一种用于超快激光脉冲时间波形测量的装置和方法与流程

本发明属于超快脉冲激光测试技术领域，具体涉及一种用于超快激光脉冲时间波形测量的装置和相应的测量方法。

背景技术：

目前对于超快激光脉冲时间波形的测量主要采用frog(frequency-resolvedopticalgating，频率分辨光学开关法)、spider(光谱相位干涉电场重构法)及其变种，这些方法恢复脉冲时间波形的算法繁杂，相比较而言双延迟三阶相关法是一种测量超快激光脉冲时间波形的可靠方法。中国专利文献库公开了名称为《基于三阶相关法的激光脉冲波形测量装置》的实用新型专利(专利号：zl201620734206.1)，该专利采用光束正交旋转结合两次非线性谐波转换的级联技术，实现基于双延迟三阶相关的单次超快激光脉冲波形的测量；中国专利文献库公开的名称为《一种超短激光脉冲测量装置》的实用新型专利(专利号：zl201721273442.9)采用将等比例成像传输的自相关倍频光束与被测基频光束进行和频转换，产生双延迟三阶强度相关信号的方法来获得单发次超快激光脉冲的时间波形。但上述方法仍存在要求被测激光束具有特定的偏振态、无法适应任意偏振态的脉冲波形测量的缺陷。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：为了克服现有的测量技术在超快激光脉冲波形测量中要求被测激光束具有特定的偏振态的不足，本发明提供一种用于超快激光脉冲波形测量的装置和方法，有效适应任意偏振态的脉冲波形测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于超快激光脉冲时间波形测量的装置，所述装置在超快激光脉冲平行光束入射方向上设置有分光镜ⅰ1，用于将激光脉冲分成第一透射光和第一反射光；

在分光镜ⅰ1的第一反射光路上依次设置有反射镜ⅰ2、非线性晶体ⅰ3，分光镜ⅰ1的第一反射光经反射镜ⅰ2反射后得到第一基频光束，所述第一基频光束以第一固定角度投射到非线性晶体ⅰ3；

在分光镜ⅰ1的第一透射光路上设置分光镜ⅱ4，分光镜ⅰ1的第一透射光经分光镜ⅱ4后再次被分成第二透射光和第二反射光；在分光镜ⅱ4的第二透射光路上设置有反射镜ⅱ5、延迟调节器ⅰ6、反射镜ⅲ7、非线性晶体ⅰ3，分光镜ⅱ4的第二透射光经反射镜ⅱ5反射后投射到延迟调节器ⅰ6进行等光程调节，从延迟调节器ⅰ6出射的光束经反射镜ⅲ7反射后得到对应的第二基频光束，所述第二基频光束以第二固定角度投射到非线性晶体ⅰ3；

反射镜ⅰ2反射的第一基频光束与从反射镜ⅲ7反射的第二基频光束以所述固定角度同时对称投射到非线性晶体ⅰ3上，通过非线性晶体ⅰ3在两个光束的重叠区域内进行倍频转换，产生的二倍频光束沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射；

在分光镜ⅱ4的第二反射光路上设置有延迟调节器ⅱ8、导光镜组9、非线性晶体ⅱ10；分光镜ⅱ4的第二反射光经延迟调节器ⅱ8进行等光程调节后投射到导光镜组9进行光路偏转，经过导光镜组9进行光路偏转后的第三基频光束以第三固定角度斜向下投射到非线性晶体ⅱ10上，沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射的二倍频光束以第四固定角度与从导光镜组9斜向下出射的第三基频光束以第三固定角度同时投射到非线性晶体ⅱ10上，通过非线性晶体ⅱ10在两个光束的重叠区域内进行频率转换，产生的三倍频光束沿非线性晶体ⅱ10表面法线方向出射；

在所述三倍频光束出射方向上设置有成像透镜11和ccd12；来自非线性晶体ⅱ10表面法线方向上的三倍频光束经成像透镜11成像到ccd12，ccd12输出的即为双延迟三阶相关信号；ccd12外接计算机，来自ccd12的双延迟三阶相关信号进入计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形信息。

进一步的，在从非线性晶体ⅰ3透过的第一基频光束方向上还设置有吸收片ⅰ13，用于吸收剩余的第一基频光束；在从非线性晶体ⅰ3透过的第二基频光束方向上还设置有吸收片ⅱ14，用于吸收剩余的第二基频光束；在从非线性晶体ⅱ10透过的第三基频光束方向上还设置有吸收片ⅲ15，用于吸收剩余的第三基频光束。

