[发明专利]基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种用于测量超短脉冲振幅和相位的基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法。

背景技术

超短激光脉冲的诊断，包括脉冲的振幅和相位的测量，是超快激光科学中一个非常关键的技术问题。传统的自相关方法只能测量脉冲的宽度或振幅但不能测量脉冲具体的相位或啁啾信息，因此无法对超短激光脉冲给出一个较为准确的了解。而相位是描述激光脉冲的一个极其重要的参数，掌握飞秒激光脉冲的相位信息，使得人们可以了解超短脉冲激光啁啾特性，从而可以进行脉冲诊断并进行有效地相位补偿，在超短脉冲激光的产生和应用中有重要意义。为了实现对超短脉冲的全方位诊断，经过多年的探索，人们先后提出了诸如频率分辨光学门法(FROG)以及光谱相位相干电场重建法( SPIDER)等不同的测量方法。

FROG是用于超短激光脉冲的诊断的较为成熟的方法之一。FROG技术主要包括两部分：基于非线性过程产生被测光脉冲FROG图形以及从测得的FROG图形中提取被测脉冲幅值和相位信息的相位迭代算法。SPIDER是继FROG之后基于光谱错位原理提出的超短脉冲的诊断方法。SPIDER方法的主要原理是在时域上有延时的相同特性的两束脉冲与经过展宽的啁啾脉冲在非线性晶体中混频，经傅里叶变换导出脉冲的光谱相位。因此在实验上要把待测脉冲分裂成为两个时间延时τ的同特性脉冲，与经过展宽的啁啾脉冲(脉宽>>τ)在非线性晶体中和频，然后两束和频光进行干涉，由光谱仪测得干涉图样。虽然相比FROG相对繁琐的相位迭代，SPIDER的脉冲重建算法简单快速，但是SPIDER的光谱重建的准确性取决于干涉图样的间隔，必须使用分辨率较高的光谱仪。同时其装置较为复杂，需要精确获取两束时间延时为τ的同特性脉冲。为保证干涉图样的稳定性，SPIDER需要非常高的力学稳定性，同时要求待测脉冲有着非常好的光束质量。待测脉冲在进入非线性晶体前要进行分束和展宽，使得SPIDER 的灵敏度不高。另外，SPIDER在测量过程需要单独测量待测光脉冲光谱，操作相对较为复杂。

对于上述两种较为成熟的超短脉冲诊断技术，即FROG和SPIDER技术，在测量过程中都需要涉及到非线性光学频率转换，因而存在以下几个方面的不足。首先，通常情况下非线性过程要求被测量光脉冲必需具有足够的光场强度，这样对于非常微弱的光脉冲的测量就显得比较无奈。其次，非线性过程还要受到非线性晶体相位匹配带宽的限制，因此能够精确测量的脉冲带宽是非常有限的。另外，非线性晶体波长适用范围有限，即对于一块特定切割角的晶体只能用于特定波长的激光脉冲的诊断，对于不同的波长的激光脉冲的诊断，则必需要更换不同类型或者不同方式加工处理的晶体。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，应用激光脉冲转动拉曼激发，气体分子将沿着激光场偏振方向排列取向。由于分子沿其轴向的折射率大于垂直于其轴向的折射率，将对被测量的激光脉冲形成一个双折射效应。结合弱光偏振光谱检测技术，即基于分子排列取向双折射效应对被测光脉冲偏振的旋转及其透射光谱的测量，实现待测线偏振激光脉冲的振幅和相位的完整诊断。

本发明的目的实现由以下技术方案完成：

一种基于分子排列取向的超短脉冲诊断方法，本方法利用一束激光脉冲实现气体分子的排列取向，并利用此分子排列取向信号作为快门脉冲，基于分子排列取向的弱光偏振探测方法，由计算机精确控制所述激光脉冲和待测光脉冲的时间延迟，测量不同时间延时下待测激光脉冲经过所述排列取向的气体分子的透射二维图形，进而获得待测激光脉冲的振幅和相位和频率特性。

上述待测光脉冲为可以是弱光，超连续白光以及脉冲序列；气体分子为可实现激光场排列取向的所有气态分子。

上述方法中，利用气体分子的排列取向或者气体分子的周期性恢复作为快门脉冲，来测量时间和透射光谱的二维图形。

上述方法的实施步骤如下：

1)    用一束泵浦激光脉冲实现气体分子的排列取向；

2)    使待测激光脉冲与泵浦激光脉冲在空间和时间上重叠，即在气体介质中存在相互作用；

3)    在待测激光脉冲通过排列取向气体分子后的输出端设置一偏振透射方向与入射的待测激光脉冲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号以减小噪声；