啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法

摘要

一种啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法，包括下列步骤：先用二阶自相关仪和光谱仪测出参考飞秒脉冲光的脉宽T1和频宽Δω0；建立测量光路；仔细调节所述的延时器，光栅光谱仪上的干涉图样完全对称时；用所述的光栅谱仪记录待测啁啾皮秒脉冲光和参考飞秒脉冲光的干涉图样，即获得实验曲线；计算待测啁啾皮秒脉冲光的脉宽和啁啾系数α。本发明方法具有测量实施简单和测量精度高的特点。

权利要求

1.一种啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法，特征在于包括下列步骤：

①先用二阶自相关仪和光谱仪测出参考飞秒脉冲光(2)的脉宽T1和频宽Δω0；

②建立测量光路：待测啁啾皮秒脉冲光(1)经反射镜(6)进入合束片(4)，参考飞秒脉冲光(2)经延时器(3)后在合束片(4)上与待测啁啾皮秒脉冲光(1)合束后进入光栅谱仪(5)；

③仔细调节所述的延时器(3)，直到所述的光栅光谱仪(5)上开始出现明显的干涉条纹，继续微调所述的延时器(3)，当所述的光栅光谱仪(5)上的干涉图样完全对称时，则待测啁啾皮秒脉冲光(1)和参考飞秒脉冲光(2)完全重合，即时间延迟τ＝0；

④用所述的光栅谱仪(5)记录待测啁啾皮秒脉冲光(1)和参考飞秒脉冲光(2)的干涉图样，即获得实验曲线；

⑤计算待测啁啾皮秒脉冲光的脉宽及啁啾系数，利用下列公式，通过改变T2的值对该干涉图样进行拟和，绘制多个模拟曲线：其中： Δω0＝ω-ω0，T1是参考飞秒脉冲光(2)的脉宽，T2是待测啁啾皮秒脉冲光(1)的脉宽，选择与实验曲线吻合最好的模拟曲线的T2，即为待测啁啾皮秒脉冲光(1)的脉宽；

⑥根据下列公式计算，得到待测啁啾皮秒脉冲光(1)的啁啾系数α：α≈Δω0/T2式中：Δω0为测啁啾皮秒脉冲光(1)的频带宽度。

说明书

啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及皮秒脉冲(简称ps脉冲)，特别是一种啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法，用于测量ps级的啁啾激光脉冲的脉宽及啁啾系数。技术背景

[0002] 泵浦探测方法在研究飞秒激光驱动超快物理过程时是应用极为广泛的一项测量方法，在此方法中，有时需要把飞秒级的探测脉冲展宽成皮秒级的啁啾脉冲，利用啁啾脉冲的时间分辨功能进行时间分辨的单发测量[参见文献[1]Xiao-Yu Peng，，Oswald Willi，Min Chen，and Alexander Pukhov，“Optimal chirpedprobe pulse length for terahertz pulse measurement”，Opt.Expr.16(16)，12342，2008和文献[2]J.-P.Geindre，P.Audebert，S.Rebibo，and J.-C.Gauthier，“Single-shot spectralinterferometry with chirped pulses”，Opt.Lett.26(20)，2001]。在此方法中，需要精确知道啁啾ps脉冲的脉宽及啁啾系数。原则上，脉宽和啁啾系数可以根据展宽器(光栅对或棱镜对)的参数计算得知，然而要对此展宽的脉冲进行实验测量却存在一些困难：一方面，最常用测量脉宽的二阶自相关仪无法对ps脉冲进行测量，作为测量皮秒脉冲的脉宽最常用的仪器条纹相机价格昂贵且在超快研究中应用较少，因而不是每个超快实验室都有配备。另一方面，应用三阶自相关仪以及FROG或者SPIDER原理上也可以用来测量这种啁啾皮秒脉冲，但却需要对原装置进行重新设计，而且测量过程繁琐。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种用于测量ps级的啁啾激光脉冲的脉宽及啁啾系数的啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法，该方法具有测量实施简单和测量精度高的特点。

[0004] 本发明的技术解决方案如下：

[0005] 一种啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法，特点在于包括下列步骤： [0006] ①先用二阶自相关仪和光谱仪测出参考飞秒脉冲光的脉宽T1和频宽Δω0； [0007] ②建立测量光路：待测啁啾皮秒脉冲光经反射镜进入合束片，参考飞秒脉冲光经延时器后在所述的合束片上与待测啁啾皮秒脉冲光合束后进入光栅谱仪； [0008] ③仔细调节所述的延时器，直到所述的光栅光谱仪上开始出现明显的干涉条纹，继续微调所述的延时器，当所述的光栅光谱仪上的干涉图样完全对称时，即待测啁啾皮秒脉冲光和参考飞秒脉冲光完全重合，此时待测啁啾皮秒脉冲光和参考飞秒脉冲光的时间延迟τ＝0；

[0009] ④用所述的光栅谱仪记录待测啁啾皮秒脉冲光和参考飞秒脉冲光的干涉图样，即获得实验曲线；

[0010] ⑤计算待测啁啾皮秒脉冲光的脉宽及啁啾系数，利用下列公式，通过改变T2的值对该干涉图样进行拟和，绘制多个模拟曲线：

[0011]

[0012]

[0013] 其中： Δω0＝ω-ω0，T1是参考飞秒脉冲光的脉宽，T2是待测啁啾皮秒脉冲光的脉宽，选择与实验曲线吻合最好的模拟曲线的T2，即为待测啁啾皮秒脉冲光的脉宽；

