基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置及方法

技术领域

本发明涉及超短脉冲测量装置，具体涉及基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置及方法。

背景技术

精确表征超短激光脉冲的时域特性是研究激光与物质相互作用的第一步，随着激光技术的发展，激光脉宽越来越短，已经达到单周期，甚至亚周期。现有的超短激光脉冲测量技术，通常是测量激光在固体材料中的非线性过程来反演时域特性，目前已经能够很好的应用在多周期激光脉冲的测量，但是对于单周期脉冲，受限于相位匹配机制，固体材料需要做到非常薄，比如常用的熔石英、偏硼酸钡(BBO)等材料，需要厚度达到百纳米量级，工艺极其复杂，加工难度大，因此目前没有商业产品可供购买。此外，固体材料的色散量比较大，比如在市面上能买到最薄的30μm熔石英，可以将中心波长400nm的单周期脉冲(1.3fs)展宽至接近五个周期(6.3fs)，对单周期脉冲的测量带来了很大的影响。所以，现有的测量装置无法有效的对单周期激光脉冲进行测量。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的厚度为百纳米级的固体材料加工难度大，无商业产品可供购买，同时，市面上的固体材料使单周期脉冲的脉宽发生改变，对测量结果带来较大影响的不足之处，而提供一种基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置，其特殊之处在于：

包括补偿片、第三高反镜和第四高反镜，沿光路依次设置的第一尖劈、第一高反镜、第二高反镜、第二尖劈、第一聚焦镜、透镜和棱镜对，以及依次设置在棱镜对后方的第二聚焦镜、光谱仪；所述第一尖劈设置在飞秒激光的入射光路上，用于将入射光分束，分束后的反射部分为信号脉冲，透射部分为门脉冲；

所述补偿片、第三高反镜和第四高反镜依次设置在信号脉冲光路上，补偿片用于补偿信号脉冲的色散，第三高反镜和第四高反镜用于对信号脉冲进行反射；所述第一高反镜、第二高反镜设置在一个平移台上，形成延时线，延时线设置在门脉冲光路上，用于对门脉冲进行反射，并调整延时；

所述第二尖劈设置在第四高反镜反射的信号脉冲和延时线反射的门脉冲的交汇处，第二尖劈和所述第一尖劈相同，用于将经第二尖劈反射的信号脉冲和经第二尖劈透射的门脉冲合束，形成合束光；所述第一聚焦镜和透镜依次设置在合束光路上，第一聚焦镜用于将合束光聚焦至空气中，并在空气中产生三倍频光，聚焦后的光为基频光，透镜用于对基频光和三倍频光进行准直，形成准直光；所述棱镜对设置在准直光路上，用于将准直光分为基频光和三倍频光；所述第二聚焦镜设置在三倍频光路上，用于将三倍频光聚焦至光谱仪中进行测量。

进一步地，所述第一尖劈和第二尖劈均为顶角厚度0.2mm，顶角角度为1-10°的熔融石英尖劈。

进一步地，所述第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜和第四高反镜的反射率大于99％。

进一步地，还包括设置在基频光路上的挡板，用于对基频光形成隔档。

进一步地，所述第一聚焦镜为凹面银镜，焦距为100mm；

所述透镜和第二聚焦镜均为氟化钙透镜，焦距分别为100mm和50mm。

进一步地，所述棱镜对包括第一棱镜和第二棱镜，均采用氟化钙棱镜。

进一步地，所述挡板为不透光挡板；

所述第一尖劈和第二尖劈的顶角角度为2°；

所述补偿片设置为厚度1mm的熔融石英片。

同时，还提供一种基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量方法，采用上述的基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1.使用第一尖劈将激光入射光分束，形成信号脉冲和门脉冲，门脉冲通过延时线反射后，经由第二尖劈透射；所述信号脉冲经过补偿片后由第三高反镜和第四高反镜反射至第二尖劈，经过第二尖劈反射后，与经第二尖劈透射的门脉冲按照比例合束，形成合束光；所述合束光经由第一聚焦镜聚焦至空气中产生三倍频光，聚焦后的光为基频光，基频光和三倍频光同时经过透镜进行准直后，经过棱镜对进行分束，分束后所述基频光由挡板隔挡，所述三倍频光由第二聚焦镜聚焦至光谱仪中测量其强度；所述第一尖劈和第二尖劈的入射光角度相同；

S2.调整延时线，测量不同延时下的三倍频光的强度，并绘制三倍频光的强度随延时线调制变化的曲线；

S3.对S2中获得的曲线进行傅里叶变换后，获得激光的光谱和光谱相位图，以及脉宽曲线图。

进一步地，S1中，所述按照比例合束，具体为：通过调整第一尖劈和第二尖劈入射光的角度调整所述信号脉冲的能量占门脉冲能量的百分比，所述百分比小于1％。

进一步地，S1中所述光谱仪为紫外光谱仪。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用第一尖劈将激光分为信号脉冲和门脉冲，第二尖劈将信号脉冲和门脉冲以一定比例合束后，经过第一聚焦镜将合束光聚焦在空气中，产生三倍频光，由于空气的折射率随波长的改变量很小，其三倍频的相位匹配长度可以达到毫米量级，此外，空气的色散量比固体材料少了三个数量级，对单周期脉冲的展宽微乎其微，通过透镜将三倍频光进行滤光、准直后，使用第二聚焦镜聚焦至光谱仪，通过调整延时线测量三倍频光随延时线调制变化的曲线图，最终该曲线图经过傅里叶变化获得单周期激光的相位及带宽。

