本发明涉及脉冲宽度测量，特别是一种超短脉冲自相关测量装置和测量方法。
背景技术：
近些年来，由于超短脉冲在光通信、微波光子学、光学成像、光纤传感等方面的广泛应用，脉冲宽度作为超短脉冲的一个重要参数，吸引了大批学者对脉冲宽度测量方法进行研究。而如何通过简单的结构对低功率超短脉冲的脉冲宽度实现高误差精度测量成为人们关注的焦点。
目前实现脉冲宽度的测量方法主要有4种：
方法1，是利用迈克尔逊干涉结构，通过利用非线性倍频晶体，产生脉冲信号的倍频光，并用光电倍增管对产生的倍频光进行探测。通过控制干涉结构两臂的脉冲相对延时，得到相应的脉冲形状图并推算得到脉冲的实际宽度。这种方法需要昂贵的非线性倍频晶体和复杂的调节方法以满足必须的相位匹配，同时晶体对于温湿度、待测脉冲波长和偏振态的敏感性影响了测量的精度。
方法2，是将方法1中的非线性倍频晶体和光电倍增管替换为具有双光子吸收效应的半导体器件，通过测量不同脉冲延时下器件输出的光电流图形，来推算脉冲的实际宽度。这种方法对光脉冲宽度的测量收到半导体器件本身波长和功率范围的限制。
方法3，是使用频率分辨光学开关法(frog法)，该方法使用与方法1相似的结构，由非线性倍频晶体产生的信号光经由光谱仪进行测量，得到不同时间延时下对应的光谱成分，利用二维位相迭代算法可以获得待测脉冲幅度和位相的定量信息。这个方法基于方法1，所以继承了方法1的缺点，同时还要求有更高的被测脉冲能量，无法测量低能量脉冲的脉宽特性。
方法4，是光谱相位相干直接电场重建法(spider法)，待测脉冲进入测量系统后分为两束，一束进入色散介质，产生时域展宽的啁啾脉冲，另一束通过迈克尔逊干涉仪分为两束更小的具有时间延迟的镜像脉冲，然后两个镜像脉冲与展宽的啁啾脉冲在非线性晶体中进行和频转换，由于两个信号脉冲和啁啾脉冲的交叉时间不同，和频后的两个脉冲在频域产生频差，从而在光谱仪中产生干涉条纹。通过测量干涉条纹，由一种非迭代的反演算法，计算相位信息，实现实时测量。相似于方法3，这种方式不仅需要非线性晶体，同时还需要更高的输入脉冲功率。
总之，以上的几种方法或者需要功率过高、或者测量的脉冲与波长范围受到器件设计的限制、或者结构复杂难调节，需要一种综合改进的方法能够在兼顾低成本的同时，实现对脉冲宽度的测量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种超短脉冲自相关测量装置和测量方法，通过简单的结构，就可以实现对低功率低能量的超短脉冲宽度的测量。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种超短脉冲自相关测量装置，其特点在于该装置的构成是：沿待测线偏振脉冲光方向依次是第一准直透镜、二分之一波片、偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜，该第一路信号光被反射后返回到偏振分光棱镜，沿第二路信号光方向依次是可控延时反射镜、斩光器、返回到偏振分光棱镜，两路信号光在所述的偏振分光棱镜中合并后输出，沿合并光方向依次是第二反射镜、第二准直透镜和碳纳米管饱和吸收体薄膜和光电倍增管，该光电倍增管输出端与锁相放大器的输入端连接，所述的斩光器斩获的信号光输出到所述的锁相放大器的参考信号端，计算机分别连接锁相放大器的通信端口和可控延时反射镜的控制端。
所述的碳纳米管饱和吸收体，通过现有的液相剥离法技术制备，并与聚乙烯醇(pva)混合制成饱和吸收体薄膜，具有饱和吸收特性，且工作在非线性区间，工作波段为碳纳米管饱和吸收体薄膜的吸收波段。