[0014] ⑥根据下列公式计算，得到待测啁啾皮秒脉冲光的啁啾系数α： [0015] α≈Δω0/T2

[0016] 式中：，Δω0为测啁啾皮秒脉冲光的频带宽度。

[0017] 本发明的优点：

[0018] 1、测量实施简单。为测量啁啾皮秒脉冲不需额外购置或搭建其他设备，只需用一般超快实验室都具备的光栅谱仪、二阶自相关仪等即可完成测量。

[0019] 2、测量精度高。测量精度主要受飞秒脉冲的频宽决定，一般条件可以达 到20fs及更高分辨率。

附图说明

[0020] 图1是本发明测量装置图

[0021] 图2是待测啁啾脉冲和参考脉冲相对延时为0时的干涉图样。

[0022] 图3是啁啾脉冲的脉宽反演计算示意图

具体实施方式

[0023] 下面结合实施例和附图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。

[0024] 先请参阅图1，图1是本发明测量装置图。被展宽的待测啁啾皮秒脉冲光1和参考飞秒脉冲光2在经过补偿光程的延迟器3后同过一个合束片4合束然后进入光栅光谱仪5测量其干涉图样。本发明方法的原理如下：

[0025] 高斯分布的参考飞秒脉冲光2的光场可以表示为：

[0026]

[0027] 其中：T1为脉冲宽度。展宽后的啁啾皮秒脉冲光1表示为：

[0028]

[0029] 其中； α线性啁啾系数，近似等于脉冲频带宽度与脉冲时间宽度的比值，即

[0030] α≈Δω0/T2 (3)

[0031] 参考飞秒脉冲光2和啁啾皮秒脉冲光1的时间延迟表示为τ，两束光在光栅光谱仪5上在频域的干涉图样为

[0032]

[0033] 其中： 分别为E1(t)和E2(t)的傅立叶变换：

[0034]

[0035]

[0036] 其中： φ1(ω)＝φ2(ω)|a＝0代入式(4)可以得到

[0037]

[0038]

[0039]

[0040]

[0041] 其中：参数a可以根据式(3)用频宽Δω和待测脉宽T2来表示：

[0042]

[0043] 先用二阶自相关仪和光谱仪测出参考飞秒脉冲光2的宽度T1和频宽Δω0，展宽后的啁啾皮秒脉冲光1的频带宽度Δω0基本不变，即Δω0≈Δω，根据式(7)和式(8)，当两束光的相对延迟τ一定时，光谱仪上所得的干涉图样只与啁啾脉冲的宽度T2相关。因此，只要通过光栅谱仪测得两脉冲光的干涉图样，即可以通过反演计算得到啁啾皮秒脉冲光1的脉宽。然后通过公式(3)进而可以得到脉冲的啁啾系数。

[0044] 由于使用的光栅光谱仪频谱分辨率远高于我们所用脉冲激光的谱宽，所以这种测量方法的时间分辨率主要由参考光的频谱宽度Δω0决定，时间分辨率Δt≈2π/Δω0。因此，探测光的频谱越宽，探测的时间分辨率越高。例如，如果探测光采用钛宝石激光，中心波长800nm，如果频谱宽度(半高宽)为45nm，那么测量的时间分辨率可以达到20fs。 [0045] 我们的实施例所采用的参考飞秒脉冲光2的脉宽为40fs，中心波长800nm，用光谱仪测得频谱宽度为45nm。在实验中经过一对光栅对，将该飞秒脉冲光展宽为皮秒级的啁啾脉冲光作为待测啁啾皮秒脉冲光1。现要测量被展宽后的待测啁啾皮秒脉冲光1的脉宽及啁啾系数。测量步骤如下：

[0046] ①先用二阶自相关仪和光谱仪测出参考飞秒脉冲光2的脉宽T1为40fs，和频宽Δω0为45nm；

[0047] ②建立测量光路：待测啁啾皮秒脉冲光1经反射镜6进入合束片4，参考飞秒脉冲光2经延时器3后在合束片4上与待测啁啾皮秒脉冲光1合束后进入光栅谱仪5； [0048] ③利用光栅谱仪5观测两束光的频谱干涉图样，仔细调节所述的延时器3，直到所述的光栅光谱仪5上开始出现明显的干涉条纹，继续微调所述的延时器3，当所述的光栅光谱仪5上的干涉图样完全对称时，如图2所示，待测啁啾皮秒脉冲光1和参考飞秒脉冲光2完全重合，此时待测啁啾皮秒脉冲光1和参考飞秒脉冲光2的时间延迟τ＝0； [0049] ④用所述的光栅谱仪5记录待测啁啾皮秒脉冲光1和参考飞秒脉冲光2的干涉图样，即获得实验曲线，如图3中的曲线do；

[0050] ⑤计算待测啁啾皮秒脉冲光的脉宽及啁啾系数，利用下列公式，通过改变T2的值对该干涉图样进行拟和，绘制多个模拟曲线：

[0051]

[0052]

[0053] 其中： Δω0＝ω-ω0，T1是参考飞秒脉冲光2的脉宽，T2是待测啁啾皮秒脉冲光1的脉宽，选择与实验曲线吻合最好的模拟曲线的T2，即为待测啁啾皮秒脉冲光1的脉宽，如图3中a、b、c三条曲线所示，当T2取4.2ps时，模拟曲线与实验曲线吻合最好，因此该啁啾脉冲的脉宽为4.2pso；

[0054] ⑥根据下列公式计算，得到待测啁啾皮秒脉冲光1的啁啾系数α： [0055] α≈Δω0/T2

[0056] 式中：，Δω0为测啁啾皮秒脉冲光1的频带宽度。

[0057] 经计算得到此脉冲的啁啾系数a＝473。