本发明涉及载波包络相移频率测量装置，具体涉及一种飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置。
背景技术：
飞秒脉冲在时域上表现为周期性等间隔的脉冲，其间隔为锁模重复频率的倒数。脉冲内部是光学载波，而脉冲外部是脉冲的包络，包络与载波之间的相位称之为载波包络相位(carrier-envelopphase，cep)。由于激光脉冲在介质中的群速度与相速度值不相同，导致每个激光脉冲的包络和载波传输速度各不相同，从而使每个激光脉冲具有不同的cep。两个脉冲cep的差值定义为载波包络相移(carrier-envelopoffset,ceo)，即为cep的变化量。
目前主要有两种测量ceo的方法。一种是t.fuji等人(t.fuji,etal.newjournalofphysics7,116(2005))提出的自差频的方法(0-f方案)，即利用振荡器产生的准倍频程两侧的光谱进行差频，并利用基频光与差频光倍频产生并探测载波包络相移频率。自差频的方法对振荡器的光谱和脉宽有一定的要求，光谱要尽可能宽，接近一个倍频程，脉宽要压缩至10飞秒以下，才能实现载波包络相移信号的探测。目前只有亚10飞秒的钛宝石振荡器能满足这个条件。另一种是h.r.telle等人(h.r.telle,etal.appliedphysicsb:lasersandoptics4,69(1999))提出的自参考的方法(f-2f方案)，利用高非线性光纤进行光谱扩展获得超过一个倍频程的超连续光谱，超连续光谱中的低频光倍频后的倍频光与超连续光谱中与倍频光同频的基频光拍频，获得载波包络相移频率信号。
目前自参考技术(f-2f)是测量载波包络相移频率信号的通用技术。f-2f测量光路是空间光路结构，采用光学元件搭建双路或单路的干涉光路进行拍频测量。其有如下两个缺点：第一，f-2f测量光路至少需要10个以上的光学元件，使用的元器件较多、成本高、占用空间大、其结构和光路调节复杂；第二，光路中的元器件的机械抖动引入了额外噪声，不利于载波包络相移频率信号的长期锁定。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置，包括：
超连续光谱产生装置，其用于产生超连续光谱，所述超连续光谱包括基频光和第一波长附近的光；
倍频晶体，其用于透射所述基频光并将所述第一波长附近的光进行倍频并射出倍频光，所述基频光的频率等于所述倍频光的频率；
第一保偏光纤、第二保偏光纤和第三保偏光纤，所述第二保偏光纤的两端分别与所述第一保偏光纤和第三保偏光纤熔接，所述第二保偏光纤的慢轴与所述第一保偏光纤和第三保偏光纤的慢轴之间的夹角为锐角，所述第二保偏光纤用于使其快轴上的基频光和慢轴上的倍频光在时间上同步；
偏振分束棱镜，其入射端连接至所述第三保偏光纤，并出射同步、具有相同偏振态的倍频光和基频光；
光电放大探测器，其用于测量具有相同偏振态的倍频光和基频光拍频后的载波包络相移频率信号。
优选的，所述第二保偏光纤的慢轴与所述第一保偏光纤的慢轴之间的夹角为43°～47°、与所述第三保偏光纤的慢轴之间的夹角为43°～47°。
优选的，所述第二保偏光纤的慢轴与所述第一保偏光纤的慢轴之间的夹角为44.5°～45.5°、与所述第三保偏光纤的慢轴之间的夹角为44.5°～45.5°。
优选的，所述第二保偏光纤的慢轴与所述第一保偏光纤的慢轴之间的夹角为45°、与所述第三保偏光纤的慢轴之间的夹角为45°。
优选的，还包括连接在所述超连续光谱产生装置和所述倍频晶体的入射端之间的保偏光纤，以及连接在所述偏振分束棱镜的出射端和光电放大探测器的入射端之间的保偏光纤。
优选的，还包括位于所述倍频晶体的出射端和光电放大探测器的入射端的光路之间的带通滤光器，所述带通滤光器的中心波长与所述基频光的波长相同，用于将所述基频光的波长附近的光分离出来。
