一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其包括延时线、三孔光阑、第一宽带聚焦镜、测量光阑、第二宽带聚焦镜、非线性介质和光谱仪；其中，待测激光经过所述延时线，产生随延时变化的光谱信号光；所述光谱信号光通过所述三孔光阑后，分为三束激光脉冲；所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜聚焦在所述非线性介质上，产生测量信号光；所述测量信号光通过所述测量光阑，经所述第二宽带聚焦镜聚焦到所述光谱仪上；所述光谱仪接收所述测量信号光，测得所述待测激光的光学信息。还提供了使用该装置进行测量的方法，以及所述装置和方法在测量超短激光脉冲的光学信息中的应用。
【专利说明】
一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种频率分辨光学开关激光测量装置，尤其涉及一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，以及利用该频率分辨光学开关激光测量装置的测量方法和应用。【背景技术】
[0002]超快超强激光技术的研究，是目前国际上具有战略意义的前沿科学课题;其研究主要以对超短激光脉冲的研究与应用为主。由于超短激光脉冲具有极短的时间尺度、极快的时间特性以及极强的峰值功率等优越特性，被广泛应用于强场激光物理、超快物理、材料加工、微制造、激光医疗等领域。由于其与众不同的特性，如何对其精确的测量描述也成了一个具有十分重要意义的研究内容。
[0003]作为一种能够给出超短激光脉冲的电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位等详细信息的测量手段，频率分辨光学开关法(FROG)被国际上广泛的采用和认可。根据不同的光学开关产生机制，目前频率分辨光学开关法一般可分为偏振选通(PG-FR0G)、二倍频(SHG-FR0G)、自衍射(SD-FR0G)和瞬态光栅频率分辨光学开关法(TG-FR0G)等。其中基于瞬态光栅的频率分辨光学开关法采用三阶非线性四波混频原理，自动满足相位匹配条件， 灵敏度高，适用于包括紫外在内的众多光学波段，相比其他测量方法更适合于高能量、超宽带的超短激光脉冲测量。
[0004]在对此方法的研究和实践过程中，本专利的发明人发现，传统的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置在设计上基本采用BOXCARS结构，因此时空重合调整较复杂，光路调节难度较大，对技术人员的调试能力要求较高。
【发明内容】
[0005]因此，基于现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，以及使用该频率分辨光学开关激光测量装置的测量方法和应用。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供了一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，所述频率分辨光学开关激光测量装置包括延时线、三孔光阑、第一宽带聚焦镜、测量光阑、第二宽带聚焦镜、非线性介质和光谱仪；
[0007]其中，
[0008]待测激光经过所述延时线，产生随延时变化的光谱信号光；
[0009]所述光谱信号光通过所述三孔光阑后，分为三束激光脉冲；[〇〇1〇]所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜聚焦在所述非线性介质上，产生测量信号光；
[0011]所述测量信号光通过所述测量光阑，经所述第二宽带聚焦镜聚焦到所述光谱仪上；
[0012]所述光谱仪接收所述测量信号光，测得所述待测激光的光学信息;优选地，所述光学信息选自电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或多种。
[0013]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述延时线包括两片宽带反射镜和一个平移台，所述平移台控制所述两片宽带反射镜中的一片。优选地，所述宽带反射镜为D型反射银镜。更优选地，所述两片宽带反射镜为两片直边并列放置的D型反射银镜。所述平移台可用于控制两片D型反射银镜之间的光路，从而产生随延时变化的光谱信号。所述延时线可以由两片宽带反射镜和一个平移台组成。本发明的测量装置可以仅包含一个所述延时线。[〇〇14]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述平移台为精密平移台，优选为PZT压电陶瓷平移台。更优选地，所述平移台的精度为0.1?1 OOnm， 最优选为lnm〇
[0015]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述三孔光阑为等腰直角三角形分布，将所述光谱信号光分为三束等价的激光脉冲。优选地，所述激光脉冲直径为1?3mm，最优选为1mm。
[0016]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述非线性介质为具有高损伤阈值的介质，优选为三阶非线性介质，更优选为熔融石英、白宝石、氟化物晶体或光学玻璃。进一步优选地，所述氟化钙晶体可以为氟化钙或氟化镁等;所述光学玻璃可以为BK7玻璃或SF11玻璃等。更进一步优选地，所述非线性介质为片状，其厚度优选为10?lOOOlim，最优选为50ym。
