專利名稱：利用同步移相干涉術(shù)測量激光脈沖寬度與相對相位的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用同步移相干涉術(shù)測量激光脈沖脈寬和相對相位的方法與裝置，具體說來可測量皮秒、飛秒及阿秒超短激光脈沖的脈沖寬度和測量經(jīng)一束激光脈沖分光后的兩束光脈沖的相對相位延遲量。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代中期，超短激光脈沖技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，從皮秒進入了飛秒階段。超短脈沖技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究各種超快現(xiàn)象及強場下的物理行為，如分子的弛豫過程、生物細(xì)胞的新陳代謝、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、快點火激光核聚變、臺面核物理等?？v觀超短脈沖產(chǎn)生技術(shù)的發(fā)展歷史，其進步與測量技術(shù)的發(fā)展是離不開的，因此研究探索飛秒乃至阿妙激光脈沖測量的新技術(shù)，完整準(zhǔn)確地了解脈沖的寬度、相位及形狀信息，是超快技術(shù)中非常重要的內(nèi)容。如，在超快泵浦-探測實驗中，一束從激光器出射的激光被分束鏡分成兩束一束作為泵浦光，作用于待檢測目標(biāo)，產(chǎn)生物理化學(xué)變化；另一束作為探測光，經(jīng)時間延遲線時間延遲后再作用到待檢測目標(biāo)上，以探測相關(guān)物理量的變化。而在該實驗中，如何實時測量泵浦脈沖和探測脈沖的相對相位和監(jiān)控脈沖的脈寬，是超快泵浦-探測實驗分辨精度的關(guān)鍵因素。只有實時監(jiān)控脈沖的脈寬和相對相位，才能實現(xiàn)對超快過程的精確控制?，F(xiàn)有的測量超短脈沖脈寬和位相的技術(shù)包括脈沖自相關(guān)技術(shù)(包括強度自相關(guān)和干涉自相關(guān))、頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(Frequency-resolved OpticalGrating, FROG)、自參考光i普位才目才目干電場重建法(Self-referencing SpectralPhase Interferometry for Direct Electric Reconstruction, SPIDER)等，這些技術(shù)都屬于間接測量法。因為現(xiàn)有的測量脈寬和相對相位的技術(shù)都需要應(yīng)用非線性晶體的非線性效應(yīng)，當(dāng)脈寬很窄時非線性效應(yīng)很難保證良好的效率，所以對于測量幾個飛秒甚至阿秒脈沖的脈寬和相位是極其困難的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服利用非線性晶體間接測量脈寬和相位的弊端，本發(fā)明提供一種使用簡便、制造容易的可直接測量脈寬和相對相位的技術(shù)。它采用組合棱鏡對光束進行分束，同時結(jié)合偏振干涉的方法在空域一次采集多幅干涉條紋圖。通過對多路干涉場的實時觀測與獲得干涉條紋圖的光強計算分析，可得到超短脈沖的脈寬和相對相位。該技術(shù)因直接使用干涉方法進行測量，沒有使用非線性晶體，故可測量脈寬很窄的飛秒脈沖和阿秒脈沖。本發(fā)明中分光、同步移相及成像的方法，以形成四路干涉場為例入射光脈沖經(jīng)分束棱鏡分束成脈沖ι和脈沖2。脈沖1經(jīng)三角棱鏡3后投射到半透半反棱鏡5上；脈沖2經(jīng)四分之一波片4后投射到半透半反棱鏡5上。經(jīng)由半透半反棱鏡5反射的脈沖1和透射的脈沖3雖然傳播方向一致，但偏振性不同，組成的合成光束經(jīng)偏振分光棱鏡8后形成干涉場#1和#2。經(jīng)由半透半反棱鏡5透射的脈沖1和反射的脈沖2組成的合成光束經(jīng)偏振分光棱鏡10后形成干涉場#3和#4。同過該四個干涉場可得到四幅干涉條紋圖?；谏鲜鲂纬伤穆犯缮鎴龅臏y量方法，本專利方法可擴充形成六路、八路等多路干涉場。四路擴展至六路干涉場四路干涉場中的三角棱鏡置換成半透半反棱鏡6，從該半透半反棱鏡出射的合成光束再經(jīng)過由偏振分光棱鏡和三角棱鏡組成的新的偏振移相單元可形成干涉場#5和#6，這樣就形成了六路干涉場。