本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法和装置。
背景技术：
对于非均匀展宽介质，在入射相干光场的作用下，会产生一系列的瞬态光学效应，非均匀展宽介质在一定时间内记录光场所携带的信息，光脉冲通过与非均匀展宽介质的相干作用记录光脉冲相位信息，就会在介质内形成类似于相干条纹结构的瞬态布居数光栅。
1981年，H.J.Eichler等人研究了激光诱导动态光栅，使用长光脉冲的相干生成动态的空间光栅。光栅的存在依赖于两束泵浦光的空间相干，一旦空间相干消失，空间光栅也随即消失。
1992年，R Dela Fuente等人在该方法的基础上，提出使用空间孤子提高这种激光诱导动态光栅的衍射效率，并在Kerr介质中实现衍射效率为70％。但这种方法始终都不可避免的需要两束泵浦光和探测光在介质内重叠。
2013年，E.I.Shtyrkov在论文<<Optical Echo Holography>>中探讨了利用共振介质实现光子回波全息，并在文中叙述了共振介质中瞬态光栅的形成和应用。当光脉冲与介质相互作用，会激发极化振荡，在脉冲通过后记录下脉冲信息，而极化振荡与第二个脉冲作用会引起介质布居数反转的变化，形成瞬态光栅。
2016年，R.M.Arkhipov等人使用不重叠的少周期高斯光脉冲产生布居数光栅，并给出了可行的光栅擦除的方法，认为该方法生成的布居数光栅可以用于超高速光学偏转器。在这种方法中，通过直接求Maxwell-Bloch方程的数值解描述该方法生成和擦除布居数光栅的过程，形成光栅的少周期高斯光脉冲的脉宽远小于晶体的相干时间，脉冲与晶体相互作用，会产生极化振荡，且记录下脉冲信息，从而改变介质的布居数，形成瞬态布居数光栅。高斯脉冲脉宽较窄，而基于该方案产生布居数光栅，由于要求形成光栅的少周期高斯光脉冲的脉宽远小于晶体的相干时间，使得布居数光栅的产生条件较为苛刻。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法和装置，以解决现有技术中布居数光栅产生条件较为苛刻、形成布居数光栅难度较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法，包括步骤：
步骤A，设置入射脉冲波形为矩形脉冲；
步骤B，使第一脉冲和第二脉冲相向并先后入射非均匀展宽晶体，调节所述第一脉冲和所述第二脉冲的脉冲宽度以及先后入射的第一时间间隔，形成布居数光栅；
步骤C，在预设的第二时间间隔条件下，与所述第二脉冲相同的方向上入射第三脉冲，对所述布居数光栅进行擦除。
优选地，步骤B中调节所述第一脉冲和所述第二脉冲的脉冲宽度以及先后入射的第一时间间隔，包括步骤：
调节所述第一脉冲和第二脉冲入射的第一时间间隔为
其中τ为第一时间间隔，l为晶体长度，c’为晶体内光速，tp为脉冲宽度。
优选地，步骤B还包括步骤：
调节所述第一脉冲和第二脉冲的波长为预设波长；
步骤B中调节第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度以及先后入射的第一时间间隔、形成布居数光栅，包括步骤：
将第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度设置为6.4～7.4fs(飞秒，Femtosecond)或者12.5～15.3fs，得到最大强度的布居数光栅。
优选地，步骤B包括步骤：调节所述第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲的脉宽均为7.37×10-15s，布居数随时间间隔变化的时间周期为T0＝1.5×2.3358×10-15s；
步骤C包括步骤：设置第三脉冲与所述第二脉冲的射入时间间隔为的奇数倍，将光栅擦除，晶体布居数全部擦除至0附近。
优选地，步骤C之后，还包括步骤：
步骤D，射入与第一脉冲入射方向相同且反相的第四脉冲，对光栅进一步擦除。
优选地，步骤D包括步骤：
将第四脉冲与第一脉冲入射的第三时间间隔设置为T0的整数倍，晶体布居数全部被擦除至初始状态。
本发明还提供一种瞬态布居数光栅形成及擦除的装置，包括脉冲发射组件、第一至第五分光镜、第一至第三反射镜、第一电移台和非均匀展宽晶体；
脉冲发射组件，用于发射第一至第三脉冲，并调节第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度，按照预设的第一时间间隔依次发射第一脉冲和第二脉冲；
