做一个光学延时(图1中的R4)，另一路不发生变化，即E1,H(t)＝E1,H(t-τ)，E2,V(t)＝E2,V(t)实验中，由于光电探测器是一个积分强度器件，因此测量的结果为：
ICCD(τ)＝∫dt|E3(t)E3(t-τ)|2
通过扫描不同的光学延时，可以得到自相关结果，通过自相关的曲线，可以估计脉冲宽度：下面结合图1介绍自相关的实施操作过程。
信号如果是光纤输入，直接通过S2端口的光纤跳线作为输入，此时将旋转镜R1旋转到0度，信号光经过PBS后输入到偏振MZ干涉仪中，这里R4用来调整空间光学距离，从而改变延时。调节干涉仪的反射镜实现较高的光束重叠，之后通过透镜F1将光束聚焦到200um的BBO上实现光束的和频，F2透镜用来准直和频后的光束，这里可选择性的通过自由空间传输或者通过光纤准直器收集。如果测试自相关，那么将90度旋转镜R2旋转90度，使得和频之后的信号反射后通过F3实现聚焦，在CCD的左侧得以显示，图2中(a)显示了测量自相关系列图形中的一个，可以发现光束在CCD上聚焦为一个圆形的亮斑。
对于FROG：
FROG是为了解决被探测光场的位相难题，对于一个相干的电场，可以写为：E(t)＝|E(t)|exp(iφ(t))。对其信号做傅里叶变换，可以得到频域分布：两者可以实现相互转换。对于频谱强度，可以通过频谱仪、快速傅里叶变换等技术得到，对于位相，一般通过FROG技术重构得到。通过对输入信号进行光学延时扫描，可以得到不同延时和光谱数据，数学上，这些数据形成一个两维的曲面分布，一把称之为FROG-trace。对于本发明中的倍频过程，可以写为：
为方便称呼，我们称此和频后的两维谱分布为SFG-FROG-trace，通过测量不同的频谱分布，根据重构算法就可以实现具体的重构。
为了实现SFG-FROG-trace的测量，我们将图1中的90度旋转镜旋转到零度，此时和频后的信号光直接经过光栅G，反射并通过一个长焦透镜F4，实现信号光的傅里叶变换，位于傅里叶变换频谱面的CCD用来展示频谱强度分布。图2中(b)是显示其中相对延时为零时，CCD测得的频谱强度分布。由于采用了两套透镜组合，图2中(a)和图2中(b)分别分布在CCD的左右两侧。通过理论计算，其空间色散为15.8nm/mm，通过实现验证，其空间色散选取为15.89nm/mm。
对于脉冲电场的重建，传统的方案是采用投影算法，即Generalizedprojections,GP算法，通过缩小未知态和约束条件之间的距离，可以有效的实现位相的重构。GP算法是几个少数能进行全位相重构的收敛算法之一。这里我们提出了一种新型的重构算法，这种算法是通过多变量的方式进行优化。首先假定任意一个时域电场：
这里N是分段数，将时域窗口分为N个小电场Ej(tj)，aj和exp(iφj)分别是第j个电场的振幅和位相，公式中存在2N个未知的变量，其中aj的范围设定到0-1，φj的范围取值为-10pi-10pi。其次计算此电场和频后的FROG-teace和测量的相似度：
S～(|FFT(SFG(E(t)))|2,|Itrace|2) (3)
其中相似度函数定义为S(a,b)＝∑a·b/∑a∑b，S＝1代表了重构和测量的完全一致，S＝0代表了重构和测量的完全不相关。算法中通过多变量非线性优化的方式，优化2N个电场相关的变量，使其目标S值最大。经过测试，此算法可以很快的实现收敛，而且可以达到较高的相似度，我们称此算法为非线性约束优化算法。算法可以实现较快的收敛，在测试的信号展宽例子中，其保真度比传统的GP算法高六个百分点。
基于本发明上述实施例的方案进行了测试实验，具体包括：自相关的测试，光学光纤腔输出信号的FROG测试，加载二次位相(展宽)之后的FROG测试，以及功率灵敏度的测试。
1、孤子锁模激光的自相关和FROG测试。
通过搭建光学光纤激光腔，实现孤子锁模的输出，其光谱宽度(3dB)为5.2nm。其输出光通过光纤连接到S2端口(见实验装置图1)，将R2反射镜旋转为90度，实现短焦透镜的聚焦。移动反射镜R4，其光学距离从7.495到7.93mm，取值为50个点，相应的相对光学时间范围从1.45ps。测得的结果如图3中(a)所示，这里采用了最小二乘法进行了拟合。测得的脉宽为446fs，通过计算时间带宽积，得到为0.28，非常接近Hyperbolic-线型(0.31)。说明光纤腔的输出其啁啾较低。
为了测试其位相和啁啾分布，我们对其FROG测试。为了实现FROG-trace的测量，将实验装置中的折叠反射镜R2旋转零度，使得和频后的信号可以经过光栅-CCD路径。同样改变不同的光学延时，得到的不同延时的频谱分布，其展示在图3中(d)中。将此结果带入主流的GP算法进行FROG重构，重构后的电场时域和频域分布分别展示在图3中(b)和图3中(c)中。在重构的时域波形中，红色实线代表了归一化的时域波形分布，蓝色实线代表了其时域位相，绿色的虚线代表了计算的二次啁啾分布，可以发现其二次啁啾非常接近于零。图3中(c)为相应的频谱分布，测得的重构带宽为4.917nm，非常接近理论数值。而且孤子锁模的两个显著边带(Kelly-边带)，在我们重构的频谱中也得以实现，说明重构具有较高的保真度。图3中(e)和图3中(f)分别为重构前和重构后的FROG-trace，这里横坐标代表了相对光学延时，纵坐标代表了倍频后的频谱分布。此外计算了重构前和重构后的相似度：S＝0.8177。
