一种超短激光脉冲测量方法及测量系统

摘要

本发明属于超快激光脉冲测量领域，具体公开一种超短激光脉冲测量方法及测量系统，方法包括：采用利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱，其中通过旋转非线性晶体，来改变非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下非线性晶体所产生的二次谐波频谱谱宽，确定用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角；采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图并从该行迹图中提取待测超短激光脉冲的脉冲信息。本发明通过旋转非线性晶体的相位匹配角度，来监测并采集出能够用于分析出待测超短激光脉冲全部信息的行迹图，避免了现有测量方法对非线性晶体要求苛刻的问题。

权利要求

1.一种超短激光脉冲测量方法，其特征在于，包括：采用利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱，其中，通过旋转非线性晶体，来改变所述非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱谱宽，确定用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角；所述非线性晶体的厚度大于10微米；所述用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角为监测到的所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱最宽所对应的夹角，该夹角所对应的非线性晶体相位匹配波长在待测超短激光脉冲的频谱范围之外；

采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图，并从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

2.根据权利要求1所述的一种超短激光脉冲测量方法，其特征在于，所述从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息，具体为：对该行迹图进行光谱矫正，并采用重构算法对矫正后的行迹图进行重构，得到所述待测超短激光脉冲的频域相位信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

3.一种超短激光脉冲测量系统，其特征在于，包括：利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，用于测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱；

角度调节模块，用于旋转非线性晶体，来改变所述非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱谱宽，确定用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角，并采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图；所述非线性晶体的厚度大于10微米；所述用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角为监测到的所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱最宽所对应的夹角，该夹角所对应的非线性晶体相位匹配波长在待测超短激光脉冲的频谱范围之外；

数据处理器，用于从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息。

4.根据权利要求3所述的一种超短激光脉冲测量系统，其特征在于，所述数据处理器具体用于：对该行迹图进行光谱矫正，并采用重构算法对矫正后的行迹图进行重构，得到所述待测超短激光脉冲的频域相位信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

说明书

一种超短激光脉冲测量方法及测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于超快激光脉冲测量技术领域，更具体地，涉及一种超短激光脉冲测量方法及测量系统。

背景技术

[0002] 现如今，飞秒超短激光脉冲在强场物理中有很强的应用性，比如，分子原子的动力学过程探究以及阿秒脉冲的产生。因此超短激光脉冲的精准测量尤为重要。

[0003] 目前，已经有许多成熟的超短脉冲的测量方法，但是这些测量方法存在着一些不足。最开始人们提出自相关测量方法，这种方法只可以得到脉冲的时域强度信息，无法得到
时域的相位信息；接着在自相关测量的基础上改进，在自相关后面加入光谱仪部分，即
(SHG‑FROG)，这样可以通过重构方法得到脉冲的时域相位信息，不过这个测量方法对非线
性晶体的厚度提出了一定要求，需要使用非常薄的晶体来满足相位匹配带宽的问题；后来
晶体角度旋转积分(angle‑dithering integrated)方法，通过在光谱仪曝光时间内旋转非
线性晶体角度去匹配不同的波长，从而达到厚的非线性晶体测量的带宽需求，但这个装置
操作比较复杂；再到电场直接重构的光谱相位干涉法(Spectral Phase Interferometry 
for Direct Electric Field Reconstruction，SPIDER)，这种装置比较复杂，需要三束光；
再到后来 Dispersion‑Scan装置，这个装置和SHG‑FROG装置都比较简单，但是都需要非常
薄的非线性晶体产生二次谐波信号来满足相位匹配带宽。对于薄的非线性晶体，加工起来
是非常困难的。

发明内容

[0004] 本发明提供一种超短激光脉冲测量方法及测量系统，用以解决现有超短激光脉冲测量方法对非线性晶体加工要求高的技术问题。

[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超短激光脉冲测量方法，包括：

[0006] 采用利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱，其中，通过旋转非线性晶体，来改变所述
非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下所述非线性晶体所产生的二次
谐波频谱谱宽，确定用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角；

[0007] 采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图，并从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

[0008] 本发明的有益效果是：本发明基于利用非线性晶体产生二次谐波过程测量超短激光脉冲的装置，提出了一种可以使用10‑300um厚度的非线性晶体测量超短激光脉冲的方
法。通过旋转非线性晶体的相位匹配角度，来监测并采集出能够用于分析出待测超短激光
脉冲全部信息的行迹图，避免了相对较厚的非线性晶体在相位匹配角度下相位匹配带宽较
窄的问题，方法灵活简单，成本低，材料加工相对也比较容易，巧妙解决了现有为测量超短
激光脉冲全部信息而需要对非线性晶体提出苛刻要求的问题。

