專利名稱：基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超快激光技術領域，具體涉及一種用于測量超短脈沖振幅和相位的基 于分子排列取向的超短脈沖診斷方法。
背景技術：
超短激光脈沖的診斷，包括脈沖的振幅和相位的測量，是超快激光科學中一個非 常關鍵的技術問題。傳統的自相關方法只能測量脈沖的寬度或振幅但不能測量脈沖具體的 相位或啁啾信息，因此無法對超短激光脈沖給出一個較為準確的了解。而相位是描述激光 脈沖的一個極其重要的參數，掌握飛秒激光脈沖的相位信息，使得人們可以了解超短脈沖 激光啁啾特性，從而可以進行脈沖診斷并進行有效地相位補償，在超短脈沖激光的產生和 應用中有重要意義。為了實現對超短脈沖的全方位診斷，經過多年的探索，人們先后提出了 諸如頻率分辨光學門法(FROG)以及光譜相位相干電場重建法(SPIDER)等不同的測量方 法。FROG是用于超短激光脈沖的診斷的較為成熟的方法之一。FROG技術主要包括兩 部分基于非線性過程產生被測光脈沖FROG圖形以及從測得的FROG圖形中提取被測脈沖 幅值和相位信息的相位迭代算法。SPIDER是繼FROG之后基于光譜錯位原理提出的超短脈 沖的診斷方法。SPIDER方法的主要原理是在時域上有延時的相同特性的兩束脈沖與經過展 寬的啁啾脈沖在非線性晶體中混頻，經傅里葉變換導出脈沖的光譜相位。因此在實驗上要 把待測脈沖分裂成為兩個時間延時τ的同特性脈沖，與經過展寬的啁啾脈沖(脈寬》r) 在非線性晶體中和頻，然后兩束和頻光進行干涉，由光譜儀測得干涉圖樣。雖然相比FROG 相對繁瑣的相位迭代，SPIDER的脈沖重建算法簡單快速，但是SPIDER的光譜重建的準確性 取決于干涉圖樣的間隔，必須使用分辨率較高的光譜儀。同時其裝置較為復雜，需要精確獲 取兩束時間延時為τ的同特性脈沖。為保證干涉圖樣的穩(wěn)定性，SPIDER需要非常高的力 學穩(wěn)定性，同時要求待測脈沖有著非常好的光束質量。待測脈沖在進入非線性晶體前要進 行分束和展寬，使得SPIDER的靈敏度不高。另外，SPIDER在測量過程需要單獨測量待測光 脈沖光譜，操作相對較為復雜。對于上述兩種較為成熟的超短脈沖診斷技術，即FROG和SPIDER技術，在測量過程 中都需要涉及到非線性光學頻率轉換，因而存在以下幾個方面的不足。首先，通常情況下非 線性過程要求被測量光脈沖必需具有足夠的光場強度，這樣對于非常微弱的光脈沖的測量 就顯得比較無奈。其次，非線性過程還要受到非線性晶體相位匹配帶寬的限制，因此能夠精 確測量的脈沖帶寬是非常有限的。另外，非線性晶體波長適用范圍有限，即對于一塊特定切 割角的晶體只能用于特定波長的激光脈沖的診斷，對于不同的波長的激光脈沖的診斷，則 必需要更換不同類型或者不同方式加工處理的晶體。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種基于分子排列取向的超 短脈沖診斷方法，應用激光脈沖轉動拉曼激發(fā)，氣體分子將沿著激光場偏振方向排列取向。 由于分子沿其軸向的折射率大于垂直于其軸向的折射率，將對被測量的激光脈沖形成一個 雙折射效應。結合弱光偏振光譜檢測技術，即基于分子排列取向雙折射效應對被測光脈沖 偏振的旋轉及其透射光譜的測量，實現待測線偏振激光脈沖的振幅和相位的完整診斷。本發(fā)明的目的實現由以下技術方案完成
一種基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法，本方法利用一束激光脈沖實現氣體分子 的排列取向，并利用此分子排列取向信號作為快門脈沖，基于分子排列取向的弱光偏振探 測方法，由計算機精確控制所述激光脈沖和待測光脈沖的時間延遲，測量不同時間延時下 待測激光脈沖經過所述排列取向的氣體分子的透射二維圖形，進而獲得待測激光脈沖的振 幅和相位和頻率特性。上述待測光脈沖為可以是弱光，超連續(xù)白光以及脈沖序列；氣體分子為可實現激 光場排列取向的所有氣態(tài)分子。上述方法中，利用氣體分子的排列取向或者氣體分子的周期性恢復作為快門脈 沖，來測量時間和透射光譜的二維圖形。上述方法的實施步驟如下
1)用一束泵浦激光脈沖實現氣體分子的排列取向；
2)使待測激光脈沖與泵浦激光脈沖在空間和時間上重疊，即在氣體介質中存在相 互作用；
3)在待測激光脈沖通過排列取向氣體分子后的輸出端設置一偏振透射方向與入射 的待測激光脈沖偏振方向相互垂直的偏振片；并用光垃圾桶收集泵浦取向光信號以減小噪 聲；
4)由計算機程序精確控制所述激光脈沖和待測光脈沖的時間延遲，通過光譜儀測 量不同延遲情況下透射過偏振片的待測激光脈沖光譜，獲得待測激光脈沖的頻譜及相位信 肩、ο本發(fā)明的優(yōu)點是，裝置簡單，以氣體分子作為測量介質，無需要非線性晶體以及非 線性頻率轉換過程，無需考慮非線性晶體的相位匹配帶寬、待測激光脈沖光場強度、以及 特定晶體加工等方面的限制，因此具有測量波長的普遍適用性。涉及氣體分子可以是空 氣，因此相對于非線性晶體而言，大幅度地降低了此發(fā)明的成本。基于分子排列取向的弱 光偏振光譜探測技術和靈敏的PMT光譜儀，不僅可以對弱光進行測量，也可以用于超連續(xù) 白光的測量。本方法也可用于脈沖序列的診斷和應用。由于本發(fā)明使用氣體分子排列取 向信號作為門脈沖信號，因此相對于FROG繁瑣的相位迭代，本發(fā)明可以較快的迭代出待 測光脈沖的幅值和相位信息，是一種基于激光場中分子排列取向交叉相關的新型FR0G，即 (molecular-alignmentgatedFROG)MG-FROG0另一方面，光譜儀的高分辨率能夠保證測量的 絕對精度和準確度。


附圖1為N2分子的一維取向周期示意圖； 附圖2本為發(fā)明實施例1的結構示意圖； 附圖3為本發(fā)明實施例2的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便 于同行業(yè)技術人員的理解
由于排列取向氣體分子沿其軸向的折射率大于垂直于其軸向的折射率，將對被測量的 激光脈沖形成一個雙折射效應。本發(fā)明結合弱光偏振光譜檢測技術，即基于分子排列取向 雙折射效應對被測光脈沖偏振的旋轉及其透射光譜的測量，實現待測線偏振激光脈沖的振 幅和相位的完整診斷。本發(fā)明實施過程中，采用一束泵浦激光脈沖可實現氣體分子的排列取向，待測激 光脈沖與泵浦激光脈沖在氣體分子介質中相互作用，在輸出端放置一個偏振透射方向與入 射待測激光脈沖偏振方向相互垂直的偏振片。再由計算機程序精確控制所述激光脈沖和待 測光脈沖的時間延遲，然后通過測量不同時間延時下待測激光脈沖的透射光譜，獲得待測 激光脈沖的振幅和相位信息。在分子沒有排列取向的情況下，探測光將不能通過透射方向 與其偏振相互垂直的偏振片，因而沒有信號。只有當待測激光脈沖感應到排列取向的分子 時，由于排列取向分子的雙折射效應使其偏振發(fā)生旋轉之后，才會透過偏振片而被測量到。 這樣，分子超快的排列取向就如同一個光學探針，通過調節(jié)其相對于待測激光脈沖的延時， 將會使待測激光脈沖不同時刻的頻譜成分透過偏振片而光譜儀被測量到，即實現不同時刻 頻譜成分的掃描，從而獲得待測激光脈沖的頻譜相位信息，而測量到的整個延時依賴的透 射強度則對應于待測激光脈沖的振幅強度，因而可實現待測激光脈沖的振幅和相位的全面 診斷。本發(fā)明是通過激光脈沖實現氣體分子的排列取向，利用氣體分子排列取向信號作 為快門脈沖，基于分子排列取向的弱光偏振探測方法，由計算機精確控制所述激光脈沖和 待測光脈沖的時間延遲，測量不同時間延時下待測激光脈沖經過所述排列取向的氣體分子 的透射二維圖形，通過特定的演算方法，來獲得待測激光脈沖的振幅和相位和頻率特性。其 中，待測激光脈沖可以是弱光也可以是脈沖序列。涉及的演算原理敘述如下
下面以激光場中分子取向排列的周期性回復作為快門脈沖，待測光脈沖作為探測 光作),則兩者相互作用后產生的信號脈沖為
Ey:g{t,T)=-P{t)G{t-T)(1)
其用光譜儀記錄的強度隨透射波長和時間延遲變化的二維跡線數學表達式為
<formula>formula see original document page 5</formula>⑵
在還原初始脈沖的振幅和相位上，借鑒FROG的二維相位恢復的基本算法，即迭代傅里葉變換算法。在已知快門脈沖邵)的基礎上，猜測待測光脈沖電場值P⑷，得到其非線性 信號,然后對其做時間t的傅里葉變換獲得頻域上的信號表示Sms(^T),然后利用 測到的/!>, τ)圖的強度值來替代此信號的強度，同時保留其相位不變，得到Sig(吼τ)即
,E - ( ,Γ) I- 再對做反傅里葉變換，得到新的尾if(l，T)，并由此得到新的迭代待測光脈沖
電場Ρ( ),作為下一次迭代的初始值，循環(huán)進行此過程，直至還原出來的/(A )圖誤差接
近迭代收斂的標準，進而還原出的待測光脈沖的幅值和相位。實施例1
本實施例為泵浦取向光和待測光脈沖共線傳播，適用于待測光脈沖波長不同于泵浦取 向光脈沖的波長，此實例的優(yōu)點是共線傳輸增強了兩束光的相互作用，提高了系統的分辨 能力和靈敏度，取向泵浦光的噪聲可由濾光片去除。本實施例不適用與待測光脈沖與泵浦 光波長相近的情況，在此情況下，泵浦光引入的背景無法消除。附圖1為N2分子的一維取向周期圖，擬利用N2分子取向的3/4周期的取向峰進行 測量超連續(xù)白光的特性。附圖2為本實施例的結構示意圖，泵浦取向光和待測光脈沖在分 束片BS處合束后共線傳輸，利用半波片調整待測光的偏振方向和泵浦取向光成45度，經偏 振片，由透鏡L聚焦至光譜儀。利用泵浦探測光波段的濾光片濾除其影響，Μ1，Μ2為鍍待測 光波段高反膜的反射鏡，可以進一步消除泵浦取向光的影響。旋轉偏振片使待測光消光，由 透鏡L聚焦至光譜儀中，由計算機記錄其隨延時變化的透射光譜圖。實施例2:
本實施例為泵浦取向光和待測光脈沖非共線傳播，普遍適用于待測光脈沖波長相近或 不同于泵浦取向光脈沖波長的情況，也適用于超連續(xù)白光特性的診斷。此實例的優(yōu)點是非 共線傳播可以在空間上分辨泵浦光和待測光，無需使用濾光片，減少了光譜的損失；缺點在 于非共線傳播減少了兩束光的相互作用區(qū)域。附圖3為本實施例的結構示意圖，泵浦取向光和待測光脈沖在分束片BS處合束后 非共線傳輸，利用半波片調整待測光的偏振方向和泵浦取向光成45度，經偏振片，由透鏡L 聚焦至光譜儀，泵浦取向光由光垃圾桶B收集。Μ1，Μ2為鍍待測光波段高反膜的反射鏡(如 果待測光為超連續(xù)白光時，則使用鍍金屬膜的高反鏡)。旋轉偏振片使待測光消光，由透鏡 L聚焦至光譜儀中，由計算機記錄其隨延時變化的透射光譜圖。在以上實施例中，除了利用N2取向周期的3/4來探測，也可以用其他的取向周期， 例如1/2周期來測量或者在零延時附近。其中所涉及的氣體分子包括可以實現激光排列取 向的所有氣態(tài)分子，例如較為常用的Η2、02、CO、CO2、CS2、NO、C2H2等等。超短脈沖的相位精確確定不僅對光脈沖的壓縮、整形有重要意義，在光通訊、光信 息處理、光成像技術、光全息術等領域都有著重要的意義。
權利要求
一種基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法，其特征在于本方法利用一束激光脈沖實現氣體分子的排列取向，并利用所述分子排列取向信號作為快門脈沖，基于分子排列取向的弱光偏振探測方法，由計算機精確控制所述激光脈沖和待測光脈沖的時間延遲，測量不同時間延時下待測激光脈沖經過所述排列取向的氣體分子的透射二維圖形，進而獲得待測激光脈沖的振幅和相位和頻率特性。
2.根據權利要求1所述的一種基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法，其特征在于所 述待測光脈沖為一脈沖序列。
3.根據權利要求1所述的一種基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法，其特征在于利 用氣體分子的排列取向或者氣體分子排列取向的周期性恢復作為快門脈沖，來測量時間和 透射光譜的二維圖形。
4.根據權利要求1所述的一種基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法，其特征在于該 方法實施步驟如下(1)用一束泵浦激光脈沖實現氣體分子的排列取向；(2)使待測激光脈沖與泵浦激光脈沖在空間和時間上重疊，即在氣體介質中存在相互 作用；(3)在待測激光脈沖通過排列取向氣體分子后的輸出端設置一偏振透射方向與入射 的待測激光脈沖偏振方向相互垂直的偏振片；并用光垃圾桶收集泵浦取向光信號以減小噪 聲；(4)由計算機程序精確控制所述激光脈沖和待測光脈沖的時間延遲，通過光譜儀測量 不同延遲情況下透射過偏振片的待測激光脈沖光譜，獲得待測激光脈沖的頻譜及相位信 肩、ο
5.根據權利要求1所述的一種基于分子排列取向的超短脈沖診斷方法，其特征在于所 述氣體分子為可實現激光排列取向的所有氣態(tài)分子。
全文摘要
本發(fā)明屬于超快激光科學與精密測量技術領域，具體指的是一種基于分子排列取向的用于測量超短脈沖振幅和相位的方法。該方法利用一束激光脈沖實現氣體分子的排列取向，并利用此分子排列取向信號作為快門脈沖，基于分子排列取向的弱光偏振探測方法，由計算機精確控制所述激光脈沖和待測光脈沖的時間延遲，測量不同時間延時下待測激光脈沖經過所述排列取向的氣體分子的透射二維圖形，進而獲得待測激光脈沖的振幅和相位和頻率特性。本發(fā)明的優(yōu)點是不需要使用非線性晶體，一方面節(jié)省了成本，也使得這種方法不需要考慮非線性過程中需要滿足的相位匹配條件、波長匹配條件及匹配光強等限制性因素。
文檔編號G01J11/00GK101799332SQ201010109439
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權日2010年2月12日
發(fā)明者劉佳, 吳健, 曾和平, 楊旋, 蔡華, 陸培芬 申請人:華東師范大學