2、孤子锁模展宽后的自相关和FROG测试。
在1的基础之上，我们对输出的孤子锁模激光进行频域二次位相的加载，实验上通过光学整形技术等效的加载了30米的单模光纤(β2＝-21ps2/km)，超快光学整形技术主要是采用光栅+空间光调制器的方式进行加载，采用这种方式可以实现脉冲的展宽、压缩、加载高阶色散等。完美仍然对加载二次位相后的脉冲进行自相关和FROG的测试。图4中(a)和图4中(b)分别展示了重构后的时域脉冲强度和响应的时域位相，其中图4中(a)是采用我们提出的非线性多变量约束的方式进行重构的结果；图4中(b)是采用传统的GP算法得到的结果。测得的脉冲宽度分别为1.4969和1.5824ps。而经过30m的二阶色散后，其理论的脉宽应为：1.4813ps，可以发现我们提出的算法其脉冲宽度更加准确。此外，两个方法重构的位相尽管存在一定的差别，但是其线型趋势比较相似，而且通过计算啁啾，可以发现两者差别不大。图4中(d)和图4中(e)分别是测量的和采用非线性多变量优化方法得到的FRGO-Trace，可以发现在时频空间中，由于脉冲的展宽，其分布更像一个条状。计算其相似度为S＝0.9196。而采用传统的GP算法，迭代100次后其S＝0.8468。可以发现非线性多变量优化算法在重构相似度方面表现较好。此外，我们在图4中(f)中显示了迭代误差(1-S)的变化，当迭代步骤在7步时既可以达到主流GP算法的相似度(0.85)。
3、功率灵敏度测试及其他参数
我们的装置其最大的优势是可以实现较低功率的测试。实验中，我们对输出的孤子激光在单脉冲运行的情况下进行测试灵敏度。首先调节输出激光的平均功率保持在275uW，通过调节相对延时、优化偏振、晶体的位相匹配条件、空间耦合等方式调节和频至最大，记录此时的CCD图案(如图2中(b)所示)，积分此时的光强为I_s；然后调节反射镜R4的光学距离，使得其相对光学延时超出脉冲的重叠区域，采集此时的CCD图案，并记为I_n。我们定义SN＝I_s/I_n为功率信噪比，信噪比越高，说明有效信号的成分越可靠。功率为275uW时测得的信噪比为39，进一步降低输出光路中的衰减，使得传输到自相关前的光功率依次为180、130、80、22uW，相应测量的信噪比为25、20、14、3.5。其主要的结果展示在图4中(c)中。实验中对于输入功率为22uW时，控制曝光时间2s，可以得到3.5的信噪比，可以发现仪器十分的灵敏。本发明和其他公司产品在灵敏度等方面的对比如表1所示。
表1本发明和其他公司产品在灵敏度等方面的指标总结如下
我们取信噪比为20，此时对应的平均功率约为120uW，此时的灵敏度为10pJ(11.26MHz)，这种指标相比于商用的主流灵敏度降低了一个数量级。在曝光时间方面，120uW的时候，单个图形曝光时间1s就可以实现准确的测量(FROG-Trace的最大值接近CCD的饱和区域)，因此对于一个FROG测试，比如采样点N＝128，两分钟就可以完成测试。其他方面的指标罗列在表2中：
表2高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪的相关参数。
时域宽度 33fs-40ps
波长范围 1560+-50nm
功率探测灵敏度@FROG 10pJ(150uW,11.26MHz)
功率探测灵敏度@自相关 3.5pJ(50uW,11.26MHz)
空间色散 15.89nm/mm
干涉仪位移功率稳定度 <＝4/1000
由于晶体镀膜和位相匹配等条件限制了工作的中心波长，我们选取了正负50nm作为工作范围。由于自相关的测量中采用了更短的聚焦透镜，同等功率下可以实现更高的信噪比区分，实验中发现有接近三倍的提升，因此对于自相关的测试，其灵敏度可以达到3.5pJ。空间色散是指的和频后信号经过光栅衍射的色散值，此数值太大会造成灵敏度的降低，太小会造成FROG算法重构的失真，我们设定为15.89nm/mm。干涉仪经过优化后在调节过程中其功率稳定度小于千分之四。
通过优化光学设置，使得转换效率实现最大化输出；通过选择合适的CCD曝光时间，可以实现信号的增；此外实验中将整个***置于一个锡纸制作的黑盒子，从而大大降低了噪声，提升了信噪比。其他仪器参数在表2中进行了总结。
通过和商用主流的自相关-FROG仪器进行对比，可以发现其提出的图像式自相关-FROG一体仪具有较高的性能，在保证成本的情况下，其灵敏度可以实现高于主流仪器一个数量级。整个光学仪器中没有采用诸如光电倍增管等信号增强设备，采用的曝光CCD其成本在3000人民币左右。因此，我们提出的自相关-FROG一体仪具有低成本、高灵敏度的优势。
