啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法

2023-09-16 22:00:30

專利名稱：啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法
技術領域：
本發明涉及皮秒脈衝(簡稱ps脈衝)，特別是一種啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法，用於測量ps級的啁啾雷射脈衝的脈寬及啁啾係數。

背景技術：
泵浦探測方法在研究飛秒雷射驅動超快物理過程時是應用極為廣泛的一項測量方法，在此方法中，有時需要把飛秒級的探測脈衝展寬成皮秒級的啁啾脈衝，利用啁啾脈衝的時間分辨功能進行時間分辨的單發測量[參見文獻[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和文獻[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，需要精確知道啁啾ps脈衝的脈寬及啁啾係數。原則上，脈寬和啁啾係數可以根據展寬器(光柵對或稜鏡對)的參數計算得知，然而要對此展寬的脈衝進行實驗測量卻存在一些困難一方面，最常用測量脈寬的二階自相關儀無法對ps脈衝進行測量，作為測量皮秒脈衝的脈寬最常用的儀器條紋相機價格昂貴且在超快研究中應用較少，因而不是每個超快實驗室都有配備。另一方面，應用三階自相關儀以及FROG或者SPIDER原理上也可以用來測量這種啁啾皮秒脈衝，但卻需要對原裝置進行重新設計，而且測量過程繁瑣。


發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出一種用於測量ps級的啁啾雷射脈衝的脈寬及啁啾係數的啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法，該方法具有測量實施簡單和測量精度高的特點。
本發明的技術解決方案如下 一種啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法，特點在於包括下列步驟 ①先用二階自相關儀和光譜儀測出參考飛秒脈衝光的脈寬T1和頻寬Δω0； ②建立測量光路待測啁啾皮秒脈衝光經反射鏡進入合束片，參考飛秒脈衝光經延時器後在所述的合束片上與待測啁啾皮秒脈衝光合束後進入光柵譜儀； ③仔細調節所述的延時器，直到所述的光柵光譜儀上開始出現明顯的幹涉條紋，繼續微調所述的延時器，當所述的光柵光譜儀上的幹涉圖樣完全對稱時，即待測啁啾皮秒脈衝光和參考飛秒脈衝光完全重合，此時待測啁啾皮秒脈衝光和參考飛秒脈衝光的時間延遲τ＝0； ④用所述的光柵譜儀記錄待測啁啾皮秒脈衝光和參考飛秒脈衝光的幹涉圖樣，即獲得實驗曲線； ⑤計算待測啁啾皮秒脈衝光的脈寬及啁啾係數，利用下列公式，通過改變T2的值對該幹涉圖樣進行擬和，繪製多個模擬曲線 其中Δω0＝ω-ω0，T1是參考飛秒脈衝光的脈寬，T2是待測啁啾皮秒脈衝光的脈寬，選擇與實驗曲線吻合最好的模擬曲線的T2，即為待測啁啾皮秒脈衝光的脈寬； ⑥根據下列公式計算，得到待測啁啾皮秒脈衝光的啁啾係數α α≈Δω0/T2 式中，Δω0為測啁啾皮秒脈衝光的頻帶寬度。
本發明的優點 1、測量實施簡單。為測量啁啾皮秒脈衝不需額外購置或搭建其他設備，只需用一般超快實驗室都具備的光柵譜儀、二階自相關儀等即可完成測量。
2、測量精度高。測量精度主要受飛秒脈衝的頻寬決定，一般條件可以達到20fs及更高解析度。



圖1是本發明測量裝置圖 圖2是待測啁啾脈衝和參考脈衝相對延時為0時的幹涉圖樣。
圖3是啁啾脈衝的脈寬反演計算示意圖
具體實施例方式 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
先請參閱圖1，圖1是本發明測量裝置圖。被展寬的待測啁啾皮秒脈衝光1和參考飛秒脈衝光2在經過補償光程的延遲器3後同過一個合束片4合束然後進入光柵光譜儀5測量其幹涉圖樣。本發明方法的原理如下 高斯分布的參考飛秒脈衝光2的光場可以表示為 其中T1為脈衝寬度。展寬後的啁啾皮秒脈衝光1表示為 其中；α線性啁啾係數，近似等於脈衝頻帶寬度與脈衝時間寬度的比值，即 α≈Δω0/T2 (3) 參考飛秒脈衝光2和啁啾皮秒脈衝光1的時間延遲表示為τ，兩束光在光柵光譜儀5上在頻域的幹涉圖樣為 其中