[0009] 上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

[0010] 进一步，所述从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息，具体为：

[0011] 对该行迹图进行光谱矫正，并采用重构算法对矫正后的行迹图进行重构，得到所述待测超短激光脉冲的频域相位信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

[0012] 进一步，所述非线性晶体的厚度大于10微米。

[0013] 进一步，所述用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角为监测到的所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱最宽所对应的夹角，该夹角所对应的非线性晶体
相位匹配波长在待测超短激光脉冲的频谱范围之外。

[0014] 本发明还提供一种超短激光脉冲测量系统，包括：

[0015] 利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，用于测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱；

[0016] 角度调节模块，用于旋转非线性晶体，来改变所述非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱谱宽，确定用于分析
待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角，并采集该夹角下的超短激光脉冲行迹
图；

[0017] 数据处理器，用于从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息。

[0018] 本发明的有益效果是：本发明基于利用非线性晶体产生二次谐波过程测量超短激光脉冲的装置，提出了一种可以使用10‑300um厚度的非线性晶体测量超短激光脉冲的系
统。通过角度调节模块旋转非线性晶体的相位匹配角度，来监测并采集出能够用于分析出
待测超短激光脉冲全部信息的行迹图，避免了相对较厚的非线性晶体在相位匹配角度下相
位匹配带宽较窄的问题，成本低，材料加工相对也比较容易，巧妙解决了现有为测量超短激
光脉冲全部信息而需要对非线性晶体提出苛刻要求的问题。

[0019] 进一步，所述数据处理器具体用于：对该行迹图进行光谱矫正，并采用重构算法对矫正后的行迹图进行重构，得到所述待测超短激光脉冲的频域相位信息，完成待测超短激
光脉冲的测量。

[0020] 进一步，所述非线性晶体的厚度大于10微米。

[0021] 进一步，所述用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角为监测到的所述非线性晶体所产生的二次谐波频谱最宽所对应的夹角，该夹角所对应的非线性晶体
相位匹配波长在待测超短激光脉冲的频谱范围之外。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例提供的一种超短激光脉冲测量方法的流程框图；

[0023] 图2为本发明实施例提供的一种超短激光脉冲测量系统示意图；

[0024] 图3为本发明实施例提供的8fs 730nm的高斯超短激光脉冲经过不同 BBO厚度的二次谐波频谱模拟结果；

[0025] 图4为本发明实施例提供的给定脉冲强度和相位的超短激光脉冲8.3fs 在40°100um BBO中的行迹图和重构结果图对比示意图；

[0026] 图5为本发明实施例提供的用37.6°150um BBO测量出待测超短激光脉冲的行迹图和重构结果图对比示意图；

[0027] 图6为本发明实施例提供的分别用37.6°150um BBO和35°5um BBO重构结果的对比图。

[0028] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

[0029] 1为待测超短激光脉冲，2为分束镜，3、5、6均为平面反射镜，4为熔融石英，7为位移台，8为柱面镜，9为非线性晶体BBO，10为竖直狭缝，11、13、16均为紫外凹面反射镜，12为水
平狭缝，14为等腰棱镜，15为紫外平面反射镜，17为紫外相机，18为数据处理模块。

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0031] 实施例一

[0032] 一种超短激光脉冲测量方法，如图1所示，包括：

[0033] 采用利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱，其中，通过旋转非线性晶体，来改变非线
性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下非线性晶体所产生的二次谐波频谱
谱宽，确定用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角；

[0034] 采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图，并从该行迹图中提取所述待测超短激光脉冲的脉冲信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

[0035] 需要说明的是，上述的非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角即为相位匹配角度。

[0036] 本实施例基于利用非线性晶体产生二次谐波过程测量超短激光脉冲的装置，提出了一种可以使用10‑300um厚度的非线性晶体测量超短激光脉冲的方法。通过旋转非线性晶
体的相位匹配角度，来监测并采集出能够用于分析出待测超短激光脉冲全部信息的行迹
图，方法灵活简单，成本低，巧妙解决了现有为测量超短激光脉冲全部信息而需要对非线性
晶体提出苛刻要求的问题。

[0037] 待测超短激光脉冲经过一个相位匹配波长在待测脉冲的频谱中心附近的一个厚的非线性晶体时，由于该相位匹配波长附近的频率成分的转换效率远大于待测脉冲的其他
频率成分，导致在探测器上观察到的频谱宽度变窄。然而，当非线性晶体的相位匹配波长在
待测脉冲的频谱范围之外或在频谱范围边界的附近时，待测脉冲的各频率分量的转换效率
是可以相比拟的，因此在这个相位匹配角度下可以测量到待测脉冲完整的二次谐波信号频
谱，从而应用到短脉冲的测量当中。