利用上述超短脉冲自相关测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：
1)将待测线偏振光脉冲输入到装置的入口即第一准直透镜的输入端，设置斩光器的旋转速率，并使斩光器输出的参考信号光输入到锁相放大器的参考信号端；
2)调节所述的二分之一波片的方向，使经所述的偏振分光棱镜输出的两路光信号功率相等，在第二准直透镜汇聚合并后射入碳纳米管饱和吸收体薄膜，通过光电倍增管将获取的光功率转换为电流信号，输出至所述的锁相放大器；
3)将计算机连接到所述的可控延时反射镜的控制端口和锁相放大器的通信端口，通过计算机控制调节可控延时反射镜的延时长度，使得由偏振分光棱镜、第一反射镜、可控延时反射镜、斩光器构成的迈克尔逊干涉结构两路信号光的光程相等，同时计算机获得锁相放大器读数的最大输出值；
4)所述的计算机记录锁相放大器的读数值，画出脉冲图像，并计算得到脉冲的半高宽度值；
5)通过所得到脉冲图像的脉冲半高宽度，应用理论计算的脉冲演化关系式，得到所测脉冲的实际宽度值。
所述的光电倍增管是商用光电倍增管，电信号输出，输出接口为bnc接口。
所述的可控延时反射镜是可编程调节的，具有与计算机连接的rs232通信接口，由计算机输出控制参数。
所述的斩光器为商用斩光器，电信号输出，输出信号为斩光器扇面旋转频率同参数的方波信号，输出接口为bnc接口。
所述的计算机具有与锁相放大器和可控延时反射镜连接的gpib与rs232通信接口，能实现远程参数控制与数据读取。
所述的锁相放大器为商用数字锁相放大器，能够接受被测电信号与参考电信号的输入，具有与计算机连接的gpib通信接口。
所述的碳纳米管饱和吸收薄膜具有8.87％的调制深度。
所述的光电倍增管的阴极辐照灵敏度为3.5ma/w，探测波长为1300nm到1700nm。
所述的锁相放大器输出的最低电压输出精度为0.01微伏。
本发明的原理是通过利用可控延时反射镜控制被偏振分束棱镜分开的两路脉冲的时间间隔，使偏振分光棱镜输出的合并脉冲的峰值功率随着时延的不同而变化。合并后的脉冲由偏振分光棱镜输出后通过碳纳米管饱和吸收体薄膜，这样不同的峰值功率输入对应了材料非线性区间的不同位置,从而拥有不同的透过率。随后，通过锁相放大器读取脉冲经材料后的输出功率变化，由对应的时间延时值还原出脉冲的原始形状并求出脉冲宽度。这样可以测量到实际脉冲精度为10飞秒，可测量的单个脉冲最低能量为10飞焦。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过利用碳纳米管饱和吸收体薄膜的非线性吸收效应，经由迈克尔逊干涉结构，实现对100飞秒到100皮秒范围，精度10飞秒，单个最低能量为10飞焦的脉冲的宽度测量。相比于背景技术中的方法1、3、4(都利用到非线性晶体的方法)，本发明不需要相位匹配，受温度与湿度的影响小，稳定性更好。相比于背景技术中的方法2(采用双光子吸收的方法)，本发明结构更简单，可测量的输入波长范围和功率范围更大，具有更好的系统稳定性。相比于背景技术中的方法3、4(frog法与spider法)，本发明不需要高的被测脉冲能量要求，能够测量低能量脉冲的脉宽特性。
附图说明
图1是本发明脉冲自相关测量装置的结构图
图2是脉冲自相关测量的原理图，其中(a)为被偏振分光棱镜分束的具有可控延时差的两束脉冲；(b)为分束的脉冲合并，由于不同的延时可以具有不同的合并峰值功率；(c)为具有不同峰值功率的合并脉冲通过碳纳米管饱和吸收体薄膜(cnt)，对应一定透射率的输出。