分別為E1(t)和E2(t)的傅立葉變換 其中φ1(ω)＝φ2(ω)|a＝0代入式(4)可以得到 其中參數a可以根據式(3)用頻寬Δω和待測脈寬T2來表示 先用二階自相關儀和光譜儀測出參考飛秒脈衝光2的寬度T1和頻寬Δω0，展寬後的啁啾皮秒脈衝光1的頻帶寬度Δω0基本不變，即Δω0≈Δω，根據式(7)和式(8)，當兩束光的相對延遲τ一定時，光譜儀上所得的幹涉圖樣只與啁啾脈衝的寬度T2相關。因此，只要通過光柵譜儀測得兩脈衝光的幹涉圖樣，即可以通過反演計算得到啁啾皮秒脈衝光1的脈寬。然後通過公式(3)進而可以得到脈衝的啁啾係數。
由於使用的光柵光譜儀頻譜解析度遠高於我們所用脈衝雷射的譜寬，所以這種測量方法的時間解析度主要由參考光的頻譜寬度Δω0決定，時間解析度Δt≈2π/Δω0。因此，探測光的頻譜越寬，探測的時間解析度越高。例如，如果探測光採用鈦寶石雷射，中心波長800nm，如果頻譜寬度(半高寬)為45nm，那麼測量的時間解析度可以達到20fs。
我們的實施例所採用的參考飛秒脈衝光2的脈寬為40fs，中心波長800nm，用光譜儀測得頻譜寬度為45nm。在實驗中經過一對光柵對，將該飛秒脈衝光展寬為皮秒級的啁啾脈衝光作為待測啁啾皮秒脈衝光1。現要測量被展寬後的待測啁啾皮秒脈衝光1的脈寬及啁啾係數。測量步驟如下 ①先用二階自相關儀和光譜儀測出參考飛秒脈衝光2的脈寬T1為40fs，和頻寬Δω0為45nm； ②建立測量光路待測啁啾皮秒脈衝光1經反射鏡6進入合束片4，參考飛秒脈衝光2經延時器3後在合束片4上與待測啁啾皮秒脈衝光1合束後進入光柵譜儀5； ③利用光柵譜儀5觀測兩束光的頻譜幹涉圖樣，仔細調節所述的延時器3，直到所述的光柵光譜儀5上開始出現明顯的幹涉條紋，繼續微調所述的延時器3，當所述的光柵光譜儀5上的幹涉圖樣完全對稱時，如圖2所示，待測啁啾皮秒脈衝光1和參考飛秒脈衝光2完全重合，此時待測啁啾皮秒脈衝光1和參考飛秒脈衝光2的時間延遲τ＝0； ④用所述的光柵譜儀5記錄待測啁啾皮秒脈衝光1和參考飛秒脈衝光2的幹涉圖樣，即獲得實驗曲線，如圖3中的曲線do； ⑤計算待測啁啾皮秒脈衝光的脈寬及啁啾係數，利用下列公式，通過改變T2的值對該幹涉圖樣進行擬和，繪製多個模擬曲線 其中Δω0＝ω-ω0，T1是參考飛秒脈衝光2的脈寬，T2是待測啁啾皮秒脈衝光1的脈寬，選擇與實驗曲線吻合最好的模擬曲線的T2，即為待測啁啾皮秒脈衝光1的脈寬，如圖3中a、b、c三條曲線所示，當T2取4.2ps時，模擬曲線與實驗曲線吻合最好，因此該啁啾脈衝的脈寬為4.2pso； ⑥根據下列公式計算，得到待測啁啾皮秒脈衝光1的啁啾係數α α≈Δω0/T2 式中，Δω0為測啁啾皮秒脈衝光1的頻帶寬度。
經計算得到此脈衝的啁啾係數a＝473。
權利要求
1、一種啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法，特徵在於包括下列步驟
①先用二階自相關儀和光譜儀測出參考飛秒脈衝光(2)的脈寬T1和頻寬Δω0；
②建立測量光路待測啁啾皮秒脈衝光(1)經反射鏡(6)進入合束片(4)，參考飛秒脈衝光(2)經延時器(3)後在合束片(4)上與待測啁啾皮秒脈衝光(1)合束後進入光柵譜儀(5)；
③仔細調節所述的延時器(3)，直到所述的光柵光譜儀(5)上開始出現明顯的幹涉條紋，繼續微調所述的延時器(3)，當所述的光柵光譜儀(5)上的幹涉圖樣完全對稱時，則待測啁啾皮秒脈衝光(1)和參考飛秒脈衝光(2)完全重合，即時間延遲τ＝0；
④用所述的光柵譜儀(5)記錄待測啁啾皮秒脈衝光(1)和參考飛秒脈衝光(2)的幹涉圖樣，即獲得實驗曲線；
⑤計算待測啁啾皮秒脈衝光的脈寬及啁啾係數，利用下列公式，通過改變T2的值對該幹涉圖樣進行擬和，繪製多個模擬曲線
其中Δω0＝ω-ω0，T1是參考飛秒脈衝光(2)的脈寬，T2是待測啁啾皮秒脈衝光(1)的脈寬，選擇與實驗曲線吻合最好的模擬曲線的T2，即為待測啁啾皮秒脈衝光(1)的脈寬；
⑥根據下列公式計算，得到待測啁啾皮秒脈衝光(1)的啁啾係數α
α≈Δω0/T2
式中，Δω0為測啁啾皮秒脈衝光(1)的頻帶寬度。
全文摘要
一種啁啾皮秒脈衝頻譜幹涉測量方法，包括下列步驟先用二階自相關儀和光譜儀測出參考飛秒脈衝光的脈寬T1和頻寬Δω0；建立測量光路；仔細調節所述的延時器，光柵光譜儀上的幹涉圖樣完全對稱時；用所述的光柵譜儀記錄待測啁啾皮秒脈衝光和參考飛秒脈衝光的幹涉圖樣，即獲得實驗曲線；計算待測啁啾皮秒脈衝光的脈寬和啁啾係數α。本發明方法具有測量實施簡單和測量精度高的特點。
文檔編號G01J11/00GK101660948SQ200910195910
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者季忠剛, 劉建勝, 李儒新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所