第一脉冲依次经第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜入射非均匀展宽晶体；第二脉冲依次经第一分光镜、第四分光镜、第五分光镜和第一反射镜，以与第一脉冲相对的方向入射非均匀展宽晶体，形成布居数光栅；
第三脉冲依次经第一分光镜、第四分光镜、第一电移台、第二反射镜、第三反射镜、第五分光镜以及第一反射镜，以与第一脉冲相同的方向射入非均匀展宽晶体；
第一电移台，用于控制第三脉冲与第二脉冲射入非均匀展宽晶体的第二时间间隔满足预设条件，以对布居数光栅进行擦除。
优选地，该装置还包括第四反射镜、第五反射镜、光移相器、第二电移台；
脉冲发射组件，还用于发射第四脉冲；
第四脉冲依次经第一分光镜、第二分光镜、第四反射镜、第二电移台、光移相器、第五反射镜和第三分光镜，以与第一脉冲相同方向射入非均匀展宽晶体；
第二电移台，用于控制第四脉冲与第一脉冲射入所述非均匀展宽晶体的第三时间间隔满足预设条件；
光移相器，用于产生λ/2的相位差，使所述第四脉冲与所述第一脉冲反相。
优选地，脉冲发射组件，用于发射波长为预设波长、脉冲宽度为6.4～7.4fs或12.5～15.3fs的第一脉冲和第二脉冲；
第一脉冲和第二脉冲入射非均匀展宽晶体的第一时间间隔为
第一电移台，用于控制第三脉冲与第二脉冲的射入时间间隔为的奇数倍；
第二电移台，用于将第四脉冲与第一脉冲入射的第三时间间隔设置为T0的整数倍。
优选地，非均匀展宽晶体包括稀土掺杂晶体。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法和装置，提出了一种新的瞬态布居数光栅产生方案，第一脉冲和第二脉冲相向并先后射入非均匀展宽晶体，调节两个脉冲的脉冲宽度以及入射晶体的时间差满足特定条件后，可形成布居数光栅；并在特定时间间隔(即第二时间间隔)后发射与第二脉冲同向、与第一脉冲方向相对的第三脉冲，可对光栅进行擦除，基于本发明的该产生机制，入射晶体的脉冲可以设置为矩形脉冲，相对于通常的高斯脉冲而言，经实验检测证明布居数光栅的强度随脉宽的变化缓慢；并且由于矩形脉冲本身可选取的脉宽较大，选取范围也较大，一定程度上放宽了布居数光栅的形成条件，降低了形成布居数光栅的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明瞬态布居数光栅形成的基本原理示意图；
图3为矩形脉冲波形示意图；
图4为本发明瞬态布居数光栅形成的一个优选实施例的实验结果示意图；
图5为本发明不同脉宽下矩形脉冲形成的布局数光栅；
图6为本发明布居数光栅的擦除过程示意图；
图7为本发明第二脉冲与第三脉冲在不同的时间间隔下光栅的擦除结果；
图8为本发明第四脉冲与第一脉冲在不同的时间间隔下光栅的擦除效果；
图9为本发明瞬态布居数光栅形成及擦除的装置的一个优选实施例的光路结构示意图；
图10为本发明一个实施例中的第一脉冲至第四脉冲的时间间隔及相位示意图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上技术方案更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供了一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法，参见图1所示，包括步骤：
一种瞬态布居数光栅形成及擦除的方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S110，设置入射脉冲波形为矩形脉冲。
本发明中，第一至第四脉冲均为矩形脉冲。
步骤S111，使第一脉冲和第二脉冲相向并先后入射非均匀展宽晶体，调节第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度以及先后入射的第一时间间隔，形成布居数光栅。
其中，本发明中非均匀展宽晶体，均指具有非均匀展宽特性的晶体。第一脉冲和第二脉冲方向相对入射晶体。
步骤S112，在预设的第二时间间隔条件下，与第二脉冲相同的方向上入射第三脉冲，对布居数光栅进行擦除。
第二脉冲和第一脉冲入射的时间间隔为第一时间间隔，第三脉冲和第二脉冲入射的时间间隔为第二时间间隔。第三脉冲射入的方向与第二脉冲相同，与第一脉冲相对。