2.本发明中优选第一尖劈和第二尖劈的顶角厚度0.2mm，顶角的角度范围为1-10°，尖劈形成顶角的两个表面均可反光，在使用过程中只使用靠近入射光一侧表面的反射光，而顶角角度过小不利于两个表面的反射光在空间中分束，角度太大，会使尖劈厚度太厚，引入色散量过大，影响脉冲测量的准确性。

3.本发明中基于空气中三倍频调制采样是基于微扰理论，微扰理论中需要有一个强的门脉冲来产生三倍频，再由一个弱的信号脉冲进行微扰，因此本发明优选信号脉冲的能量占门脉冲能量的比例小于1％，当大于该比例时，测量误差将会过大。

附图说明

图1是本发明一种基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置实施例的光路原理示意图；

图2是本发明实施例中测得的三倍频光的强度随延时线调制变化的曲线图；

图3是对图2所示曲线经傅里叶变换后获得的光谱以及光谱相位的曲线图；

图4是对图2所示曲线经傅里叶变换后获得的脉冲宽度曲线图；

附图标记说明：

1-飞秒激光器，2-第一尖劈，3-补偿片，4-第三高反镜，5-第四高反镜，6-第一高反镜，7-第二高反镜，8-平移台，9-第二尖劈，10-第一聚焦镜，11-透镜，12-第一棱镜，13-第二棱镜，14-挡板，15-第二聚焦镜，16-光谱仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

本发明一种基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置，如图1所示，包括补偿片3、第三高反镜4和第四高反镜5，沿光路依次设置的第一尖劈2、第一高反镜6、第二高反镜7、第二尖劈9、第一聚焦镜10、透镜11和棱镜对，以及依次设置在棱镜对后方的第二聚焦镜15、光谱仪16。

飞秒激光器1发出激光，所述第一尖劈2设置在激光的入射光路上，将入射光分为反射部分和透射部分，反射部分为信号脉冲，透射部分为门脉冲；所述补偿片3、第三高反镜4和第四高反镜5依次设置在信号脉冲的光路上，补偿片3设置为厚度1mm的熔融石英片，用于补偿信号脉冲由第一尖劈2和第二尖劈9引入的色散，第三高反镜4和第四高反镜5用于对信号脉冲进行反射；所述第一高反镜6、第二高反镜7设置在门脉冲的光路上，和压电陶瓷平移台8共同组成延时线，用于对门脉冲进行反射，并调整延时；所述第一高反镜6、第二高反镜7、第三高反镜4和第四高反镜5的反射率大于99％。

所述第二尖劈9设置在第四高反镜5反射的信号脉冲和延时线反射的门脉冲的交汇处，用于将经第二尖劈9反射的信号脉冲和经第二尖劈9透射的门脉冲合束，形成合束光，第二尖劈9和所述第一尖劈2相同，均采用顶厚度为0.2mm，顶角角度为2°的熔融石英尖劈；所述第一聚焦镜10和透镜11依次设置在合束光路上，第一聚焦镜10为凹面银镜，焦距为100mm，用于将合束光聚焦至空气中，并在空气中产生三倍频光，聚焦后的光为基频光，透镜11为氟化钙透镜，焦距为100mm，用于对基频光和三倍频光进行准直，形成准直光；所述棱镜对设置在准直光路上，用于将准直光分为基频光和三倍频光；所述棱镜对包括第一棱镜12和第二棱镜13，第一棱镜12和第二棱镜13均为分光棱镜，采用氟化钙材质；所述挡板14为不透光挡板，设置在基频光路上，用于对基频光形成隔档；所述第二聚焦镜15设置在三倍频光路上，为氟化钙透镜，焦距为50mm，用于将三倍频光聚焦至光谱仪16中进行测量。

在本发明的其他实施例中，也可以采用其他规格的补偿片3以及尖劈，所述尖劈顶角角度的取值范围为1-10°，角度越大，使用的补偿片3厚度也越大，所述补偿片的厚度为0.5-5mm；所述第一聚焦镜10的焦距、透镜11以及第二聚焦镜15的规格型号均可以选择其他规格型号，焦距越大，本发明测量装置的尺寸也越大。

结合实际测量单周期激光的过程，一种基于空气中三倍频调制采样的超短脉冲测量装置的使用方法具体为：

S1.飞秒激光器1发出激光，使用第一尖劈2将激光入射光分束，形成信号脉冲和门脉冲，门脉冲通过延时线反射后，经由第二尖劈9透射；所述信号脉冲经过补偿片3后由第三高反镜4和第四高反镜5反射至第二尖劈9，再由第二尖劈9反射后，与经第二尖劈9透射的门脉冲按照比例合束，形成合束光；所述合束光经由第一聚焦镜10聚焦至空气中产生三倍频光，聚焦后的光为基频光，基频光和三倍频光同时经过透镜11进行准直后，经过棱镜对进行分束，分束后所述基频光由挡板14隔挡，所述三倍频光由第二聚焦镜15聚焦至光谱仪16中测量其强度；所述第一尖劈2和第二尖劈9的入射光角度相同；

其中，按照比例合束具体为：通过调整第一尖劈2和第二尖劈9的入射光角度调整所述信号脉冲的能量占门脉冲能量的百分比，本实施例中，所述百分比为0.8％，在本发明的其他实施例中所述百分比满足小于1％的其他值均具有较好效果；本实施例中的光谱仪16采用紫外光谱仪；

S2.调整延时线，测量不同延时下的三倍频光的强度，并绘制三倍频光的强度随延时线调制变化的曲线，如图2所示；

S3.对S2中获得的曲线进行傅里叶变换后，获得如图3所示的光谱和光谱相位图，以及如图4所示的激光的脉宽图，由图4可以获得激光的脉宽为28fs。