同理，在六路干涉場的基礎(chǔ)上，通過用半透半反分束棱鏡置換三角棱鏡、添加新的偏振移相單元可擴充至八路等多路干涉場。本發(fā)明中測量脈寬和相對相位的方法通過對多路干涉場的實時觀測與對獲得干涉條紋圖的光強計算分析，獲得超短脈沖的脈寬和相對相位。以四路干涉場為例激光脈沖經(jīng)半透半反棱鏡作用后分束成1和2兩束脈沖，脈沖1再經(jīng)時間延遲線作用后，通過脈沖掃描方式與脈沖2形成四路干涉場#1、#2、#3、#4。利用干涉場中干涉條紋強度的分布與間距變化測量脈沖的時間寬度；利用四路干涉光的強度值^、“、“、^確定兩束光的相對相位
m其滿足關(guān)系沖=arctan^—。
Ψ,U-h四分之一波片4的快軸方向與脈沖1和2的偏振方向相差45度。偏振分光棱鏡反射光的電矢量方向與入射的脈沖1和脈沖2的偏振方向相差45度。本發(fā)明方法和裝置，方法簡單，原理清晰，裝置緊湊，易于使用。裝置中各部分器件容易獲得，能達到很高精度，可有效的降低實驗誤差。運用本裝置可以實現(xiàn)脈超短激光脈沖脈寬和相對相位差的高精度動態(tài)測量。


圖1是本發(fā)明提出的利用四路同步移相干涉術(shù)測量超短激光脈沖脈寬和相對相位的分光、同步移相及成像裝置的光路和結(jié)構(gòu)示意1中1 入射的第一束脈沖，2 入射的另一束脈沖，4 四分之一波片，3、6、7、9、 11和13 直角全反鏡，5 半透半反棱鏡，8、10和12 偏振分光棱鏡，#1、#2、#3、#4，…，#n+l 分別為得到的n+1個干涉場圖2是圖1中n+1路干涉場的基本偏振移相單元的光路和結(jié)構(gòu)示意2中1 半透半反棱鏡，2 偏振分光棱鏡，3 直角全反鏡
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，詳細(xì)說明實現(xiàn)本發(fā)明所提出的利用同步移相干涉術(shù)測量超短脈沖的脈寬和相對相位的方法。實施例如圖1所示待測超短脈沖首先經(jīng)分束棱鏡分成兩束，一束作為圖1光路中的脈沖1，一束作為圖1光路中的脈沖2。利用該測量方法可測量脈沖1和2的脈寬的相對相位。脈沖1利用掃描方式與脈沖2作用形成干涉場#1、#2、#3、#4，…，#n+l.第一個干涉場#1 脈沖1經(jīng)直角全反鏡3反射后被半透半反棱鏡5反射；脈沖2經(jīng)四分之一波片4后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光再次經(jīng)半透半反棱鏡5透射后與半透半反棱鏡5的反射光——脈沖1組成合成光束，該合成光束經(jīng)偏振分光棱鏡8和直角全反鏡7反射后形成干涉場#1，利用探測器采集可得第一幅干涉條紋圖。第二個干涉場#2 脈沖1經(jīng)直角全反鏡3反射后被半透半反棱鏡5反射；脈沖2 經(jīng)四分之一波片4后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光再次經(jīng)半透半反棱鏡5透射后與半透半反棱鏡5的反射光——脈沖1組成合成光束，該合成光束經(jīng)偏振分光棱鏡8透射后形成干涉場#2，利用探測器采集可得第二幅干涉條紋圖。第三個干涉場#3 脈沖1經(jīng)直角全反鏡3反射后被半透半反棱鏡5透射；脈沖2 經(jīng)四分之一波片4后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光再次被半透半反棱鏡5反射與半透半反棱鏡5的透射光——脈沖1組成合成光束，該合成光束經(jīng)半透半反棱鏡6、偏振分光棱鏡10和直角全反鏡9反射后形成干涉場#3，利用探測器采集可得第三幅干涉條紋圖。第四個干涉場#4 脈沖1經(jīng)直角全反鏡3反射后被半透半反棱鏡5透射；脈沖2 經(jīng)四分之一波片4后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光再次被半透半反棱鏡5反射與半透半反棱鏡5的透射光——脈沖1組成合成光束，該合成光束分別經(jīng)半透半反棱鏡6和偏振分光棱鏡10反射和透射后形成干涉場#4，利用探測器采集可得第四幅干涉條紋圖。同理，可得到第5個，第6個，…，第n+1個干涉場。通過分析n+1個干涉場中干涉條紋的光強值的變化和條紋干涉間距的變化，可得到待測的超短脈沖的脈寬信息；通過得到的n+1幅干涉條紋圖的干涉光強值可直接推算得到脈沖1和脈沖2之間的相對相位。