可以发现通过设计并优化光路，在低成本的情况下(并没有采用高端探测仪器进行高灵敏探测)，当前设计的自相关-FROG一体仪在探测功率灵敏度方面可以超过目前主流的商用自相关-FROG仪器。其他指标，诸如脉冲宽度、探测光谱范围、稳定度、等方面和主流的仪器相媲美。此外，我们开发的重构算法相比于传统的GP算法在迭代步骤和保真度方面也体现了较大的优势。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，包括：第一平台把手T1、第二平台把手T2、空间光信号的输入S2、用于矫正的小孔A、光纤信号的准直输入Coll.、第一90度可折叠反射镜R1、第二90度可折叠反射镜R2、第一红外波段全反射镜R3、第二红外波段全反射镜R4、光束偏振分束器PBS、Type-II类型的BBO非线性晶体、第一聚焦透镜F1、第二聚焦透镜F2、第三聚焦透镜F3、第四聚焦透镜F4、低通滤波器P、近红外衍射光栅G和CCD；
所述第一平台把手T1和第二平台把手T2用以移动整个一体仪；所述空间光信号的输入S2通过用于矫正的小孔A作为光纤信号的准直输入Coll.，通过第一90度可折叠反射镜R1用于信号的输入方式选择，所述第二90度可折叠反射镜R2用于选择光路；第一红外波段全反射镜R3、第二红外波段全反射镜R4、光束偏振分束器PBS，这些器件构成一个完整的偏振马赫-增德尔干涉仪；所述Type-II类型的BBO非线性晶体用来产生信号的和频过程；所述第一聚焦透镜F1、第二聚焦透镜F2、第三聚焦透镜F3、第四聚焦透镜F4，用来对光束进行空间聚焦和整形；所述低通滤波器P，用来实现输出信号光的滤波；所述近红外衍射光栅G，用来将输出信号从时域变换为频域；所述CCD，用来记录频谱分布图像；获取的不同图像通过FROG重构算法进行重构，从而完成电场的测量；FROG重构过程为：采用非线性多变量约束的优化算法进行电场重构，即通过测量的FROG-Trace和模拟的FROG-Trace做最小化迭代；具体步骤如下：
首先假定任意一个时域电场：
这里N是分段数，将时域窗口分为N个小电场Ej(tj)，j＝1…N，aj和exp(iφj)分别是第j个电场的振幅和位相，其中i为虚数单位，公式中存在2N个未知的变量，其中aj的范围设定到0-1，φj代表了第j个小电场的位相，其取值范围为-10π到10π；
其次计算此电场和频后的FROG-trace和测量的相似度：
S～(|FFT(SFG(E(t)))|2,Itrace)
其中相似度函数定义为S(a,b)＝∑a·b/∑a∑b，a,b表示两个未知参数，S＝1代表了重构和测量的完全一致，S＝0代表了重构和测量的完全不相关，FFT表示傅里叶变换；SFG表示和频过程；Itrace表示实验测得的FROG-Trace；算法中通过多变量非线性优化的方式，优化2N个电场相关的变量，使其目标S值最大化的接近1；算法迭代出来的时域电场就是目标电场。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，可以通过光纤耦合或者空间耦合的方式作为两种输入，相应的改变第二90度可折叠反射镜R2实现两种方式的测量。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，通过搭建偏振型的马赫-增德尔干涉仪实现输入信号偏振的分束和延时，即实现垂直偏振输入电场E(t)和水平偏振延时电场E(t-τ)叠加的功能：E(t)+E(t-τ)；通过调节反射镜R4底部的水平位移台，改变R4的位置，从而改变水平偏振电场的相对延时。
4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，通过选用长度200um，镀1560nm波段的增透膜的二型BBO晶体，实现信号的自相关操作：E(t)·E(t-τ)；通过优化聚焦透镜F1和F2的焦距以及聚焦透镜F1和F2到晶体中心的几何距离，实现最大效率的转换。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，自相关测量过程具体为：将第二90度可折叠反射镜R2的角度旋转为90度，使滤波后的信号经过第三聚焦透镜F3聚焦到CCD的左侧位置；通过积分CCD上的强度值，从而得到当前位置的自相关结果；通过扫描第二红外波段全反射镜R4，实现整个自相关曲线的获取；反射镜R4底部的水平位移台为电动位移平台，从而加快扫描时间。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，FROG测量过程具体为：将第二90度可折叠反射镜R2的角度旋转为0度，使滤波后的信号入射到光栅表面，通过优化第二聚焦透镜F2到晶体中心的几何距离使得入射到光栅的光束为平行光；通过光栅将入射信号的频率分布转换为空间分布，选取光栅的刻线间隔为d＝1200/mm，其角度通过光栅方程决定；通过优化第四聚焦透镜F4透镜，使得频谱分布入射到CCD的右侧；计算机存储当前CCD接收到的频谱分布图像；通过扫描R4底部的水平位移台，从而实现多个频谱分布图像的存储；获取的不同图像通过FROG重构算法进行重构，从而完成电场的测量。