本发明中，晶体内粒子布居数光栅形成的原理如图2所示。两束脉冲从两个相反的方向先后射入晶体，晶体中不同位置处脉冲到达的时间延迟τ不同。从图2可以看出，由左至右τ1＞τ2＞...＞τn，表明在晶体中脉冲到达的时间延迟由左至右线性减小。如果取晶体内传输方向上的某一位置，改变两输入脉冲的时间间隔，可以得到该点粒子布居数的变化。
改变两个输入脉冲的时间间隔，脉冲作用于晶体后，传输方向上的某一位置处晶体能级的最终状态不同。由于两个脉冲相向作用于晶体，脉冲在晶体内到达的时延在传输方向上线性减小，引起粒子布居数在传输方向上周期性变化，从而形成布居数光栅。
经研究发现，相向传输脉冲作用形成的布居数光栅，除与脉冲宽度有关外，还与作用脉冲(即入射晶体的脉冲)的类型有关，并且脉冲的脉宽设置以及得到的光栅的周期均与脉冲波长有关，即布居数光栅形成过程中，第一脉冲和第二脉冲的波长也是影响光栅形成的参数。当输入脉冲波形为矩形脉冲时，晶体内某点的场强变为
其中t1＝t,t2＝t1-τ＝t-τ，E0为脉冲电场振幅，tp为脉冲宽度，ω0为激光角频率，ti为替换变量，E0随着tp变化以保持脉冲面积为典型矩形脉冲的时域波形如图3所示。
第一时间间隔τ的取值应避免形成光栅的两束脉冲(第一脉冲和第二脉冲)在晶体内直接相遇。
作为本发明的一个优选实施例，第一时间间隔τ取值为其中l为晶体长度，c’为晶体内光速，tp为脉冲宽度。并且将脉冲的波长设为预设波长,优选地,将激光脉冲第一脉冲和第二脉冲的波长设为700nm，第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度设置为6.4～7.4fs或者12.5～15.3fs，得到最大强度的布居数光栅。其中，第一脉冲和第二脉冲的波长相同、脉宽相同、相位相同。
经实验检测，参见图4所示，当脉冲宽度的选取范围约为6.4～7.4fs和12.5～15.3fs，从图中可以看出，布居数光栅达到最大强度，随着脉冲宽度的增大，光栅强度呈现周期性减小趋势。
不同脉宽的矩形脉冲形成的布居数光栅如图5所示。图5中的T为脉宽基数，T＝7.37×10-16s，该图展示了脉宽在呈倍数增大时光栅幅度的变化。图5中矩形脉冲的脉宽为相同条件下的极短高斯脉冲十倍，以同样的方式形成布居数光栅，在脉宽继续增大至两倍、三倍时，光栅强度变化较小。由于脉宽较宽，两个脉冲在一定的时间间隔内，会产生重叠，形成没有周期性的布居数变化，但这种布居数的无周期性变化可以通过加大两个脉冲的间隔来消除，即避免脉冲在晶体中相遇。
本发明基于上述布居数光栅产生机制，采用矩形脉冲，相对于通常的高斯脉冲而言，布居数光栅的强度随脉宽的变化缓慢，而矩形脉冲可选取的脉宽较大，且选取范围也较大，一定程度上放宽了布居数光栅的形成条件。
参见图6所示，在第二个脉冲射入晶体形成布居数光栅后，如果在与第二脉冲相同的方向上射入第三个脉冲，在特定的时间间隔条件下会对前两个脉冲形成的布居数光栅形成擦除效果。
与光栅形成过程类似，选取晶体内传输方向上某一位置，设第二脉冲pulse2与第三脉冲pulse 3的时间间隔为τ23，通过该点的脉冲场强表示为
其中，t1＝t，t2＝t1-τ＝t-τ，t3＝t2-τ23＝t-τ-τ23。
优选地，作为一种较优的实施方式，第二脉冲和第三脉冲的时间间隔(第二时间间隔)为的奇数倍时，擦除效果较好。
参见图7所示，矩形脉冲pulse 2与脉冲pulse 3在不同的时间间隔下，擦除结果不同，当第一脉冲至第三脉冲的脉宽均为7.37×10-15s，布居数随时间间隔变化的时间周期为T0＝1.5×2.3358×10-15s时，第三脉冲pulse 3与第二脉冲pulse 2的间隔分别为8.3T0、8.4T0、8.5T0、8.6T0四种情况下，随着间隔增大，光栅强度呈现周期变化，且在的奇数倍时，光栅被擦除，晶体布居数全部擦除至0附近。
在第三个脉冲擦除光栅之后，在脉冲pulse 1的入射方向上，射入反相的第四脉冲pulse 4，可以对光栅进一步擦除，且在特定时间间隔条件下，晶体布居数可以被恢复到初始状态-1。在该方法中，晶体内某一位置的场强为
其中，t1＝t，t2＝t1-τ＝t-τ，t3＝t2-τ23＝t-τ-τ23，t4＝-(t1-τ14)＝-(t-τ14)。
优选地，在本发明实施例中，第一至第四脉冲的脉宽为7.37×10-15s，T0＝1.5×2.3358×10-15s，当第四脉冲pulse 4与第一脉冲pulse 1的时间间隔为T0的整数倍时，晶体布居数被擦除至初始状态。其中，作为一种可实施方式,第一至第四脉冲的脉宽相同、周期相同，第一至第三脉冲的相位相同,第四脉冲的相位与第一至第三脉冲的相位相反。