优选的，所述带通滤光器位于所述偏振分束棱镜的出射端和光电放大探测器的入射端之间。
优选的，所述超连续光谱的波长范围为650-1550纳米，所述倍频光的波长为761纳米，所述带通滤光器用于透射730-770纳米的光。
优选的，所述超连续光谱产生装置包括：
飞秒光纤激光器，其用于产生飞秒脉冲；
光子晶体光纤，其用于将所述飞秒脉冲进行频率扩展以输出所述超连续光谱。
优选的，所述倍频晶体为周期极化铌酸锂晶体或偏硼酸钡晶体。
本发明的飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置元器件的数量较少、成本低、节约空间，并且实现了全光纤结构，极大地增加了测量的稳定性和可靠性，提高了信噪比。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是根据本发明第一个实施例的飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置的结构示意图。
图2是图1所示的超连续光谱产生装置产生的超连续光谱图。
图3是图1所示的保偏光纤的熔接方法示意图。
图4是图1所示的保偏光纤的延时补偿原理的示意图。
图5是根据本发明第二个实施例的飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明第一个实施例的飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置的结构示意图。如图1所示，飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置10包括超连续光谱产生装置1、周期极化铌酸锂晶体(ppln)2、连接在ppln2的出射端的第一保偏光纤13、与第一保偏光纤13熔接的第二保偏光纤3、与第二保偏光纤13熔接的第三保偏光纤14、偏振分束棱镜4和光电放大探测器6。
超连续光谱产生装置1包括一台飞秒光纤激光器和光子晶体光纤。飞秒光纤激光器中的振荡器是基于半导体可饱和吸收镜的全光纤振荡器，经过两级啁啾脉冲放大器放大之后，利用棱镜对进行压缩。飞秒光纤激光器的输出功率为3瓦左右，飞秒脉冲的中心波长为1035纳米，其脉冲宽度约为100飞秒、重复频率约为70mhz。飞秒脉冲耦合进光子晶体光纤中，基于光子晶体光纤的非线性效应，产生超过一个倍频程的超连续光谱。
图2是图1所示的超连续光谱产生装置产生的超连续光谱图。如图2所示，飞秒脉冲的中心波长为1035纳米，超连续光谱的频率范围为650-1550纳米，其包括1522纳米附近的光以及761纳米附近的基频光。
ppln2是一种能够倍频的非线性晶体，用于透射超连续光谱并将超连续光谱中的1522纳米附近的光倍频以产生761纳米附近的倍频光。由于不同波长的光在ppln2中的传播速度不同，导致基频光相比于倍频光具有一定的延时(例如0.3皮秒)。
第二保偏光纤3的两端分别与第一保偏光纤13和第三保偏光纤14熔接。图3是图1所示的保偏光纤的熔接方法示意图，图3的箭头下方的三个图分别是第一保偏光纤13、第二保偏光纤3和第三保偏光纤14沿着光传播方向看的端面图，其慢轴以虚线示出。如图3所示，第一保偏光纤13的慢轴与第二保偏光纤3的慢轴之间成45°熔接，第二保偏光纤3的慢轴与第三保偏光纤14的慢轴之间成45°熔接。