以四路干涉場為例四路干涉場需將半透半反鏡6置換成直角全反鏡6。激光脈沖經(jīng)半透半反棱鏡作用后分束成1和2兩束脈沖，脈沖1再經(jīng)時間延遲線作用后，通過脈沖掃描方式與脈沖2形成四路干涉場#1、#2、#3、#4。利用干涉場中干涉條紋強度的分布與間距變化測量脈沖的時間寬度；利用四路干涉光的強度值Ii、I2、I3、I4確定兩束光的相對相位…其滿足關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種利用同步移相干涉法測量激光脈沖寬度與相對相位的方法與裝置，其特征在于包括(1)光脈沖經(jīng)分束棱鏡分束生成兩束光脈沖，其中一束經(jīng)可調(diào)時間延遲線作用后與另一束光脈沖在時間上錯開一個脈寬時間間隔，通過調(diào)節(jié)時間延遲線使一束脈沖對另一束脈沖進行掃描產(chǎn)生同步移相干涉；( 利用得到的多路干涉場中干涉條紋的光強和條紋間距的變化獲得脈寬信息；C3)利用得到的干涉條紋圖中的干涉光強值推算得兩束脈沖的相對相位信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用同步移相干涉法測量激光脈沖寬度與相對相位的方法與裝置，其特征在于實現(xiàn)多路路分光、同步移相和成像的光路第一個干涉場#1 脈沖1經(jīng)直角全反鏡3反射后被半透半反棱鏡5反射；脈沖2經(jīng)四分之一波片4后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光再次經(jīng)半透半反棱鏡5透射后與半透半反棱鏡5的反射光——脈沖1組成合成光束，該合成光束經(jīng)偏振分光棱鏡8和直角全反鏡7反射后形成干涉場#1，利用探測器采集可得第一幅干涉條紋圖。第二個干涉場#2 脈沖1經(jīng)直角全反鏡3反射后被半透半反棱鏡5反射；脈沖2經(jīng)四分之一波片4后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光再次經(jīng)半透半反棱鏡 5透射后與半透半反棱鏡5的反射光——脈沖1組成合成光束，該合成光束經(jīng)偏振分光棱鏡 8透射后形成干涉場#2，利用探測器采集可得第二幅干涉條紋圖；同理，通過重復(fù)添加由圖 2中半透半反棱鏡1、偏振分光棱鏡2和直角全反鏡3組成的基本偏振移相單元可將光路擴充至n+1多路干涉場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種利用同步移相干涉法測量激光脈沖寬度與相對相位的方法與裝置，其特征是利用脈沖掃描產(chǎn)生的干涉條紋強度間隔變化測量脈沖的時間寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種利用同步移相干涉術(shù)測量激光脈沖寬度與相對相位的方法與裝置，其特征是通過測量多幅干涉條紋圖的光強值來確定光束光脈沖的相位差；以四路為例，四路干涉光的強度值I” 12、13、I4與相對相位…滿足關(guān)系夕=arctan^^。ΨU-1I
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種利用同步移相干涉術(shù)測量激光脈沖寬度與相對相位的方法與裝置，其特征是可通過添加由圖2中半透半反棱鏡1、偏振分光棱鏡2和直角全反鏡3組成的基本偏振移相單元可形成n+1路干涉場。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接測量超短脈沖脈寬和相對相位的方法與裝置，可測量脈寬很窄的飛秒脈沖及阿秒脈沖。該技術(shù)采用組合棱鏡對光束進行分束，同時結(jié)合偏振干涉的方法在空域一次采集到多幅同步移相干涉條紋圖。通過對多路干涉場的計算分析，可直接測量得到超短脈沖的脈寬和相位。本發(fā)明方法簡單，原理清晰，測量結(jié)果也有很好的抗震性，可實現(xiàn)超快過程中對超短脈沖脈寬和相對相位的現(xiàn)場動態(tài)測量和監(jiān)控。測量過程簡單、方便。
文檔編號G01J9/02GK102175333SQ201110027568
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者劉世炳, 賀雪鵬 申請人:北京工業(yè)大學(xué)