[发明专利]自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲宽度、形状及相位的实时测量。特别是一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量装置，本发明不仅可以适用于兆赫兹重复频率的激光脉冲，同时也适用于单发飞秒激光脉冲宽度与脉冲形状的监测。

背景技术

最近几年随着飞秒激光技术的发展，飞秒脉冲在科研、加工、生物、医疗、国防、通信等各个领域中得到了越来越广泛的应用。因此，飞秒激光脉冲宽度作为一个重要的光学参量，对其的测量技术在很多实验中就十分必要了。伴随着激光技术的发展，飞秒激光脉冲测量技术也在不断发展。自相关法作为一种常用的脉宽测量方法，其原理以及结构简单却不能提供飞秒脉冲的相位信息[参考文献1，R. Trebino, Frequency-Resolved Optical Grating: The Measurement of Ultrashort Laser Pulses, (Kluwer Academic Publishers) (2000)]。在目前众多的脉冲测量方法中，能给出脉冲相位信息的两个典型测量方法有频率分辨光学开关法[参考文献2，R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, and D. J. Kane, “Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating,” Rev. Sci. Instrum. 68(9), 3277-3295 (1997)]（frequency-resolved optical gating，简称 FROG）和自参考光谱相干电场重建法（self-referencing spectral phase interferometry for direct electric reconstruction，简称SPIDER）[参考文献3， C.Iaconis and I.A. Walmsley, “Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses,” Opt. Lett.23(10), 792-794 (1998)]。通常利用FROG测量方法需要比较长的时间，因为它需要进行多次迭代才能找到测量图形近似的解，同时迭代结果和图形比较的方法必然残存误差。在SPIDER方法中，通常需要非线性光学晶体来转换产生测量信号。由于非线性光学晶体的相位匹配条件，这使得每台测量仪器只能适应于不同的光谱范围，从而限制了这种方法在宽频谱范围内的应用。此外，十年前人们就已经提出了利用光谱干涉来测量飞秒脉冲的光谱强度和相位的方法。利用此方法可以对脉冲进行线性、灵敏、准确的测量。但是，这种方法需要一束与待测脉冲相关的参考激光脉冲，同时此参考脉冲拥有比待测脉冲更宽的光谱和已知的光谱相位。通常情况下，满足这种条件的参考脉冲很难获得。是否可以直接从待测的飞秒脉冲获得一个满足以上条件的并与待测脉冲相关的参考脉冲呢？基于这种想法，自参考光谱干涉（self-reference spectral interferometry，简称SRSI）作为一个新的方法得到了发展[参考文献4，T. Oksenhendler, S. Coudreau, N. Forget, V. Crozatier, S. Grabielle, R. Herzog, O. Gobert, and D. Kaplan, “Self-referenced spectral interferometry,” Appl. Phys. B 99(1), 7-12 (2010)]。2010年，有人提出了利用交叉偏振波（cross-polarized wave，简称XPW）[参考文献5，A. Jullien, L. Canova, O. Albert, D. Boschetto, L. Antonucci, Y. H. Cha, J. P. Rousseau, P. Chaudet, G. Cheriaux, J. Etchepare, S. Kourtev, N. Minkovski, and S. M. Saltiel, “Spectral broadening and pulse duration reduction during cross-polarized wave generation: influence of the quadratic spectral phase,” Appl. Phys. B 87(4), 595-601 (2007)]作为参考光的自参考光谱干涉方法用来测量脉冲。这种方法简单方便，只需要3次迭代计算就能给出激光脉冲的光谱强度和相位。然而，基于XPW的SRSI测量方法需要光学偏振元件。由于偏振光学元件也只对特定激光波长有效，并且有一定的光谱带宽限制，这样也就限制了这一方法和仪器只能在特定光谱范围内应用。同时偏振光学元件引入的色散也限制其难以精确测量10fs以下的超短激光脉冲。最近，自衍射（self-diffraction，简称SD）效应[参考文献6，J. Liu, K. Okamura, Y. Kida, and T. Kobayashi, “Temporal contrast enhancement of femtosecond pulses by a self-diffraction process in a bulk Kerr medium”, Opt. Express 18(21), 22245-22254 (2010)]过程中的一阶自衍射光被用作参考光来进行SRSI测量激光脉冲[参考文献7，J. Liu, Y. Jiang T. Kobayashi, R. Li and Z. Xu，“Self-referenced spectral interferometrybased on self-diffraction effect  JOSA B, Vol. 29, Issue 1, pp. 29-34（2012）]。与XPW-SRSI相比，由于SD-SRSI中并没有光学偏振元件，因此其对待测光的光谱范围及脉冲宽度具有较小的限制。但在以前原理性验证的实验中，测量光路结构复杂，并且参考光和待测光需要精确调节来使其在空间上重合共线。