进一步的，所述的非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10采用非共线ⅰ类位相匹配，晶体光轴与晶体表面平行；根据不同的入射激光波长选用不同的晶体材料。

进一步的，所述非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10皆安装在沿晶体表面法线旋转的旋转镜架上；根据不同的入射激光束偏振态旋转晶体光轴，从而调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的角度。

进一步的，所述第一固定角度和第二固定角度皆为入射角度15°，第三固定角度为17°，第四固定角度为10°。

进一步的，所述导光镜组9由上下两块导光镜：导光镜ⅰ901和导光镜ⅱ902构成；在基频激光脉冲传输方向上依次设置有导光镜ⅰ901和导光镜ⅱ902，投射到导光镜组9的水平光束首先被导光镜ⅰ901垂直向上反射，然后经过导光镜ⅱ902将垂直向上反射的光束斜向下反射，且导光镜组9的出射光束方向与入射水平光束方向垂直。

进一步的，所述根据不同的入射激光束偏振态旋转晶体光轴，从而调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的角度具体包括：当入射激光脉冲为水平偏振时，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3的光轴处于竖直方向，非线性晶体ⅱ10的光轴处于水平方向；当入射激光脉冲为竖直偏振时，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3的光轴处于水平方向、非线性晶体ⅱ10的光轴处于竖直方向；当入射激光脉冲为非垂直、非水平偏振，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3输出的二倍频光束最强、非线性晶体ⅱ10输出的三倍频光束最强即可。

另一方面，本发明还提供了一种用于超快激光脉冲时间波形测量的方法，包括以下步骤：

在超快激光脉冲平行光束入射方向上设置分光镜ⅰ1，激光脉冲经分光镜ⅰ1后分成第一透射光和第一反射光；

在分光镜ⅰ1的第一反射光路上依次设置反射镜ⅰ2、非线性晶体ⅰ3；在分光镜ⅰ1的第一透射光路上设置分光镜ⅱ4，分光镜ⅰ1的第一透射光经分光镜ⅱ4后再次被分成第二透射光和第二反射光；在分光镜ⅱ4的第二透射光路上设置反射镜ⅱ5、延迟调节器ⅰ6、反射镜ⅲ7、非线性晶体ⅰ3；在分光镜ⅱ4的第二反射光路上设置延迟调节器ⅱ8、导光镜组9、非线性晶体ⅱ10；

根据不同的入射激光束偏振态旋转非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的晶体光轴，从而调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的角度，使得：

(a)分光镜ⅰ1的第一反射光经反射镜ⅰ2反射后得到第一基频光束，将所述第一基频光束以第一固定角度投射到非线性晶体ⅰ3；

(b)分光镜ⅱ4的第二透射光经反射镜ⅱ5反射后投射到延迟调节器ⅰ6进行等光程调节，从延迟调节器ⅰ6出射的光束经反射镜ⅲ7反射后得到对应的第二基频光束，将所述第二基频光束以第二固定角度投射到非线性晶体ⅰ3；

(c)将从反射镜ⅰ2反射的第一基频光束与从反射镜ⅲ7反射的第二基频光束以上述固定角度同时对称投射到非线性晶体ⅰ3上进行倍频转换，产生的二倍频光束沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射；

(d)分光镜ⅱ4的第二反射光经延迟调节器ⅱ8进行等光程调节后投射到导光镜组9进行光路偏转，将经过导光镜组9进行光路偏转后的第三基频光束以第三固定角度斜向下投射到非线性晶体ⅱ10上；

(e)将沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射的二倍频光束以第四固定角度与从导光镜组9斜向下出射的第三基频光束以第三固定角度同时投射到非线性晶体ⅱ10上进行频率转换，产生的三倍频光束沿非线性晶体ⅱ10表面法线方向出射；

在所述的三倍频光束出射方向上设置成像透镜11和ccd12；来自非线性晶体ⅱ10表面法线方向上的三倍频光束经成像透镜11成像到ccd12，ccd12输出的即为双延迟三阶相关信号；ccd12外接计算机，来自ccd12的双延迟三阶相关信号进入计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形信息。

进一步的，还包括步骤：在从非线性晶体ⅰ3透过的第一基频光束方向上设置有吸收片ⅰ13，用于吸收剩余的第一基频光束；在从非线性晶体ⅰ3透过的第二基频光束方向上设置有吸收片ⅱ14，用于吸收剩余的第二基频光束；在从非线性晶体ⅱ10透过的第三基频光束方向上设置有吸收片ⅲ15，用于吸收剩余的第三基频光束。

进一步的，所述根据不同的入射激光束偏振态旋转非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的晶体光轴，从而调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的角度具体包括：当入射激光脉冲为水平偏振时，旋转非线性晶体ⅰ3的光轴处于竖直方向，非线性晶体ⅱ10的光轴处于水平方向；当入射激光脉冲为竖直偏振时，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3的光轴处于水平方向、非线性晶体ⅱ10的光轴处于竖直方向；当入射激光脉冲为非垂直、非水平偏振，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3输出的二倍频光束最强、非线性晶体ⅱ10输出的三倍频光束最强即可。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提出的用于超快激光脉冲时间波形测量的装置和方法，其中测量装置成本低、结构简单，调节方便，只需旋转非线性晶体，就可实现对任意偏振态的超快激光脉冲的自相关信号测量。

2.本发明提出的用于超快激光脉冲时间波形测量的装置和方法，采用晶体光轴沿非线性晶体通光面的非共线ⅰ类位相匹配方式实现光束的强度三次自相关，可以适应不同倍频晶体的角度匹配要求，提高了装置的紧凑性。

3.本发明提出的用于超快激光脉冲时间波形测量的装置和方法对超快激光束脉冲时间波形的测量效率高，为超快激光束脉冲测量领域的结构设计提供了技术指导。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的用于超快激光脉冲时间波形测量的装置光路示意图；

图2是本发明的用于超快激光脉冲时间波形测量的装置中的导光镜组光路示意图；

图3是本发明的用于超快激光脉冲时间波形测量的装置中的非线性频率转换光路示意图；

图中，1.分光镜ⅰ2.反射镜ⅰ3.非线性晶体ⅰ4.分光镜ⅱ5.反射镜ⅱ6.延迟调节器ⅰ7.反射镜ⅲ8.延迟调节器ⅱ9.导光镜组10.非线性晶体ⅱ11.成像透镜12.ccd13.吸收片ⅰ14.吸收片ⅱ15.吸收片ⅲ；901.导光镜ⅰ902.导光镜ⅱ。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1所示，为本实施例提供的一种用于超快激光脉冲时间波形测量装置的示意图，所述装置在超快激光脉冲平行光束入射方向上设置有分光镜1；激光脉冲经分光镜1后分成第一透射光和第一反射光。

在分光镜1的第一反射光路上依次设置有反射镜ⅰ2、非线性晶体ⅰ3、吸收片ⅰ13，分光镜ⅰ1的第一反射光经反射镜ⅰ2反射后得到第一基频光束，所述第一基频光束以第一固定角度投射到非线性晶体ⅰ3，剩余的第一基频光束从非线性晶体ⅰ3出射后被吸收片ⅰ13吸收。

在分光镜ⅰ1的第一透射光路上设置有分光镜ⅱ4；分光镜ⅰ1的第一透射光经分光镜ⅱ4后再次被分成第二透射光和第二反射光；在分光镜ⅱ4的第二透射光路上设置有反射镜ⅱ5、延迟调节器ⅰ6、反射镜ⅲ7、非线性晶体ⅰ3、吸收片ⅱ14，分光镜ⅱ4的第二透射光经反射镜ⅱ5反射后投射到延迟调节器ⅰ6进行等光程调节，从延迟调节器ⅰ6出射的光束经反射镜ⅲ7反射后得到对应的第二基频光束，所述第二基频光束以第二固定角度投射到非线性晶体ⅰ3，剩余的第二基频光束从非线性晶体ⅰ3出射后被吸收片ⅱ14吸收。

所述第一固定角度和第二固定角度为对称入射角度，因此从反射镜ⅰ2反射的第一基频光束与从反射镜ⅲ7反射的第二基频光束以上述固定角度同时对称投射到非线性晶体ⅰ3上、通过非线性晶体ⅰ3在两个光束的重叠区域内进行倍频转换，产生的二倍频光束沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射。

另一方面，在分光镜ⅱ4的第二反射光路上设置有延迟调节器ⅱ8、导光镜组9、非线性晶体ⅱ10、吸收片ⅲ15；分光镜ⅱ4的第二反射光经延迟调节器ⅱ8进行等光程调节后投射到导光镜组9进行光路偏转，如图2所示。

图2是所述导光镜组9的光路示意图，为图1中导光镜组9的a向侧视图。所述导光镜组9由上下两块导光镜：导光镜ⅰ901和导光镜ⅱ902构成；在基频激光脉冲传输方向上依次设置有导光镜ⅰ901、导光镜ⅱ902，投射到导光镜组(9)的水平光束首先被导光镜ⅰ(901)垂直向上反射，然后经过导光镜ⅱ902将垂直向上反射的光束斜向下反射，且导光镜组9的出射光束方向与入射水平光束方向垂直。

经过导光镜组9进行光路偏转后的第三基频光束以第三固定角度斜向下投射到非线性晶体ⅱ10上，剩余的第三基频光束从非线性晶体ⅱ10出射后被吸收片ⅲ15吸收。此时沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射的二倍频光束以第四固定角度与从导光镜组9斜向下出射的第三基频光束以第三固定角度同时投射到非线性晶体ⅱ10上进行频率转换，产生的三倍频光束沿非线性晶体ⅱ10表面法线方向出射。

在所述的三倍频光束出射方向上设置成像透镜11、ccd12；来自非线性晶体ⅱ10表面法线方向上的三倍频光束经成像透镜11成像到ccd12，ccd12输出的即为双延迟三阶相关信号；ccd12外接计算机，来自ccd12的双延迟三阶相关信号进入计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形信息。

所述的非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10皆采用非共线ⅰ类位相匹配，晶体光轴与晶体表面平行；根据不同的入射激光波长选用不同的晶体材料如bbo、kdp等。

所述的非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10安装在沿晶体表面法线旋转的旋转镜架上；根据不同的入射激光束偏振态，旋转非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的晶体光轴，从而进行相应的角度调整。

实施例2

由本实施例提供的测量装置其光路结构与实施例1中的装置相同，其中入射激光脉冲中心波长为1053nm，脉冲宽度约为10ps，能量约为10mj，光束口径为1cm×1cm，水平偏振，非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10皆选用kdp材料，采用非共线ⅰ类位相匹配方式，非线性晶体ⅰ3的光轴处于竖直方向，非线性晶体ⅱ10的光轴处于水平方向，非线性晶体ⅰ3竖直方向放置，非线性晶体ⅱ10与竖直面呈约10°倾斜放置；

在一个实施例中，所述第一固定角度和第二固定角度皆为15°，第三固定角度为17°，第四固定角度为10°，对应的从反射镜ⅰ2反射的第一基频光束与从反射镜ⅲ7反射的第二基频光束以30°的夹角同时对称投射到非线性晶体ⅰ3上进行倍频转换，产生的倍频光束沿非线性晶体ⅰ3表面法线方向出射；出射的水平倍频光束以约10°的角度、从导光镜组9斜向下出射的第三基频光束以约17°的角度同时入射到非线性晶体ⅱ10进行频率转换，产生的三倍频光束沿非线性晶体ⅱ10表面的法线方向出射，如图3所示。非线性晶体ⅱ10表面出射的三倍频光束经成像透镜11成像到ccd12，ccd12输出的即为双延迟三阶相关信号，来自ccd12的双延迟三阶相关信号最后进入计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形信息。

实施例3

本实施例与实施例2的光路结构相同，数据处理过程相同，不同之处在于，入射激光脉冲为竖直偏振，此时旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3的光轴处于水平方向、非线性晶体ⅱ10的光轴处于竖直方向。

实施例4

本实施例与实施例2的光路结构相同，数据处理过程相同，不同之处在于，入射激光脉冲为非垂直、非水平偏振，此时旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3输出的二倍频光束最强、非线性晶体ⅱ10输出的三倍频光束最强即可。