[0038] 优选的，上述从该行迹图中提取待测超短激光脉冲的脉冲信息，具体为：对该行迹图进行光谱矫正，并采用重构算法对矫正后的行迹图进行重构，得到待测超短激光脉冲的
频域相位信息，完成待测超短激光脉冲的测量。

[0039] 优选的，上述非线性晶体的厚度大于10微米。

[0040] 非线性晶体的转换效率与晶体的厚度和相位匹配角度有关，晶体越厚二次谐波的转换效率越高，相位匹配角度越偏离待测脉冲的频谱，晶体的转换效率越低。所以，厚度低
于10微米的非线性晶体与待测脉冲相位匹配时，所产生的二次谐波强度比较低。如果再去
改变角度，相应的二次谐波强度会更低。

[0041] 优选的，上述用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角为监测到的非线性晶体所产生的二次谐波频谱最宽所对应的夹角，该夹角所对应的非线性晶体相位
匹配波长在待测超短激光脉冲的频谱范围之外。

[0042] 非线性晶体的相位匹配波长偏离待测超短激光脉冲的中心波长的程度需要大，它所采集到的行迹图才会完整，PCGPA(或色散扫描重构算法) 重构结果才会更加精确。

[0043] 为了使得本发明方法更清楚，在具体实施本方法时，可选的采用以下步骤：

[0044] (1)用光谱仪测量出待测超短激光脉冲的频谱(例如，600‑900nm)，计算出二次谐波信号的频谱范围(300‑450nm)。

[0045] (2)待测的超短激光脉冲经过利用非线性晶体产生二次谐波过程测量超短激光脉冲的装置(如SHG‑FROG，Dispersion‑Scan)，产生二次谐波信号，得到二次谐波的频谱，其中
非线性晶体厚度为10‑300um。

[0046] (3)通过旋转测量装置当中的非线性晶体光轴和光线传播方向的夹角，即相位匹配角度，观察二次谐波信号频谱的变化。随着相位匹配角度变化，对应的相位匹配波长逐渐
偏离二次谐波的中心波长，可以看到二次谐波信号的频谱逐渐变宽，到达一定角度时(经试
验为37.6°)，频谱最宽。当频谱宽度和步骤(1)当中所计算出的光谱范围相当时(300‑
450nm)，就可以采集行迹图。

[0047] (4)将采集出来的行迹图进行光谱矫正，再使用PCGPA(或色散扫描重构)进行重构，在误差较小时即重构出脉冲的频谱相位，进而得到待测超短激光脉冲(8.6fs)全部信
息。

[0048] 需要说明的是，步骤(1)采用的光谱仪与步骤(2)的装置中所采用的光谱仪可同型号也可不同型号，本方法不做限定，也不会对本发明要解决的技术问题带来实质不同。但需
要注意的是，步骤(2)的装置需对测量超短激光脉冲的二次谐波信号频谱范围内的频率有
较高的频率响应，以提高测量精度。

[0049] 实施例二

[0050] 一种超短激光脉冲测量系统，包括：

[0051] 利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置，用于测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱；

[0052] 角度调节模块，用于旋转非线性晶体，来改变非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角，监测每个夹角下非线性晶体所产生的二次谐波频谱谱宽，确定用于分析待测超短
激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角，并采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图；

[0053] 数据处理器，用于从该行迹图中提取待测超短激光脉冲的脉冲信息。

[0054] 优选的，数据处理器具体用于：对该行迹图进行光谱矫正，并采用重构算法对矫正后的行迹图进行重构，得到待测超短激光脉冲的频域相位信息，完成待测超短激光脉冲的
测量。

[0055] 优选的，上述非线性晶体的厚度大于10微米。

[0056] 优选的，上述用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角为监测到的非线性晶体所产生的二次谐波频谱最宽所对应的夹角，该夹角所对应的非线性晶体相位
匹配波长在待测超短激光脉冲的频谱范围之外。

[0057] 以上系统技术方案的相关技术说明同实施例一，在此不再赘述。

[0058] 为了使得本发明的测量系统更清楚，现给出如下示例：

[0059] 如图2所示，包括2分束镜，3、5、6平面反射镜，4熔融石英，7位移台，8柱面镜，9非线性晶体BBO，10竖直狭缝，11、13、16紫外凹面反射镜，12水平狭缝，14等腰棱镜，15紫外平面
反射镜，17紫外相机， 18数据处理模块。

[0060] 如图2所示的装置是一个单发SHG‑FROG装置，待测超短激光经过分束镜2分成两束，两路光再经过柱面镜8聚焦在BBO9上，通过调节手动位移台7保证两束光在BBO上时间空
间重合，产生二次谐波信号，经过紫外凹面反射镜11成像在水平狭缝上，竖直狭缝10是为了
挡掉待测超短激光脉冲和自身所产生的二次谐波信号，再经过一个紫外凹面反射镜13准
直，在等腰棱镜14上分光，通过紫外凹面反射镜16入射到CCD紫外相机17。改变BBO的相位匹
配角度，使得在CCD紫外相机17上面看到一个比较完整的二次谐波频谱信号，采集之后进行
光谱矫正，用PCGPA重构出待测脉冲的频域相位。

[0061] 在以上的超短激光脉冲测量装置中，使用了10‑300um厚的非线性晶体，避免了相对较厚的非线性晶体相位匹配带宽的问题，并且装置简单，材料加工相对也比较容易。

[0062] 具体的，采用如图2所示的装置进行待测超短激光脉冲的测量，如下：

[0063] 如图2所示，将钛蓝宝石(Titanium:sapphire)激光器产生的中心波长 800nm(750nm‑850nm)25fs的红外激光脉冲入射到充满0.6atm Ar，长度为 1m的空心光纤中进行
频谱展宽，出射脉冲的波长范围是600‑900nm，之后经过啁啾镜和熔融石英进行色散补偿，
然后入射到单发SHG‑FROG装置中，经过分束镜分成两束，通过柱面镜聚焦在29.2°150um 
BBO晶体上，再经过一个自制的棱镜光谱仪成像在CCD相机上，通过CCD软件观察二次谐波信
号的频谱范围宽度，在相位匹配角为37.6°时在CCD相机上观察到了完整的频谱宽度，采集
行迹图，进行光谱矫正之后用PCGPA重构，得到待测超短激光脉冲的全部信息。

[0064] 如图3所示，8fs 730nm的高斯超短激光脉冲经过不同BBO厚度的二次谐波频谱模拟结果，选择两种不同的相位匹配角度32°和40°，32°和 40°的相位匹配波长分别是732nm
和600nm，图中的高斯曲线为8fs脉冲的频谱自卷积，即理想的二次谐波频谱。可以看到，相
位匹配角度在32°下，随着BBO厚度的增加，二次谐波频谱的宽度在逐渐减小，而相位匹配在
40°下，随着BBO厚度的增加，二次谐波的频谱宽度基本没有变化，这就印证了：调节非线性
晶体的角度，使晶体的相位匹配波长在待测脉冲的频谱范围之外，这样就可以完整测出二
次谐波信号的频谱宽度。

[0065] 如图4所示，使用装置图2模拟计算出给定脉冲强度和相位的超短激光脉冲8.3fs在40°100um BBO中的行迹图和重构的结果图。图4当中的上面两张图分别为重构的行迹图
和计算的行迹图，下面两张图中的实线是计算使用的脉冲强度和频谱强度以及相位，虚线
是重构出来的脉冲强度和频谱强度以及相位。在图4当中看到：在相位匹配波长(600nm)在
待测脉冲的频谱范围(600‑900nm)之外，重构出来的脉冲强度和频谱强度以及相位和输入
的脉冲信息符合的很好。

[0066] 如图5所示，使用装置图2用37.6°150um BBO测量出待测超短激光脉冲的行迹图和重构的结果图。图5上面两张图分别为重构的行迹图和测量并进行光谱矫正的行迹图，下面
两张图中的黑线是重构的脉冲强度和频谱强度，灰线是重构出来的脉冲和频谱的相位，重
构出来的脉冲半高宽是 8.6fs。

[0067] 如图6所示，使用装置图2，分别用37.6°150um BBO和35°5um BBO 重构结果的对比图。图中的黑线是测量出来的待测脉冲的频谱强度，灰色实线是35°5um BBO重构的脉冲和
频谱的强度以及相位，黑色虚线是37.6° 150um BBO重构的脉冲和频谱的强度以及相位。
35°5um BBO的相位匹配带宽是覆盖整个待测超短激光脉冲的频谱宽度，重构结果可以作为
标准。可以看出两种测量结果符合的很好，再次印证了本发明的正确性。

[0068] 以上结果表明，此方法能够准确、简便地对未知的光学超短激光脉冲进行测量。相比已有的方法有其特定的优势，在超快测量领域具有较大的应用前景。

[0069] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。