图3是脉冲自相关测量的输出图和对应的实际脉冲的转换图,其中(a)为实验测得的脉冲波形图与理论拟合曲线；(b)为实际被测量脉冲与锁相放大器测量结果的理论对应关系图。
图中,1-第一准直透镜，2-二分之一波片，31-第一反射镜，32-第二反射镜，4-可控延时反射镜，5-偏振分光棱镜，6-斩光器，7-第二准直透镜，8-碳纳米管饱和吸收体薄膜，9-光电倍增管，10-锁相放大器，11-计算机
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明脉冲自相关测量装置的结构图，由图可见，本发明超短脉冲自相关测量装置的构成是：沿待测线偏振脉冲光方向依次是第一准直透镜1、二分之一波片2、偏振分光棱镜5，该偏振分光棱镜5将输入光分成两路信号光输出，沿第一路信号光方向依次是第一反射镜31，信号被反射后返回到偏振分光棱镜5，沿第二路信号光方向依次是可控延时反射镜4、斩光器6、返回到偏振分光棱镜5，两路信号光在所述的偏振分光棱镜5中合并后输出，沿合并光方向依次是第二反射镜32、第二准直透镜7和碳纳米管饱和吸收体薄膜8和光电倍增管9，该光电倍增管9输出端与锁相放大器10的输入端连接，所述的斩光器6斩获的信号光输出到所述的锁相放大器10的参考信号端，计算机11分别连接锁相放大器10的通信端口和可控延时反射镜4的控制端。
利用上述超短脉冲自相关测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：
1)设置斩光器6的旋转速率，斩光器6输出的参考信号输入到锁相放大器10的参考信号端；
2)将待测线偏振光脉冲输入到系统入口即第一准直透镜1的输入端转变成平行光，过二分之一波片2经由偏振分光棱镜5、第一反射镜31、可控延时反射镜4、斩光器6构成的迈克尔逊干涉结构。二分之一波片2用于旋转输入光脉冲的偏振，使偏振分光棱镜5输出的两路光信号的功率相等。在第二准直透镜7汇聚后射入碳纳米管饱和吸收体薄膜8，通过光电倍增管9将获取的光功率转换为电流信号，输出至所述的锁相放大器10；
3)将计算机11连接到所述的可控延时反射镜4的控制端口和锁相放大器10的通信端口，调节可控延时反射镜4的延时长度，使得由偏振分光棱镜5、第一反射镜31、可控延时反射镜4、斩光器6构成的迈克尔逊干涉结构两路长度相等，同时计算机11获得锁相放大器10读数的最大输出值；
4)通过计算机11控制可控延时反射镜4的时延长度同时记录锁相放大器10的读数值，画出脉冲图像，并计算得到脉冲的半高宽度值；
5)通过所得到脉冲图像的脉冲半高宽度，应用理论计算的脉冲演化关系式，得到所测脉冲的实际宽度值。
下面是实施例参数的说明：
所述的碳纳米管饱和吸收体，通过现有的液相剥离法制备，并与聚乙烯醇(pva)混合制成饱和吸收体薄膜8，具有饱和吸收特性，且工作在非线性区间，工作波段为碳纳米管饱和吸收体薄膜8的吸收波段。本发明的优选实例中，所述的碳纳米管饱和吸收薄膜8具有8.87％的调制深度。
所述的光电倍增管9是商用光电倍增管，电信号输出，输出接口为bnc接口。本发明的优选实例中，光电倍增管9的阴极辐照灵敏度为3.5ma/w，可探测波长为1300nm到1700nm。
所述的可控延时反射镜4是空间光工作。本发明的优选实例中，可控延时反射镜4是商用的可编程调节延时反射镜，具有与计算机连接的rs232通信接口，由计算机输出控制参数。