CN202110425090.9A 2021-04-20 2021-04-20 一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪 Active CN113375799B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110425090.9A CN113375799B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110425090.9A CN113375799B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113375799A CN113375799A (zh) 2021-09-10
CN113375799B true CN113375799B (zh) 2024-05-28

Family

ID=77569829

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110425090.9A Active CN113375799B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113375799B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000356555A (ja) * 1999-06-15 2000-12-26 Hamamatsu Photonics Kk 光パルス波形測定装置
CN1693860A (zh) * 2005-05-23 2005-11-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置
CN103729091A (zh) * 2012-10-11 2014-04-16 原相科技股份有限公司 触控装置及影像撷取装置
CN103952767A (zh) * 2014-05-14 2014-07-30 浙江嘉泰激光科技有限公司 一种双激光束序列扫描精密加工蓝宝石的方法
CN204179484U (zh) * 2014-09-29 2015-02-25 广州安特激光技术有限公司 一种基于反射镜旋转的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器
CN107884079A (zh) * 2017-12-11 2018-04-06 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法
CN108885138A (zh) * 2016-03-30 2018-11-23 浜松光子学株式会社 脉冲光的波形测量方法及波形测量装置
CN210293466U (zh) * 2019-03-27 2020-04-10 吉林省远大光学检测技术有限公司 一种红外辐射计光路精确瞄准装置
CN211014805U (zh) * 2020-01-07 2020-07-14 公安部第一研究所 一种应用于大口径单光路结构中的双通道切换结构

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004083908A2 (en) * 2003-03-18 2004-09-30 Southwest Sciences Incorporated Optical pulse characterization for telecommunications applications
EP3012925B1 (en) * 2014-10-23 2020-05-27 Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Device and method for characterizing an ultrashort laser pulse

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000356555A (ja) * 1999-06-15 2000-12-26 Hamamatsu Photonics Kk 光パルス波形測定装置
CN1693860A (zh) * 2005-05-23 2005-11-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 飞秒激光频率分辨光学扫描多发测量装置
CN103729091A (zh) * 2012-10-11 2014-04-16 原相科技股份有限公司 触控装置及影像撷取装置
CN103952767A (zh) * 2014-05-14 2014-07-30 浙江嘉泰激光科技有限公司 一种双激光束序列扫描精密加工蓝宝石的方法