图4是图1所示的保偏光纤的延时补偿原理的示意图，为了清楚示出延时补偿原理，图4仅示出了倍频光和超连续光谱中的基频光，其中左边为第一保偏光纤13的慢轴上的倍频光和基频光，中间为第二保偏光纤3的慢轴和快轴上的倍频光和基频光，右边为第三保偏光纤14的慢轴和快轴上的倍频光和基频光。第一保偏光纤13的慢轴上的光同时进入第二保偏光纤3的慢轴和快轴(垂直于慢轴)传播，利用光在快轴和慢轴的传播速度不同的原理，第二保偏光纤3使其慢轴上的光比快轴上的光延迟0.3皮秒，由此第二保偏光纤3的快轴上的基频光和慢轴上的倍频光在时间上同步。经过延时补偿后的倍频光和基频光入射至第三保偏光纤14中，其中第一保偏光纤13的快轴上的倍频光和基频光的一部分在第三保偏光纤14的快轴上传播、另一部分在第三保偏光纤14的慢轴上传播；同样第一保偏光纤13的慢轴上的倍频光和基频光的一部分在第三保偏光纤14的快轴上传播、另一部分在第三保偏光纤14的慢轴上传播，由此第三保偏光纤14的慢轴上具有时间上同步的倍频光和基频光，且快轴上也具有时间上同步的倍频光和基频光。从图4可以看到倍频光和基频光在慢轴和快轴上都有一部分重合，此重合部分都可以用于拍频。
偏振分束棱镜4滤掉快轴上的光、保留慢轴上的光，从而出射同步、具有相同偏振态的倍频光和基频光以进行拍频。
光电放大探测器6选用工作波长为400-1000纳米的硅雪崩光电探测器来探测载波包络相移频率信号。
本发明的飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置10中利用第二保偏光纤3与第一保偏光纤13的慢轴成锐角熔接，使第二保偏光纤3的快轴上的基频光和慢轴上的倍频光在时间上同步，实现了延时补偿。再利用第二保偏光纤3与第三保偏光纤14的慢轴成锐角熔接，使得倍频光和基频光在第三保偏光纤14的慢轴上的倍频光和基频光同步、快轴上的倍频光和基频光同步。减少了元器件的数量，成本低，同时省略了复杂、精确的光路调节过程。
再次参考图1所示，飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置10还包括连接在超连续光谱产生装置1和ppln2的入射端之间的光纤12，连接在偏振分束棱镜4的出射端和光电放大探测器6的入射端之间的光纤16。由此实现了全光纤结构，省略了复杂的光路调节过程，极大地增加了测量装置的稳定性。
在上述实施例中，第二保偏光纤3的慢轴与第一保偏光纤13和第三保偏光纤14的慢轴的夹角都为45°，使得倍频光和基频光在第二保偏光纤3的慢轴与快轴上的光分量相等、且在第三保偏光纤14的慢轴和快轴上的光分量相等，使得载波包络相移频率信号的强度最大，从而提高信噪比。因此，在第二保偏光纤3与第一保偏光纤13、第三保偏光纤14的熔接过程中，使得第二保偏光纤3的慢轴与第一保偏光纤13的慢轴之间的夹角为43°～47°且与第三保偏光纤14的慢轴之间的夹角为43°～47°，优选在44.5°～45.5°，更优选为45°。
图5是根据本发明第二个实施例的飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于，飞秒脉冲载波包络相移频率测量装置20还包括带通滤波器25，带通滤波器25的入射端和偏振分束棱镜24的出射端之间连接有光纤215，其出射端与光电放大探测器26的入射端之间连接有光纤216。带通滤波器25的中心波长与基频光的波长相同，用于将730-770纳米的光分离出来，避免其他波长的光入射到光电放大探测器26中，减小对拍频信号的影响，提高信噪比。
在本发明的其他实施例中，带通滤波器25通过保偏光纤连接在ppln22和第二保偏光纤23之间，或连接在第二保偏光纤23和偏振分束棱镜24之间。
根据本发明的其他实施例，光纤12、光纤16、光纤213、光纤215、光纤216都为保偏光纤，确保飞秒激光的偏振态不变，提高测量的可靠性。
在本发明的其他实施例中，偏振分束棱镜滤掉慢轴上的光、保留快轴上的光。
光电放大探测器并不限于是硅雪崩光电探测器，在本发明的其他实施例中，还可以是其他的光电探测器，只要其工作波长的范围覆盖倍频光的波长即可。
在本发明的其他实施例中，选用掺铒光纤激光器作为超连续光谱产生源，选用偏硼酸钡晶体作为倍频晶体。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。