超短雷射脈衝時間寬度的測量方法
2023-04-28 14:29:26
專利名稱：超短雷射脈衝時間寬度的測量方法
技術領域：
本發明涉及一種超短雷射脈衝時間寬度的測量方法，特別適用於飛秒雷射脈衝時間寬度的測量。
在先技術[1](參見Naganuma；Kazunori,Noda；Juichi，美國專利，1987.9.8,US4792230,Method and apparatus for measuring ultrashort optical pulses.)所描述的二次諧波相關法是超短脈衝時間寬度測量法中應用最為廣泛的方法。其基本原理是將待測光脈衝分成兩束場強相同的光脈衝，分別經過不同的光程，通過非線性晶體產生二次諧波信號，由該信號脈寬反推出待測脈衝寬度。它分為單次發射法和多次發射法兩類。多次發射法利用低頻振蕩器來控制兩脈衝的延遲時差，通過記錄二次諧波強度與延遲時差的關係來推出脈衝寬度。它需要一串完全相同的脈衝序列才能測量，目前測量範圍為皮秒至幾個飛秒。單次發射法的基本過程是將時域外形改變為空域外形，兩脈衝同時非共線進入非線性晶體，由於在不同坐標處對應的相對時延不同，通過一維光強探測器電荷耦合器(CCD)或多通道分析儀(OMA)即可推出脈衝寬度。它只需一個脈衝即可測量脈寬，但它要求的脈寬能量較高。目前測量範圍為皮秒至50飛秒左右。
在先技術中的三次相關法將所測脈衝分為三個脈衝，經過不同的光程進行相關，通過測量其諧波來反推出脈衝寬度。利用它可以了解原始脈衝的對稱性。由於需要三次諧波，所需能量要求很高。目前測量範圍為皮秒至50飛秒左右。
在先技術[2](參見D.J.Kane,R.Trekino,Optics Letters,18(10),1993,823-825,Single-shot measurement of intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by usingfrequency-resolved optical gating.)所描述的頻率分解光學門法(FROG法)利用克爾(Kerr)效應來重現脈衝，這一方法可在非共軸二次諧波產生自相關測量系統中通過測量二次諧波光的頻率來測量脈寬。它可以同時給出振幅和位相信息實現脈衝重構。目前這一方法已能測量皮秒至50飛秒左右的脈寬。
在先技術[3](參見L.Gallman,D.H.Sutter,N.Matuschek et al.,Optics Letters,24(18),1999,1314-1316,Characterization of sub-6-fs optical pulses with spectralphase interferometry for direct electric-field reconstruction.)所描述的光譜位相干涉實現電磁場重構法(SPIDER法)是目前超短脈衝測量法中最新的一種，它利用一對原始脈衝的複製品與展寬的原始脈衝相關產生二次諧波來測量脈衝寬度，實現脈衝重構。它具有可測量的脈衝波長、時間範圍寬的優點(超過了上述所有的方法)。它利用了非線性效應，結構也比較複雜。
上述方法均使用到了非線性晶體，其缺點在於入射光的波長受到晶體透過率的限制，檢測靈敏度與入射光的偏振狀態有關，並且必須滿足位相匹配條件。由於要利用非線性晶體，所需入射光必須足夠強。除此之外，上述方法還存在這樣的問題結構複雜、插入組件多、難以用於測量50飛秒以下的脈衝。
本發明的目的針對上述在先技術測量方法中所存在的問題，提供一種利用泰伯(Talbot)效應進行超短雷射脈衝脈寬測量的方法。與上述在先技術方法相比，它不需非線性效應，所採用的測量裝置結構簡單，操作簡便，所需入射脈衝能量低且解析度較高。