所述的斩光器6对系统信号提供千赫兹级别的调制。本发明的优选实例中，斩光器6为商用可控斩光器，能够对光实现类似调制作用，电信号输出，输出信号为斩光器6扇面旋转频率同参数的方波信号，输出接口为bnc接口。
所述的斩光器6输出的方波信号输入到所述的锁相放大器10的参考端口。
其中，斩光器6输出频率的优选范围是1khz-10khz。在本发明的优选实例中，正弦信号的频率为1khz。
所述的计算机11能可同时控制可控延时反射镜4和锁相放大器10。本发明的优选实例中，计算机具有gpib和rs232通信接口，能实现远程参数控制与数据读取。
所述的锁相放大器10可以通过测量处理被测信号与参考信号，读取待测信号的幅度变化值。本发明的优选实例中，锁相放大器10为商用数字锁相放大器，具有与计算机连接的gpib通信接口，最低输出电压精度为0.01微伏。
步骤2：
将待测线偏振光脉冲输入到系统入口即第一准直透镜1的输入端转变成平行光，过二分之一波片2经由偏振分光棱镜5、第一反射镜31、可控延时反射镜4、斩光器6构成的迈克尔逊干涉结构。二分之一波片2用于旋转输入光脉冲的偏振，使得偏振分光棱镜5输出的两路光信号功率相等。在第二准直透镜7汇聚后射入碳纳米管饱和吸收体薄膜8，通过光电倍增管9将获取的光功率转换为电流信号，输出至所述的锁相放大器10；
其中，碳纳米管饱和吸收体材料8的优选调制深度为5％-10％。在本发明的优选实例中，碳纳米管饱和吸收体材料8的调制深度为8.87％。
其中，偏振分光棱镜5为直角棱镜镀多层膜结构，一路输出端为水平偏振输出，另一路输出端为垂直偏振输出。
其中，二分之一波片2为商用二分之一波片空间光工作，以调节进入偏振分光棱镜5的光脉冲的偏振态，从而控制迈克尔逊干涉结构的两路信号功率分布。
步骤3：
将计算机11连接到所述的可控延时反射镜4的控制端口和锁相放大器10的通信端口，调节可控延时反射镜4的延时长度，使得由偏振分光棱镜5、第一反射镜31、可控延时反射镜4、斩光器6构成的迈克尔逊干涉结构两路长度相等，同时计算机11获得锁相放大器10读数的最大输出值；
其中，当可控延时反射镜4为零延时状态时，由偏振分光棱镜5、第一反射镜31、可控延时反射镜4、斩光器6构成的迈克尔逊干涉结构两路长度保证完全一致，且臂长的优选范围为20cm到1m。在本发明的优选实例中，信号光由偏振分光棱镜5分为两路再到偏振分光棱镜5中合并的光路长度约为20cm。
步骤4：
通过计算机11控制可控延时反射镜4的时延长度同时记录锁相放大器10的读数值，画出脉冲图像，并计算得到脉冲的半高宽度值；
其中，所述的可控延时反射镜4的可调节范围转换到时间为560ps。在本发明的优选实例中，延时与数据读取的范围为100到160ps。
步骤5：
通过所得到脉冲图像的脉冲半高宽度，应用理论计算的脉冲演化关系式，得到所测脉冲的实际宽度值。
图2给出了基于碳纳米管饱和吸收体的脉冲宽度测量的原理图，通过控制两束脉冲间的时间延时(图2(a))，来改变通过材料的合并脉冲的峰值功率(图2(b))，当合并脉冲通过碳纳米管饱和吸收体(cnt)时，脉冲经历的吸收损耗与脉冲的峰值功率相关(图2(c))。通过测量输出脉冲的功率变化，可以获得脉冲延时与输出功率的关系，并根据理论计算的关系式还原脉冲波形。图3(a)给出了实验测得的波形图，波形中间的尖峰是由偏振分束棱镜的非理想消光比，导致光束在偏振分束棱镜中分路再合路后产生了部分干涉。图3(b)给出了锁相放大器测试波形脉宽与实际输入脉冲宽度的理论对应关系。