CN204179484U (zh) * 2014-09-29 2015-02-25 广州安特激光技术有限公司 一种基于反射镜旋转的1064nm与355nm波长自由切换输出激光器
CN108885138A (zh) * 2016-03-30 2018-11-23 浜松光子学株式会社 脉冲光的波形测量方法及波形测量装置
CN107884079A (zh) * 2017-12-11 2018-04-06 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 单发次超短激光脉冲宽度测量装置及测量方法
CN210293466U (zh) * 2019-03-27 2020-04-10 吉林省远大光学检测技术有限公司 一种红外辐射计光路精确瞄准装置
CN211014805U (zh) * 2020-01-07 2020-07-14 公安部第一研究所 一种应用于大口径单光路结构中的双通道切换结构

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于孤子自频移效应的超短脉冲光源及特性研究;楼洋;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》;正文第12页，图2.4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113375799A (zh) 2021-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5530544A (en) Method and apparatus for measuring the intensity and phase of one or more ultrashort light pulses and for measuring optical properties of materials
US8786864B2 (en) Circular common-path point diffraction interference wavefront sensor
CN101556386B (zh) 一种液晶空间光调制器多参数的干涉式双成像测量装置
CN106289526A (zh) 基于波前转换法的光子轨道角动量测量***及方法
CN103134587A (zh) 一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像***光路
CN104655290A (zh) 斐索型双波长激光调谐移相干涉测试装置及其测试方法
CN110057543B (zh) 基于同轴干涉的波面测量装置
CN103134600A (zh) 一种自相关仪
Kolobrodov et al. Physical and mathematical model of the digital coherent optical spectrum analyser
Prunet et al. Exact calculation of the optical path difference and description of a new birefringent interferometer
CN114322848B (zh) 一种球面波前曲率半径测量装置及测量方法
CN112595425B (zh) 一种超短激光脉冲测量方法及测量***
WO2010069116A1 (zh) 压缩态光场的成像***
CN111537086B (zh) 获得光梳与其光谱范围外连续激光之间拍频信号的方法
CN113375799B (zh) 一种高灵敏度-图像式自相关-frog一体仪
CN107917760A (zh) 基于透射点衍射式共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法
CN109900359B (zh) 一种超短脉冲的高动态范围信噪比测量装置
CN108107020B (zh) 一种材料非线性折射率系数的测量装置及测量方法
KR100337646B1 (ko) 광 펄스 파형 측정 장치
CN201417203Y (zh) 一种液晶空间光调制器多参数的干涉式双成像测量装置
CN113984222A (zh) 光栅压缩器波前畸变在线测量装置及测量方法
CN102778301A (zh) 自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置
CN202362081U (zh) 一种自相关仪
CN116448243B (zh) 一种基于交叉偏振波的三维光场自参考测量装置及方法
CN114323280B (zh) 一种基于曲率传感的光谱分析装置及其方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant