一种基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置和测量方法与流程

本发明涉及激光脉冲测量技术领域，特别是涉及一种基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置和测量方法。

背景技术：

由于超短脉冲极高的光强和极短的脉宽，因此被广泛的用于科研领域以及精密加工领域。而超短脉冲技术的进步与脉冲测量技术的发展是分不开的，由于超短脉冲激光的时空分布对超短脉冲激光的应用也有重大的影响，在一些应用中我们必须精确知道脉冲激光在产生、传输和变换过程中的时空特性，才能揭示其物理机制，建立起合理的理论模型。越来越多的研究表明，分析研究脉冲激光如皮秒或飞秒脉冲的精细结构是许多研究工作的关键。因此研究测量的超短激光脉冲新技术，了解脉冲宽度、相位及形状信息，是超快技术研究中十分重要的内容。

由于超短脉冲的脉冲宽度极短，普通的电子类器件反应速度相对较慢，通常无法直接测量超短脉冲的特性参数。而目前超短激光脉冲的测量主要采用频率分辨光学开关法(frog)。频率分辨光学开关法是一种用于测量超短激光脉冲的通用方法，其主要思想是通过测量脉冲的“自谱图”(即脉冲在非线性光学介质中对其自身进行开关操作，开关操作后的脉冲又将其自身反映在它形成的谱中)，通过控制两路光脉冲的延时，产生的倍频光的功率会与延时相关，因为该谱是两脉冲间延迟时间的函数，使用二维相位恢复算法便可从脉冲的frog记录中提取脉冲的相关信息。

通常的脉冲测量装置采用倍频晶体作为非线性介质，这种方法需要对不同的入射波长调节不同的入射角度以实现倍频晶体所必要的相位匹配，因此无法对宽波长的激光进行测量，并且晶体存在一定的厚度会对待测脉冲引入色散导致脉冲展宽影响测量的精准度。

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测量技术中的不足，提供一种基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置和测量方法。该装置具有宽带的非线性相应，无需根据入射波调节非线性光学晶体的角度，可以忽略现有自相关技术中非线性材料厚度导致的脉冲展宽。并且采用了空间滤波的方式，无需滤波片，可实现超宽带的脉冲测量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置和测量方法，其特征在于，包括：第一准直光阑1、第二准直光阑2、第一分束镜3、角反射镜4、可控延时角反射镜5、第二分束镜6、第一聚焦透镜7、非线性二维材料8、第二聚焦透镜9、光阑10、光谱仪11、计算机12。待测光脉冲经过第一准直光阑1和第一准直光阑2后，经第一分束镜3分成两路：一路光经角反射镜4后、再次经过第一分束镜3的反射和第二分束镜6的反射，通过第一聚焦透镜7倾斜聚焦到非线性二维材料8上；类似地，另一路光经过可控延时角反射镜5后，透过过第一分束镜3，在第二分束镜6处反射，通过第一聚焦透镜7以相反的角度倾斜聚焦到非线性二维材料8的相同位置上。两路光聚焦到非线性二维材料8后，当两路光脉冲重叠时，在竖直方向产生自相关倍频信号，经过第一聚焦透镜7和第二聚焦透镜9，光谱仪11收集自相关倍频信号的光谱信息。

进一步地，测量装置使用角反射镜，待测脉冲激光经过测量装置后，两路光以相反的角度倾斜聚焦到非线性二维材料8，自相关倍频光信号在竖直方向上产生。

进一步地，光阑10起空间滤波器的作用，只通过竖直方向上的自相关倍频光信号，阻挡反射的待测激光即基频光和非自相关的倍频信号。

进一步地，第一准直光阑1和第二准直光阑2用于标定待测脉冲激光的方向，测量装置调试完后，以后的测量过程只需将待测脉冲激光同时经过两个光阑中心即可。

进一步地，所述的可控延时角反射镜5有电机马达，与计算机12相连，可在一维方向上线性位移。位移距离与延时δt相对应。

进一步地，所述的非线性二维材料8包括mos2、mose2、ws2、wse2等二维材料，其放置在硅片、石英片等衬底上。

基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1，将待测光脉冲通过第一准直光阑1和第一准直光阑2的中心进行准直后，被第一分束镜3分成两路：一路经角反射镜4后倾斜聚焦到非线性二维材料8上；类似地，另一路光经过可控延时角反射镜5后以相反的角度倾斜聚焦到非线性二维材料8的相同位置上。当两路光脉冲重叠时，在竖直方向产生自相关倍频信号，光谱仪11收集自相关倍频信号的光谱信息。

s2，所述的计算机12控制可控延时角反射镜5增加延时δt，并同时读取和记录光谱仪11的数据，重复此步骤，直到两路光在空间上经历靠近、重叠、分开的过程，采得足够的数据。

s3，采集得到不同时间延时下对应的光谱数据，然后应用frog的方法进行迭代计算，得到超短脉冲激光复电场的完整表达式。

本发明的原理是通过利用可控延时角反射镜控制两路光脉冲信号的相对延时，使得在非线性二维材料公共点汇聚合并的脉冲的峰值功率随着延时的不同而变化，产生的倍频光信号强度也随之变化。值得注意的是，由于两路光以相反的角度倾斜入射，根据动量守恒，自相关倍频光会垂直于非线性二维材料出射，与其余光信号在空间上分离，可通过光阑进行空间滤波。随后，通过光谱仪测量的自相关倍频光信号的光谱，得到延时与光谱数据的曲线。然后应用frog的方法进行迭代计算，得到待测超短脉冲的完整信息。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明采用非线性二维材料代替传统的倍频晶体，由于二维材料只有原子级别的厚度，无需考虑相位匹配，具有宽带的非线性响应，因此具有如下优点：能够可以对宽波长的超短脉冲进行测量，扩大测量范围；能够消除非线性材料厚度导致的脉冲展宽，提高精准度；能够消除传统倍频晶体能够去掉传统测量装置的角度调节器，简化装置减低成本。此外，本发明采用了待测光倾斜入射，光阑空间滤波的方法，无需滤波片从而降低成本。特别的，对于某些较宽波长的脉冲，有时倍频光信号会与基频光信号在波长上重叠，此时一般的滤波片不适用，而本发明即可有效解决上述问题。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图。

附图标记说明：

1、第一准直光阑；2、第二准直光阑；3、第一分束镜；4、角反射镜；5、可控延时角反射镜；6、第二分束镜；7、第一聚焦透镜；8、非线性二维材料；9、第二聚焦透镜；10、光阑；11、光谱仪；12、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。

如图1所示，一种基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置和测量方法，其包括：第一准直光阑1、第二准直光阑2、第一分束镜3、角反射镜4、可控延时角反射镜5、第二分束镜6、第一聚焦透镜7、非线性二维材料8、第二聚焦透镜9、光阑10、光谱仪11、计算机12。

图中单箭头所示为超短脉冲激光光路，双箭头所示为横向倍频信号传播方向。

利用上述的基于二维材料的超宽带超短脉冲测量装置对超短脉冲宽度的测量方法，包括以下步骤：

第一准直光阑1和第二准直光阑2用于标定待测脉冲激光的方向，对于调试完成后的本发明，将待测脉冲激光同时经过两个光阑中心进行准直后，经第一分束镜3后分成两路：一路透射光经角反射镜4的反射后，再次到达第一分束镜3并反射，在第二分束镜处6再次反射，通过第一聚焦透镜7倾斜聚焦到非线性二维材料8上；类似地，另一路反射光经过可控延时角反射镜5的反射后，透过第一分束镜3，在第二分束镜6处反射，通过第一聚焦透镜7以相反的角度倾斜聚焦到非线性二维材料8的相同位置上。

具体地，本实施例中所述的非线性二维材料8为机械剥离法制备得mos2，其衬底为表面具有二氧化硅层的硅片。

待测脉冲激光经过测量装置，两路光以相反的角度倾斜聚焦到非线性二维材料8上，当两路光脉冲空间上产生重叠时，根据动量守恒，自相关倍频光信号在竖直方向上产生，与其余光信号在空间上分离，可通过光阑10进行空间滤波。自相关倍频光信号经过第一聚焦透镜7和第二聚焦透镜9，被光谱仪收集记录其光谱信息。

具体地，所述的可控延时角反射镜5具有电机马达，与计算机相连，可在一维方向上线性位移，位移距离与延时δt相对应。反射镜的位置事先已经过计算来确定，因此通过计算机12控制可控延时角反射镜5改变延时δt，两路待测光在空间上会经历靠近、重叠、分开的过程。每次改变延时δt时读取记录光谱仪11的数据，最终采集得到不同时间延时下对应的光谱数据。

根据frog的方法，得到的光强随频率和时间延迟变化的二维图形，称为frog迹线；然后使用数学上的二维相位恢复算法把脉冲激光的相位与波形还原出来，具体来说就是迭代，通过傅里叶变换，把脉冲波形变成频率上的分布，并估算其相位，得出来的frog踪迹图与测试图对比，通过不断的迭代，最终使两者差值最小，实现超短激光脉冲的测量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。