实施例5

本实施例提供了一种用于超快激光脉冲时间波形测量的方法，该方法是基于前述任一实施例的测量装置实现的。所述测量方法包括以下步骤：

在超快激光脉冲平行光束入射方向上设置分光镜1，用于将激光脉冲经分光镜1后分成第一透射光和第一反射光。

在分光镜1的第一反射光路上依次设置反射镜ⅰ2、非线性晶体ⅰ3、吸收片ⅰ13，在分光镜ⅰ1的第一透射光路上设置分光镜ⅱ4，使得分光镜ⅰ1的第一透射光经分光镜ⅱ4后再次被分成第二透射光和第二反射光；在分光镜ⅱ4的第二透射光路上设置反射镜ⅱ5、延迟调节器ⅰ6、反射镜ⅲ7、非线性晶体ⅰ3、吸收片ⅱ14；在分光镜ⅱ4的第二反射光路上设置延迟调节器ⅱ8、导光镜组9、非线性晶体ⅱ10、吸收片ⅲ15。

根据激光脉冲的类型旋转并调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ12的方向，使得：

(a)分光镜ⅰ1的第一反射光经反射镜ⅰ2反射后得到第一基频光束，将所述第一基频光束以第一固定角度投射到非线性晶体ⅰ3，剩余的第一基频光束从非线性晶体ⅰ3出射后被吸收片ⅰ13吸收；

(b)分光镜ⅱ4的第二透射光经反射镜ⅱ5反射后投射到延迟调节器ⅰ6进行等光程调节，从延迟调节器ⅰ6出射的光束经反射镜ⅲ7反射后得到对应的第二基频光束，将所述第二基频光束以第二固定角度投射到非线性晶体ⅰ3，并使剩余的第二基频光束从非线性晶体ⅰ3出射后被吸收片ⅱ14吸收；

(c)将从反射镜ⅰ2反射的第一基频光束与从反射镜ⅲ7反射的第二基频光束以上述固定角度同时对称投射到非线性晶体ⅰ3上、通过非线性晶体ⅰ3在两个光束的重叠区域内进行倍频转换，产生的二倍频光束沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射；

(d)分光镜ⅱ4的第二反射光经延迟调节器ⅱ8进行等光程调节后投射到导光镜组9进行光路偏转，将经过导光镜组9进行光路偏转后的第三基频光束以第三固定角度斜向下投射到非线性晶体ⅱ10上，并使剩余的第三基频光束从非线性晶体ⅱ10出射后被吸收片ⅲ15吸收；

(e)将沿非线性晶体ⅰ3表面的法线方向出射的二倍频光束以第四固定角度与从导光镜组9斜向下出射的第三基频光束以第三固定角度同时投射到非线性晶体ⅱ10上进行频率转换，产生的三倍频光束沿非线性晶体ⅱ10表面法线方向出射。

在所述的三倍频光束出射方向上设置成像透镜11、ccd12；来自非线性晶体ⅱ10表面法线方向上的三倍频光束经成像透镜11成像到ccd12，ccd12输出的即为双延迟三阶相关信号；ccd12外接计算机，来自ccd12的信号进入计算机进行数据处理，获得激光脉冲波形信息。

在一个实施例中所述的非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10皆采用非共线ⅰ类位相匹配，晶体光轴与晶体表面平行；根据不同的入射激光波长选用不同的晶体材料如bbo、kdp等。

在一个实施例中，所述的非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10安装在沿晶体表面法线旋转的旋转镜架上；因而可以根据不同的入射激光束偏振态旋转晶体光轴，从而调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的角度。

在一个实施例中，所述根据不同的入射激光束偏振态旋转晶体光轴，从而调整非线性晶体ⅰ3、非线性晶体ⅱ10的角度具体包括：当入射激光脉冲为水平偏振时，旋转非线性晶体ⅰ3的光轴处于竖直方向，非线性晶体ⅱ10的光轴处于水平方向；当入射激光脉冲为竖直偏振时，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3的光轴处于水平方向、非线性晶体ⅱ10的光轴处于竖直方向；当入射激光脉冲为非垂直、非水平偏振，旋转非线性晶体ⅰ3和非线性晶体ⅱ10，使非线性晶体ⅰ3输出的二倍频光束最强、非线性晶体ⅱ10输出的三倍频光束最强即可。

综上所述，本发明实施例提出了用于超快激光脉冲时间波形测量的装置和方法，能有效适应任意偏振态的脉冲波形测量，测量成本低、结构简单，调节方便，只需旋转非线性晶体，就可实现对任意偏振态的超快激光脉冲的自相关信号测量，具有实际指导意义。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。