CN201269780Y - 双光路去噪声载波-包络相位测量装置 - Google Patents

Abstract

一种双光路去噪声载波—包络相位测量装置，构成包括：沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜、白宝石片、第二透镜和第一分束片，第一分束片将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器延时后被第二分束片反射；所述的反射光束由第一反射镜反射后经第三透镜、BBO晶体、第四透镜，被第二反射镜反射，透过所述的第二分束片，与该第二分束片的反射光束合并成一束射入光谱仪的狭缝中，该光谱仪与计算机连接，所述的白宝石片位于第一透镜的焦点，所述的BBO晶***于所述的第三透镜的焦点后，所述的第一分束片、第二分束片、第一反射镜和第二反射镜与射入的光束呈45°。本实用新型具有干涉条纹清晰、测量方便、快捷、准确的特点。

Description

双光路去噪声载波—包络相位测量装置

技术领域

本实用新型涉及超短激光脉冲，是一种用于超短激光脉冲载波—包络相位(Carrier-Envelope Phase，简称为CEP)抖动的精确测量的双光路去噪声载波—包络相位测量装置。

背景技术

激光脉冲不断向更短更强的方向发展，脉冲宽度已经突破飞秒进入阿秒时代。但是，当激光脉冲短到周期量级，电场载波和包络的相位就不能看作是一致的了。要获得更有意义的单个阿秒脉冲，必须使种子激光的CEP稳定在一定的范围内。

目前，国际上大多采用单光路的CEP测量装置来对较大能量低重复率激光脉冲进行测量(参见在先技术[1]Masayuki Kakehata等，“Single-shot measurement of carrier-envelope phase changes by spectralinterferometry”，Optic Letters Vol，26，No.18，1436-1438(2001))。它的方法是超短脉冲射入光子晶体光纤(或白宝石)光谱展宽获得超连续白光。倍频晶体对白光中的低频成分倍频，然后将倍频光与白光的高频成分进行干涉，得到带有CEP信息的干涉条纹，用连接在电脑上的光谱仪记录一段时间内的条纹信息，对条纹信息进行数据处理即可得到这段时间内CEP的抖动情况。具体光路图参见图2，入射光经过凸透镜14聚焦打在白宝石15上，出射的展宽光经过凸透镜16准直，依次射入偏硼酸钡(β-BaB₂O，以下简称为BBO)晶体17和格兰棱镜18，经过倍频和偏振选择完成干涉，最后打到光谱仪12的狭缝中，计算机13与光谱仪12相连，对干涉条纹实时采集。它的光路设计简单紧凑，在不考虑环境影响时，引入的误差较小。但是这种单光路测量技术的缺点在于：

1、由于基频成分和倍频成分是在同一束光中，仅靠转动格兰棱镜调节它们的相对强度，可调节的范围小，调节难度大，相对倍频成分和展宽的成分往往太少，得到的干涉条纹不够清晰。

2、这种测量方法对周围环境的稳定性要求很高，要求光学平台、镜架非常稳定，入射光强的抖动也会引入测量误差，给测量带来困难。

3、当变换波长时，由于无法引入连续变化的光程差，这种单光路的测量方法需要长时间的试验才能找到所需要的条纹。对于可调谐入射光源，如我们所用的可调谐光参量放大(Optical Parametric Amplification，简称为OPA)***，这种方法的实用性很差。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的问题，提出一种双光路去噪声载波—包络相位测量装置，该装置应具有干涉条纹清晰、测量方便、快捷、准确的特点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种双光路去噪声载波—包络相位测量装置，特征是其构成包括：沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜、白宝石片、第二透镜和第一分束片，该第一分束片将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器延时后被第二分束片反射；所述的反射光束由第一反射镜反射后经第三透镜、BBO晶体、第四透镜，被第二反射镜反射，透过所述的第二分束片，与该第二分束片的反射光束合并成一束，射入光谱仪的狭缝中，该光谱仪与计算机连接，所述的白宝石片位于第一透镜的焦点，所述的BBO晶***于所述的第三透镜的焦点后1厘米，所述的第一分束片、第二分束片、第一反射镜和第二反射镜与射入的光束呈45°。