[0017]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述第一宽带聚焦镜和第二宽带聚焦镜各自独立地为宽带凹面银镜。优选地，所述宽带聚焦镜的曲率半径为50?500mm。最优选地，所述第一宽带聚焦镜的曲率半径为200mm，所述第二宽带聚焦镜的曲率半径为100mm。
[0018]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述光谱仪为高分辨率光谱仪。优选地，所述光谱仪的精度为〇 ? 1?l〇nm，最优选为0 ? 5nm或2nm〇 [〇〇19]根据本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述频率分辨光学开关激光测量装置还包括光阑准直系统，所述待测激光在通过所述延时线之前， 先通过所述光阑准直系统。优选地，所述光阑准直系统为两个光阑。更优选地，所述待测激光的能量为lmj，波长范围为750?850nm，光斑直径为10mm，脉宽为30fs。所述待测激光为具有前述性质的超短激光脉冲。
[0020]本发明还提供了一种使用本发明的上述基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置的测量方法，所述测量方法包括:[0021 ](1)待测激光经过所述延时线，产生随延时变化的光谱信号光；[〇〇22](2)步骤(1)中的所述光谱信号光通过所述三孔光阑后，分为三束激光脉冲；
[0023](3)步骤(2)中的所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜聚焦在所述非线性介质上，产生测量信号光；
[0024](4)步骤(3)中的所述测量信号光通过所述测量光阑，经所述第二宽带聚焦镜聚焦到所述光谱仪上；
[0025](5)以所述光谱仪接收所述测量信号光，测得所述待测激光的光学信息。优选地， 所述光学信息选自电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或多种。
[0026]更优选地，在步骤(1)前，所述待测激光先经过所述光阑准直系统。
[0027]本发明还提供了上述频率分辨光学开关激光测量装置或上述测量方法在测量超短激光脉冲的光学信息中的应用。优选地，所述光学信息选自电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或多种。
[0028]本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置的设计结构为改进的折叠型BOXCARS结构，入射光(即待测激光)经过的两片宽带反射镜为D型银镜，还经过一个三孔光阑，再聚焦入射一块熔融石英薄片作为三阶非线性介质产生测量信号。
[0029]本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置可以包括两片宽带反射镜、一个精密平移台、一个三孔光阑、两片宽带聚焦镜、一个测量光阑、一块非线性介质薄片以及一台高分辨率光谱仪。
[0030]根据本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中一个宽带D型反射银镜是由一个精密平移台来控制，用以精细控制一条光路的延时，从而实现对衍射光的光谱随延时变化的测量。
[0031]根据本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，三孔光阑为等腰直角三角形分布，用于将入射光分成三束等价的激光脉冲，作为一路信号光和两路选通光。
[0032]根据本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，两个宽带聚焦镜为凹面银镜，分别用于对三束入射激光脉冲与被测衍射脉冲进行聚焦。
[0033]根据本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，用以产生三阶非线性(四波混频)的介质为熔融石英薄片，本领域的一般技术人员可根据不同的实验条件和要求选用包括熔融石英在内的合适的三阶非线性介质。
[0034]根据本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其中，所述的测量信号为随延时变化的光谱信号，建议选用高精度的延时控制平台和高分辨率光谱仪。
[0035]本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置应用了四波混频的光学原理，对信号光在瞬态光栅上产生衍射光的光谱随延时的变化函数进行测量从而得到入射光的频谱和相位信息。
[0036]本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，可用于测量高能量超宽带飞秒，乃至周期量级的超短激光脉冲的电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、 相位等信息。其采用改进型BOXCARS结构，只需使用一组用精密平移台控制的延时线，能够简化光路结构，优化相关技术人员的调试手段，更便于对探测信号的采集。本发明结构紧凑，操作简单，具有精度高、稳定性好、成本低、损伤阈值高、测量范围广等一系列特点，在科研与工业上均有广泛的应用前景。【附图说明】
[0037]以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中:
[0038]图1示出了本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置的具体结构示意图；[〇〇39] 附图标记说明:
[0040]1、待测激光(可以为超短激光脉冲)；2、光阑准直系统;3、宽带反射镜(可以为两片宽带D型反射银镜)；4、平移台(可以为精密PZT压电陶瓷平移台)；5、三孔光阑；6、第一宽带聚焦镜(可以为凹面银镜)；7、非线性介质(可以为熔融石英薄片)；8、测量光阑；9、第二宽带聚焦镜(可以为凹面银镜)；10、光谱仪；
[0041]图2?图5示出了采用本发明提供的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置测量待测激光的光学信息，其中:
[0042]图2示出了所述待测激光的脉冲宽度及相位信息；
[0043]图3示出了所述待测激光的光谱带宽及啁嗽信息；
[0044]图4示出了所述待测激光的原始光谱行迹图；
[0045]图5示出了软件反演后的具体待测激光的光谱行迹图；
[0046]图6示出了干涉自相关仪的测量结果。【具体实施方式】[〇〇47]下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
[0048]本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
[0049]以下实施例中使用的仪器如下:
[0050]仪器:[〇〇51 ]宽带D型反射银镜，购自Layertec公司、型号109152。
[0052]凹面银镜，购自Layertec公司、型号109215与109214。
[0053] 平移台，购自PI公司、型号P611。
[0054]光谱仪，购自Ocean Optics公司、型号USB2000+。[〇〇55]熔融石英片，购自欧瑞特公司、型号50um。
[0056]下面，结合附图及具体实施例对本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置及其测量方法作进一步描述。[〇〇57]如图1所示，本发明的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置包括延时线、三孔光阑5、第一宽带聚焦镜6、测量光阑8、第二宽带聚焦镜9、非线性介质7和光谱仪10。
[0058]其中:
[0059] 待测激光1经过所述延时线，产生随延时变化的光谱信号光。所述延时线包括两片宽带反射镜3和一个平移台4,所述平移台4控制所述两片宽带反射镜中的一片。所述宽带反射镜可以为D型反射银镜。更具体地，所述两片宽带反射镜可以为两片直边并列放置的D型反射银镜。所述平移台可以为PZT压电陶瓷平移台，其精度可以为lnm。
[0060]待测激光1在通过所述延时线之前，先通过光阑准直系统2,其包括两个光阑。
[0061]所述光谱信号光通过所述三孔光阑5后，分为三束激光脉冲。所述三孔光阑为等腰直角三角形分布，将所述光谱信号光分为三束等价的激光脉冲，所述激光脉冲直径均为 lmm〇
[0062]所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜6聚焦在所述非线性介质7上，产生测量信号光。所述非线性介质7为具有高损伤阈值的介质，可以为三阶非线性介质。在本实施方式中选用的熔融石英，但也可以选用其他适合的三阶非线性介质。该熔融石英为片状(熔融石英薄片)，厚度可以为50wii。
[0063]所述测量信号光通过所述测量光阑8,经所述第二宽带聚焦镜9聚焦到所述光谱仪 10上。第一宽带聚焦镜6和第二宽带聚焦镜9可以为宽带凹面银镜。第一宽带聚焦镜6的曲率半径为200mm，第二宽带聚焦镜9的曲率半径为100mm。[〇〇64]所述光谱仪10接收所述测量信号光，测得所述待测激光1的光学信息。所述光学信息可以选自电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或多种。光谱仪10为高分辨率光谱仪，精度为2nm。
[0065] 在使用上述测量装置对待测激光进行测量时，测量方法可以包括以下步骤:[〇〇66] 采用的待测激光1为能量lmj、波长范围750?850nm、光斑直径10mm、脉宽30fs左右的超短激光脉冲。
[0067](1)待测激光1经过光阑准直系统2以及延时线(包括两片宽带反射镜3和平移台4)，产生随延时变化的光谱信号光。其中，平移台4精密控制两片宽带反射镜3中的一片，用以精细控制一路光线的延时，从而实现对衍射光的光谱随延时变化的测量。[〇〇68](2)步骤(1)中的所述光谱信号光通过所述三孔光阑5后，分为三束激光脉冲。这三束激光脉冲可作为一路信号光和两路选通光。激光脉冲的直径均为1mm。
[0069](3)步骤(2)中的所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜6聚焦在所述非线性介质7上，产生测量信号光。该测量信号光是由上述三束激光脉冲在非线性介质7上产生三阶非线性效应而得到的第四束激光脉冲，即为四波混频产生的衍射光。
[0070](4)步骤(3)中的所述测量信号光通过所述测量光阑8,经所述第二宽带聚焦镜9聚焦到所述光谱仪10上。
[0071](5)以所述光谱仪10接收所述测量信号光，通过软件算法(使用的软件为F0G3)对随延时变化的光谱信号进行处理，测得所述待测激光1的光学信息。该光学信息包括图2至图5所示的脉冲宽度、相位信息、光谱带宽、啁嗽信息以及原始光谱行迹图和软件反演后的光谱行迹图。[〇〇72]从图2可知，所述待测激光脉冲宽度为33fs。从图3可知，所述待测激光脉冲的光谱带宽为41nm〇