当矩形脉冲的脉宽为7.37×10-15s，T0＝1.5×2.3358×10-15s，矩形脉冲pulse 4与脉冲pulse 1在不同的时间间隔下光栅的擦除效果如图8所示。图中选取不同的脉冲4与脉冲1间隔的四种情况，间隔分别为14.8T0、14.9T0、15.0T0、15.1T0。可以看出，随着脉冲4与脉冲1间隔的增大，布居数状态呈现周期性变化，且时间间隔为T0的整数倍时，光栅被进一步擦除，晶体布居数全部被擦除至初始状态。
本发明提供的上述瞬态布局数光栅的形成及擦除过程，主要受脉冲宽度、脉冲间隔即脉冲波长的影响，瞬态布局数光栅形成的强度和擦除的强度均可以通过脉冲宽度、脉冲间隔的调节而得到，降低了产生布居数光栅的难度；
由于所要求的矩形脉冲脉宽较宽，两个脉冲在一定的时间间隔内，会产生重叠，形成没有周期性的布居数变化，但这种布居数的无周期性变化可以通过加大两个脉冲的间隔来消除，即避免脉冲在晶体中相遇来消除布局数光栅前端的非周期性分布。
另外，本专利采用输入波形为矩形脉冲，相比传统高斯脉冲情形下形成的布局数光栅，可以放宽对脉宽极窄的要求，比高斯情形下形成的布局数光栅要求的脉宽高一个量级。
本发明还提供了一种瞬态布居数光栅形成及擦除的装置，包括脉冲发射组件、第一至第五分光镜、第一至第三反射镜、第一电移台和非均匀展宽晶体。
脉冲发射组件，用于发射第一至第三脉冲，并调节第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度，按照预设的第一时间间隔依次发射第一脉冲和第二脉冲。
第一脉冲依次经第一分光镜、所述第二分光镜、所述第三分光镜入射所述非均匀展宽晶体；所述第二脉冲依次经所述第一分光镜、所述第四分光镜、所述第五分光镜和所述第一反射镜，以与所述第一脉冲相对的方向入射所述非均匀展宽晶体，形成布居数光栅。
第三脉冲依次经所述第一分光镜、第四分光镜、第一电移台、第二反射镜、第三反射镜、第五分光镜以及第一反射镜，以与第一脉冲相同的方向射入非均匀展宽晶体。
第一电移台，用于控制第三脉冲与第二脉冲射入非均匀展宽晶体的第二时间间隔满足预设条件，以对布居数光栅进行擦除。
下面对本发明的瞬态布居数光栅形成及擦除的装置的一个优选实施例加以说明。
参见图9所示，脉冲发射组件包括激光系统Laser system和隔离器Isolator。第一脉冲pulse1经由第一分光镜BS1，第二分光镜BS2，第三分光镜BS3入射稀土掺杂晶体REIC(rare-earth ion doped crystal，简称REIC)，优选地，该晶体可以为Tm：YAG晶体(掺铥钇铝石榴石晶体)。
第二脉冲pulse 2分别经过第一分光镜BS1，第四分光镜BS4，第五分光镜BS5和第一反射镜M1入射晶体，第三脉冲pulse 3分别经过第一分光镜BS1，第四分光镜BS4，第一电移台Translation stage 1，第二反射镜M2，第三反射镜M3以及第五分光镜BS5和第一反射镜M1射入晶体，第四脉冲pulse 4分别经过第一分光镜BS1，第二分光镜BS2，第四反射镜M4，第二电移台电移台Translation stage 2，光移相器Optical phase shifter以及第五反射镜M5和第三分光镜BS3射入晶体。
所有的分光镜透反比均为1，而在光路中四个脉冲都经过三个分光镜，因此可以认为四个脉冲在进入晶体前的光强是相同的。
参见图10所示，第一脉冲pulse 1与第二脉冲pulse 2的时间间隔τ固定，第三脉冲pulse 3与脉冲pulse 2的时间间隔τ23由第一电移台Translation stage 1控制，第四脉冲pulse 4与第一脉冲pulse 1的时间间隔τ14由第二电移台Translation stage 2控制。光移相器Optical phase shifter产生λ/2的相位差(λ为矩形脉冲的波长)，使第四脉冲pulse 4与其它脉冲反相。
本发明提供的该瞬态布居数光栅形成及擦除的装置，通过调节输出激光系统的脉冲宽度、调节脉冲间隔，可以方便地得到瞬态布局数光栅形成的强度和擦除的强度。由于本装置在光路中的四个脉冲均经过三个分光镜，因此可以认为四个脉冲在进入晶体前的光强是相同的，避免了在光路中增加衰减器的要求。
另外，该装置不仅适用于输入波形为矩形脉冲情形，也适用于其它脉冲波形如高斯脉冲情形，本领域技术人员能够根据本发明技术构思将该装置直接或者稍许调整适用于多种输入脉冲，但都属于本发明保护范围。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。