本發明的雷射脈衝時間寬度測量方法是利用泰伯(Talbot)效應對超短雷射脈衝時間寬度進行測量。具體測量步驟為1．採用測量裝置是，將待測雷射光源1所發射的超短雷射脈衝，通過與待測雷射光源同光軸置放的光柵2後，到達同光軸置放的接收面距光柵2出射光面的距離為n倍泰伯距z0的探測器3；2．由探測器3測得雷射光源1發射的雷射脈衝通過光柵2的透明部分與不透明部分的衍射光強，透明部分的衍射光強為S1=∫d/MdI(x,y,nz0)dx，不透明部分的衍射光強為S2=∫0d/MI(x,y,nz0)dx，兩者的比值為S(T)=S1S2=d/MdI(x,y,nz0)dx0d/MI(x,y,nz0)dx,]]>其中泰伯距z0=2d20,]]>d為光柵2的周期，M為光柵2的周期d與周期d內透明部分的寬度比，λ0為待測雷射光源1發射雷射脈衝的中心波長，由d/M到d是光柵2一個周期d內的透明部分，由0到d/M是光柵2一個周期d內的不透明部分；3．製作待測雷射光源1發射的雷射脈衝通過光柵2後，透明部分的衍射光強S1與不透明部分衍射光強S2的比值5(T)與待測雷射光源1雷射脈衝時間寬度T之間的關係曲線；S(T)=d/Md-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx0d/M-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx]]>式中ω0為待測雷射光源1中心波長λ0對應的中心頻率，0=2c0,]]>c為光速；ω為待測雷射光源1發射的雷射脈衝的頻率分量，=2c,]]>λ為ω分量對應光波波長；l、m為傅立葉級次，Al、Am為傅立葉係數，Al=1Msinc(lM),Am=1Msinc(mM);]]>i為虛數單位，式中的T取值範圍為待測雷射光源1的雷射脈衝時間寬度所處的時間寬度的範圍，通常為1飛秒＜T＜1皮秒；4．由上述第2步所測得的S(T)值，從第3步中所製得的S(T)與T的關係曲線中求得相應的脈衝時間寬度T。
裝置原理如圖1所示，待測雷射光源1所發射的超短雷射脈衝前進的方向上置有光柵2，在光柵2的輸出端置有探測器3，三者在同一光軸上，探測器3在光柵2後n倍Talbot距nz0處。待測雷射光源1所發射的超短雷射脈衝照射到光柵2上，探測器3在nz0處接收衍射光強S=∫d/MdI(x,y,nz0)dx(對應於光柵2的透明部分)和S2=∫0d/MI(x,y,nz0)dx(對應於光柵2的不透明部分)的值並求其比值S(T)，即可通過S(T)～T曲線直接查出脈衝寬度。
上述步驟3中公式獲得的依據是對於一單頻光，其在物面後的衍射光可以用菲涅耳衍射積分公式來描述U(x,y,z,)=exp(i2z)izexp[-iz(x2+y2)]-+-+U1(x1,y1,)]]>exp[i2z(x1x+y1y)]exp[-iz(x12+y12)]dx1dy1----(1)]]>其中=2c]]>是入射光的波長。U1(x1,y1,ω)和U(x,y,ω)分別代表物面和觀察面上的振幅分布，它們之間距離為z。
通常光柵可以表示為U1(x,y)=rect(xd/M)comb(xd)]]>其中d為光柵周期，M為光柵周期d與周期d內透明部分的寬度比。我們可以將其重新表示為傅立葉級數形式U1(x,y)=lA1exp[i2lxd]----(2)]]>其中l為傅立葉級次，Al=1Msinc(lM)]]>為傅立葉係數。
將(2)式代入(1)式，可得U(x,y,z,)=exp(i2z)lAlexp[i2lxd]exp[i2l2z2d2/]----(3)]]>其中λ為光波波長。定義z0=2d2,]]>可以看到對於單色平面光，在z=nz0處(n為自然數)重新呈現出原光柵的像。這一現象被稱為泰伯(Talbot)自成像，z0叫做Talbot距。
通常假設超短脈衝振幅在時間上呈高斯型，可以將其表示為p(t)=exp(i0t-t2T2),----(4)]]>其中t為瞬時時間，ω0為中心波長λ0對應的中心頻率，0=2c0]]>。T.描述了超短脈衝的時間寬度，它與超短脈衝的半高全寬τ之間有如下關係T=2ln2----(5)]]>它在頻域上的振幅可用p(t)的傅立葉變換表示P=12-+exp[-i(-0)t-t2T2]dt]]>=T2exp[-T2(-0)24]----(6)]]>其中=2c]]>為超短脈衝的頻率分量，λ為ω分量對應光波波長。經過Talbot光柵後，頻域上的振幅可表示為H(x,y,z,ω)=P(ω)U(x,y,z,ω) (7)則時域上的振幅h(x,y,z,t)=F-1{H(x,y,z,ω)} (8)通常電子探測器的響應時間為皮秒量級，遠大於超短脈衝的脈寬(飛秒量級)。因此探測到的能量分布可近似為I(x,y,z)=∫-∞+∞｜h(x,y,z,t)｜2dt(9)