本实用新型的测量原理如下：

采用双光路测量方法，将展宽光分为两束，其中一束的低频成分倍频后与另一束的高频成分干涉，通过转动倍频晶体可以方便地调节两路的相对光强从而得到比较清晰的干涉条纹。在连续变化波长的情况下，通过调节延时器改变两路光的光程差，能够很快地找到的，节省了大量时间。而且通过同时测量两路展宽光的干涉条纹来消除光程抖动引入的误差，在实验上取得了很好的效果。

本实用新型的优点：

1、本实用新型采用双光路，与单光路载波—包络相位测量装置相比，它可以方便的调节相对光强，从而得到清晰的干涉条纹，便于数据处理。

2、本实用新型中两束光的光程差可以由延时器进行调节，方便对不同波长的激光进行测量，更具有实用性和快捷性。

3、本实用新型可以部分消除由于光强抖动所引起的测量误差，更具有准确性。

总之，本实用新型方具有干涉条纹清晰、测量便、快捷、准确的特点。

附图说明

图1为本实用新型双光路去噪声载波—包络相位测量装置结构示意图。

图2为现有的单光路载波包络—相位测量装置示意图。

图3是我们在搭建的可调谐OPA***上测得的一组试验数据。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1为本实用新型双光路去噪声载波—包络相位测量装置结构示意图。由图可见，本实用新型双光路去噪声载波—包络相位测量装置，其构成包括：沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜1、白宝石片2、第二透镜3和第一分束片4，该第一分束片4将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器5延时后被第二分束片11反射；所述的反射光束由第一反射镜6反射后经第三透镜7、BBO晶体8、第四透镜9，被第二反射镜10反射，透过所述的第二分束片11，与该第二分束片11的反射光束合并成一束，射入光谱仪12的狭缝中，该光谱仪12与计算机13连接，所述的白宝石片2位于第一透镜1的焦点，所述的BBO晶体8位于所述的第三透镜7的焦点后1厘米，所述的第一分束片4、第二分束片11、第一反射镜6和第二反射镜10与射入的光束呈45°。

所述的延时器5是由相互垂直的两块全反镜放在移动滑轨上和调节螺杆而构成。

现以待测的1600nm超短脉冲激光为例说明本实用新型装置的工作原理。

待测的超短脉冲激光入射到第一透镜1上被聚焦，焦点处的白宝石2将激光的频谱展宽。入射1600nm激光，展宽后的光谱范围可达800—2000nm，我们称之为白光，它是发散的，第二透镜3对产生的白光进行准直，经第一分束片4分成透射和反射两束光。透射光束经过延时器5反射到第二分束片11；所述的反射光束由第一反射镜6反射到第三透镜7上，经聚焦后射到BBO晶体8上，该BBO晶体8对白光的低频成分进行倍频，(例如，将1800nm的成分倍频到900nm)，然后经第四透镜9准直，由第二反射镜10反射到第二分束片11上。第二分束片11对经过倍频的光束透射，对另一束反射，这样两束光再次合为一束光射入光谱仪12的狭缝中。由于光程差的存在，两束光会发生干涉。利用光谱仪12，在900nm附近可以拍到两种干涉条纹：一种是两路展宽的白光在950nm处的成分相互干涉，另一种是经延时器5一路的白光中900nm成分与经过倍频一路由1800nm处倍频而来的900nm的成分相互干涉。由于以上两种干涉的光程差不同，两种干涉条纹的周期也不相同。

设入射激光的电场：

其中：ω为入射光(1600nm)的频率，

为载波—包络相位，A为电场振幅，可以看作常数。

经过白宝石展宽后，白光的电场变为：

ω_j表示从800—2000nm的各种光的频率。

若950nm处的频率为ω₁，1800nm处的频率为ω₂，则900nm处的频率为2·ω₂。设从白宝石2经第一分束片4、延时器5到第二分束片11称为光路1，它的光程为L₁。从白宝石2依次经第一分束片4、第一反射镜6、第三透镜7、BBO晶体8、第四透镜9、第二反射镜10到第二分束片11称为光路2，它的光程为L₂。那么，经光路1和光路2在950nm处的基频光电场可以分别表示为：

干涉后的电场可以表示为：

$E_3=A_3\·e^{i({\mathrm{\ω}}_1\·(L_1-L_2)/c)}---\left(5\right)$

对于绝对稳定的***，E₃是一个恒量，它的变化代表了光路中的噪声信息。

经光路1，在900nm处的白光电场可以表示为：

经光路2，1800nm处的白光成分经倍频后的电场可以表示为：

E₄和E₅干涉后得到：

上式中的指数项包含了我们最终需要的相位

，但另外的相位2ω₂·(L₁-L₂)必须消掉。我们注意到(5)式中包含了类似的相位项。

所以，由(5)和(8)两式可以看出：若得到两者的相位，通过简单的数学计算可以很容易得出载波—包络相位

.