[0073]另外，为了验证本发明装置的测量准确性，我们使用了一款商用干涉自相关仪采用与实施例相同的待测激光进行测量对比，该仪器的型号为Interferometer FEMT0METER。 测量结果如图6,从图6可知，所述待测激光脉冲为32.8fs，光谱带宽为47nm。由此可见，本实施例与所述商用干涉自相关仪的测量结果比较，待测激光脉冲基本吻合，光谱带宽差异也在本领域所允许的误差范围之内。[〇〇74]尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
【主权项】
1.一种基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其特征在于，所述频率分辨 光学开关激光测量装置包括延时线、三孔光阑、第一宽带聚焦镜、测量光阑、第二宽带聚焦 镜、非线性介质和光谱仪；其中，待测激光经过所述延时线，产生随延时变化的光谱信号光；所述光谱信号光通过所述三孔光阑后，分为三束激光脉冲；所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜聚焦在所述非线性介质上，产生测量信号 光；所述测量信号光通过所述测量光阑，经所述第二宽带聚焦镜聚焦到所述光谱仪上；所述光谱仪接收所述测量信号光，测得所述待测激光的光学信息;优选地，所述光学信 息选自电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其特征在 于，所述延时线包括两片宽带反射镜和一个平移台，所述平移台控制所述两片宽带反射镜 中的一片;优选地，所述宽带反射镜为D型反射银镜;更优选地，所述两片宽带反射镜为两片 直边并列放置的D型反射银镜。3.根据权利要求2所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置，其特征在 于，所述平移台为精密平移台，优选为PZT压电陶瓷平移台；更优选地，所述平移台的精度为 0? 1?lOOnm，最优选为lnm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装 置，其特征在于，所述三孔光阑为等腰直角三角形分布，将所述光谱信号光分为三束等价的 激光脉冲;优选地，所述激光脉冲直径为1?3mm，最优选为1mm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装 置，其特征在于，所述非线性介质为具有高损伤阈值的介质，优选为三阶非线性介质，更优 选为熔融石英、白宝石、氟化物晶体或光学玻璃;进一步优选地，所述氟化物晶体为氟化钙 或氟化镁，所述光学玻璃为BK7玻璃或SF11玻璃;更进一步优选地，所述非线性介质为片状， 其厚度优选为10?100mi，最优选为50mi。6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装 置，其特征在于，所述第一宽带聚焦镜和第二宽带聚焦镜各自独立地为宽带凹面银镜;优选 地，所述宽带聚焦镜的曲率半径为50?500mm;最优选地，所述第一宽带聚焦镜的曲率半径 为200mm，所述第二宽带聚焦镜的曲率半径为100mm。7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装 置，其特征在于，所述光谱仪为高分辨率光谱仪;优选地，所述光谱仪的精度为0.1?l〇nm， 最优选为〇 ? 5nm或2nm〇8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装 置，其特征在于，所述频率分辨光学开关激光测量装置还包括光阑准直系统，所述待测激光 在通过所述延时线之前，先通过所述光阑准直系统;优选地，所述光阑准直系统为两个光 阑；更优选地，所述待测激光的能量为lmj，波长范围为750?850nm，光斑直径为10mm，脉宽 为30fs。9.一种使用权利要求1至8中任一项所述的基于瞬态光栅的频率分辨光学开关激光测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括:(1)待测激光经过所述延时线，产生随延时变化的光谱信号光；(2)步骤(1)中的所述光谱信号光通过所述三孔光阑后，分为三束激光脉冲；(3)步骤(2)中的所述三束激光脉冲经所述第一宽带聚焦镜聚焦在所述非线性介质上， 产生测量信号光；(4)步骤(3)中的所述测量信号光通过所述测量光阑，经所述第二宽带聚焦镜聚焦到所 述光谱仪上；(5)以所述光谱仪接收所述测量信号光，测得所述待测激光的光学信息；优选地，所述 光学信息选自电场形状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或 多种；更优选地，在步骤(1)前，所述待测激光先经过所述光阑准直系统。10.权利要求1至8中任一项所述的频率分辨光学开关激光测量装置或权利要求9所述 的测量方法在测量超短激光脉冲的光学信息中的应用;优选地，所述光学信息选自电场形 状、光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、相位信息和啁嗽信息中的一种或多种。
【文档编号】G01D21/02GK106052751SQ201610320162
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】黄杭东, 魏志义, 詹敏杰, 刘阳阳, 黄沛, 滕浩, 赵昆, 方少波, 王兆华
【申请人】中国科学院物理研究所