超短雷射脈衝可以看作沿中心頻譜對稱分布的多種頻率單頻光的疊加。考慮到帕瑟瓦爾(Paserval)定理，並將式(3),(5),(6)代入式(9)，有I(x,y,z)=2-+|H(x,y,z,)|2d]]>=T22-+exp[-T2(-0)22]]]>l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)xd]exp[i2(l2-m2)z2d2/]d----(10)]]>(10)式中l、m為傅立葉級次，Al、Am為傅立葉係數，Al=1Msinc(lM),]]>Am=1Msinc(mM),]]>ω0為超短脈衝中心頻率，ω為超短脈衝頻率分量，λ為ω分量對應光波波長。通過求解方程(10)，可以得到I(x,y,z)的三維分布。由於超短脈衝可以看作多個頻率單頻光的疊加，因而在Talbot距上，超短脈衝能量分布是多個單頻光衍射的疊加，如圖3所示。
令S(T)=d/MdI(x,y,nz0)dx0d/MI(x,y,nz0)dx,]]>其中z0=2d20,]]>由d/M到d是光柵2一個周期d內的透明部分，由0到d/M是光柵2一個周期d內的不透明部分，則S(T)=d/Md-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx0d/M-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx]]>(11)數值求解方程(11)，可得到S(T)～T關係曲線。
本方法適用於任意中心波長的超短脈衝。
本發明與在先技術中的測量方法如二次諧波相關法的單次發射法、三次相關法、FROG法相比，本發明提出的測量方法具有以下優點由於採用線性衍射效應，不需使用非線性晶體，無位相匹配、透過率等限制，測量波段寬；由於不需要非線性效應，所需入射能量很低且解析度較高；本發明的方法所使用的測量裝置結構最簡單，便於操作；非常適合於50飛秒以下的脈寬測量。
與在先技術[1]的二次諧波相關法的多次發射法相比，本方法具有隻需單脈衝即可測量的優點，同時上述優點中的1、2、3點同樣適用。
與在先技術[3]的SPIDER法相比，上述優點中的1、2、3點都適用。
表1對上述方法進行了詳細比較。
表1本發明的超短雷射脈衝脈寬測量方法與在先技術中的測量方法的對比
圖1為本發明測量方法所採用的裝置示意圖。
圖2為計算S(T)～T曲線所採用的程序流程圖。圖2(a)是總模塊流程圖；圖2(b)是積分模塊流程圖；圖2(c)是求和模塊流程圖。
圖3為被測量的雷射脈衝的不同脈衝寬度在z0處的衍射光強分布(中心波長為800nm)圖3(a)是脈衝寬度T為1飛秒；圖3(b)是脈衝寬度T為30飛秒；圖3(c)是脈衝寬度T為100飛秒；圖3(d)是脈衝寬度T為1皮秒；圖3(e)是脈衝寬度T為5皮秒。
圖4為本發明上述測量步驟第三步中所獲得的S(T)～T曲線(中心波長為800nm,M=2)。圖4(a)是脈衝寬度為10-1010飛秒，間隔20飛秒；圖4(b)是脈衝寬度為1-20飛秒。
實施例[1]待測超短脈衝雷射光源1為鈦寶石雷射器，其中心波長λ0=800nm，對應ω0=2.356×1015Hz。所使用的衍射光柵2周期d=200μm,M=2。探測器3為CCD，接收面距光柵2出射光面的距離為n=1倍Talbot距z0=0.1m處。探測器3測量衍射光強S1=∫d/MdI(x,y,nz0)dx(對應於光柵2的透明部分)和S2=∫0d/MI(x,y,nz0)dx(對應於光柵2的不透明部分)的值，並求得S1與S2的比值S=S1S2=7.6]]>。根據上述[1]中所述條件和上述的公式S(T)=d/Md-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx0d/M-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx]]>製作S(T)～T曲線，見圖5。S(T)數值求解的具體程序流程為如圖2所示。
總模塊1．賦初值ω0、d、M,T=1飛秒(fs)。
2．利用積分模塊求S(T)分子S1,x初值 終值d。
3．利用積分模塊求S(T)分母S2,x初值0，終值 4．S(T)=S1/S2。
5．T自增1fs。
6．判斷T是否小於1ps，若是，轉2；若否，結束計算，給出結果。如流程圖2(a)所示。
積分模塊1．對x賦初值。temp=0。
2．對ω賦初值=0-6T]]>。(經計算，脈衝99.9％以上的能量集中在0-6T]]>到0+6T]]>之間)。
3．G1=exp[-T2(ω-ω0)2/2]4．利用求和模塊求qq。
5．G1=qq×G1。temp=temp+G1。