在实验中，光谱仪12获得的电场强度以数据形式保存在计算机中，从数据中分别提取900nm和950nm的成分就得到了(5)、(8)两式所表述的干涉电场强度E₃和E₆。

对(5)式取自然对数并取虚部，得：

Φ_noise＝ω₁·(L₁—L₂)/c       (9)

Φ_noise表示噪声的相位。

对(8)式取自然对数并取虚部，得：

Φ_ce&noise表示信号和噪声的混合相位。

由式(9)和(10)我们得到没有噪声干扰的载波—包络相位

：

对某一时刻的干涉条纹进行处理就可以获得当时的载波—包络相位值

对一段时间内的干涉条纹进行采样，就可以获得这段时间内CEP值的变化情况，即获得了载波—包络相位的稳定性。

综上所述，本实用新型中利用分束片将展宽后的白光分成两束，这样可以通过转动倍频晶体调节两路光的相对强度，通过调节延时器调节光程差，从而得到更清晰的干涉条纹。值得注意的是，该装置可以同时获得基频光与倍频光的干涉条纹(混杂了噪声和CEP信息)和两路基频光的干涉条纹(包含噪声信息)，两者同时处理可以净化前者，得到CEP信息，避免了光程抖动和入射光强抖动等噪声的影响。

本实用新型装置实施例的具体结构和参数如下：

如图2布置光路，第一透镜1、第二透镜3、第三透镜7、第四透镜9都是焦距10cm的透镜，白宝石2的厚度为2mm，BBO晶体8的厚度为3mm，白宝石2放置在第一透镜1的焦点上，BBO晶体8放在第三透镜7的焦点之后约1cm。第一分束片4、第二分束片11及全反镜均与入射激光成45°放置。延时器5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第一分束片4平行放置。通过调节螺杆带动延时器5沿光路移动，可以改变通过该延时器5的激光光束的光程。白宝石2和BBO晶体8都与激光束垂直放置。

图3是我们在搭建的可调谐OPA***上测得的一组试验数据。横坐标表示在一个小时之内采集的700个数据点，纵坐标表示每点所表示的时刻的相位，从上到下依次是混合相位抖动均方根(一小时内的均方根(root mean square，以下简称为rms)，rms＝0.4763rad)，白光相位抖动(rms＝0.3322rad)，和CEP抖动(rms＝0.2299rad)。其中，混合相位抖动包含了CEP抖动和噪声的混合信息，白光相位抖动表示噪声的信息，经过后者对前者的修正以后，得到了准确的载波包络—相位稳定情况。最终测得一小时内CEP抖动为rms＝0.2299rad。

Claims (2)

1、一种双光路去噪声载波—包络相位测量装置，特征是其构成包括：沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜(1)、白宝石片(2)、第二透镜(3)和第一分束片(4)，该第一分束片(4)将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器(5)延时后被第二分束片(11)反射；所述的反射光束由第一反射镜(6)反射后经第三透镜(7)、BBO晶体(8)、第四透镜(9)，被第二反射镜(10)反射，透过所述的第二分束片(11)，与该第二分束片(11)的反射光束合并成一束，射入光谱仪(12)的狭缝中，该光谱仪(12)与计算机(13)连接，所述的白宝石片(2)位于第一透镜(1)的焦点，所述的BBO晶体(8)位于所述的第三透镜(7)的焦点后1厘米，所述的第一分束片(4)、第二分束片(11)、第一反射镜(6)和第二反射镜(10)与射入的光束呈45°。

2、根据权利要求1所述的双光路去噪声载波—包络相位测量装置，其特征在于所述的延时器(5)是由相互垂直的两块全反镜放在移动滑轨上和调节螺杆而构成。

Images