6．ω自增 7．判斷是否ω＜ω0+6/T，若是，轉3，若否，轉8。
8．x自增d/80。
9．判斷x是否小於終值，若是，轉2，若否，輸出結果。其流程如圖2(b)所示。
求和模塊1．l=-80(l、m範圍從-80到80，精確度為10-6),qq=0。
2．m=-80。
3．Al=sinc(l/M),Am=sinc(m/M)，qq=qq+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)0/]12100Td80]]>4．m=m+1。
5．若m≤80，轉3，否則繼續6。
6．l=l+1。
7．若l≤80，轉2，否則輸出結果qq。其流程如圖2(c)所示。
按照上述公式和流程獲得S(T)-T曲線。表2給出了圖4中S(T)～T曲線的數據。
表2圖4中S(T)～T曲線的數據 通過S(T)～T曲線，查出脈衝寬度為13.4fs。用SPIDER法對此脈衝的一個複製進行測量，結果也為13fs。
在先技術中，二次諧波相關法的單次發射法、三次相關法、FROG法均難以測量此類脈寬小於50飛秒的脈衝。二次諧波相關法的多次發射法需要有脈衝序列才能完成測量，不能用於單個脈衝的測量。因此唯一能測量脈寬小於50飛秒的單脈衝的方法目前只有SPIDER法和本發明方法。而在測量裝置的複雜程度上，本發明方法只需2個關鍵組件一光柵和探測器，而SPIDER法則需10個以上的元件。所以，本發明的測量方法比在先技術上所用的測量裝置簡單，操作方便。
權利要求
1.一種超短雷射脈衝時間寬度的測量方法，其特徵在於利用泰伯效應的測量方法，具體測量步驟為1採用測量裝置是，將待測雷射光源(1)所發射的超短雷射脈衝，通過與待測雷射光源同光軸置放的光柵(2)後，到達同光軸置放的接收面距光柵(2)出射光面的距離為n倍泰伯距z0的探測器(3)；2由探測器(3)測得雷射光源(1)發射的雷射脈衝通過光柵(2)的透明部分與不透明部分的衍射光強，透明部分的衍射光強為S1=∫d/Md·I(x,y,nz0)dx，不透明部分的衍射光強為S2=∫d/M0I(x,y,nz0)dx，兩者的比值為S(T)=S1S2=d/MdI(x,y,nz0)dx0d/MI(x,y,nz0)dx,]]>其中泰伯距z0=2d20,]]>d為光柵(2)的周期，M為光柵(2)的周期d與周期d內透明部分的寬度比，λ0為待測雷射光源(1)發射雷射脈衝的中心波長，由d/M到d是光柵(2)一個周期d內的透明部分，由0到d/M是光柵(2)一個周期d內的不透明部分；3製作待測雷射光源(1)發射的雷射脈衝通過光柵(2)後，透明部分的衍射光強S1與不透明部分衍射光強S2的比值S(T)與待測雷射光源(1)雷射脈衝時間寬度T之間的關係曲線；S(T)=d/Md-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx0d/M-+exp[-T2(-0)2/2]l,+m=-+AlAmexp[i2(l-m)x/d]exp[i2(l2-m2)n0/]ddx]]>式中ω0為待測雷射光源(1)中心波長λ0對應的中心頻率，0=2c0,]]>c為光速；ω為待測雷射光源(1)發射的雷射脈衝的頻率分量，=2c,]]>λ為ω分量對應光波波長；l、m為傅立葉級次，Al、Am為傅立葉係數，Al=1Msinc(lM),Am=1Msinc(mM);]]>i為虛數單位，式中的T取值範圍為待測雷射光源(1)的雷射脈衝時間寬度所處的時間寬度的範圍，通常為1飛秒＜T＜1皮秒；4由上述第二步所測得的S(T)值，從第三步中所製得的S(T)與T的關係曲線中求得相應的脈衝時間寬度T。
全文摘要
一種超短雷射脈衝時間寬度的測量方法，是利用泰伯效應的測量方法，將待測雷射光源發射的雷射脈衝通過光柵後到達置放在距光柵為n倍泰伯距的探測器。探測器測得通過光柵透明部分和不透明部分兩者衍射光強的比值S(T)，再由S(T)與T之間的關係曲線求得脈衝時間寬度T的值。具有所採用的測量裝置結構簡單，便於操作，不需要在先技術中所使用的非線性晶體，所需入射能量較低，且解析度較高的優點。
文檔編號G01J11/00GK1317686SQ0111305
公開日2001年10月17日 申請日期2001年6月1日 優先權日2001年6月1日
發明者周常河, 席鵬, 劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所