超短激光脉冲时间宽度的测量方法技术

一种超短激光脉冲时间宽度的测量方法，是利用泰伯效应的测量方法，将待测激光光源发射的激光脉冲通过光栅后到达置放在距光栅为ｎ倍泰伯距的探测器。探测器测得通过光栅透明部分和不透明部分两者衍射光强的比值Ｓ（Ｔ），再由Ｓ（Ｔ）与Ｔ之间的关系曲线求得脉冲时间宽度Ｔ的值。具有所采用的测量装置结构简单，便于操作，不需要在先技术中所使用的非线性晶体，所需入射能量较低，且分辨率较高的优点。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，特别适用于飞秒激光脉冲时间宽度的测量。在先技术(参见Naganuma；Kazunori,Noda；Juichi，美国专利，1987.9.8,US4792230,Method and apparatus for measuring ultrashort optical pulses.)所描述的二次谐波相关法是超短脉冲时间宽度测量法中应用最为广泛的方法。其基本原理是将待测光脉冲分成两束场强相同的光脉冲，分别经过不同的光程，通过非线性晶体产生二次谐波信号，由该信号脉宽反推出待测脉冲宽度。它分为单次发射法和多次发射法两类。多次发射法利用低频振荡器来控制两脉冲的延迟时差，通过记录二次谐波强度与延迟时差的关系来推出脉冲宽度。它需要一串完全相同的脉冲序列才能测量，目前测量范围为皮秒至几个飞秒。单次发射法的基本过程是将时域外形改变为空域外形，两脉冲同时非共线进入非线性晶体，由于在不同坐标处对应的相对时延不同，通过一维光强探测器电荷耦合器(CCD)或多通道分析仪(OMA)即可推出脉冲宽度。它只需一个脉冲即可测量脉宽，但它要求的脉宽能量较高。目前测量范围为皮秒至50飞秒左右。在先技术中的三次相关法将所测脉冲分为三个脉冲，经过不同的光程进行相关，通过测量其谐波来反推出脉冲宽度。利用它可以了解原始脉冲的对称性。由于需要三次谐波，所需能量要求很高。目前测量范围为皮秒至50飞秒左右。在先技术(参见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.)所描述的频率分解光学门法(FROG法)利用克尔(Kerr)效应来重现脉冲，这一方法可在非共轴二次谐波产生自相关测量系统中通过测量二次谐波光的频率来测量脉宽。它可以同时给出振幅和位相信息实现脉冲重构。目前这一方法已能测量皮秒至50飞秒左右的脉宽。在先技术(参见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.)所描述的光谱位相干涉实现电磁场重构法(SPIDER法)是目前超短脉冲测量法中最新的一种，它利用一对原始脉冲的复制品与展宽的原始脉冲相关产生二次谐波来测量脉冲宽度，实现脉冲重构。它具有可测量的脉冲波长、时间范围宽的优点(超过了上述所有的方法)。它利用了非线性效应，结构也比较复杂。上述方法均使用到了非线性晶体，其缺点在于入射光的波长受到晶体透过率的限制，检测灵敏度与入射光的偏振状态有关，并且必须满足位相匹配条件。由于要利用非线性晶体，所需入射光必须足够强。除此之外，上述方法还存在这样的问题结构复杂、插入组件多、难以用于测量50飞秒以下的脉冲。本专利技术的目的针对上述在先技术测量方法中所存在的问题，提供一种利用泰伯(Talbot)效应进行超短激光脉冲脉宽测量的方法。与上述在先技术方法相比，它不需非线性效应，所采用的测量装置结构简单，操作简便，所需入射脉冲能量低且分辨率较高。本专利技术的激光脉冲时间宽度测量方法是利用泰伯(Talbot)效应对超短激光脉冲时间宽度进行测量。具体测量步骤为1．采用测量装置是，将待测激光光源1所发射的超短激光脉冲，通过与待测激光光源同光轴置放的光栅2后，到达同光轴置放的接收面距光栅2出射光面的距离为n倍泰伯距z0的探测器3；2．由探测器3测得激光光源1发射的激光脉冲通过光栅2的透明部分与不透明部分的衍射光强，透明部分的衍射光强为S1=∫d/MdI(x,y,nz0)dx，不透明部分的衍射光强为S2=∫0d/MI(x,y,nz0)dx，两者的比值为S(T)=S1S2=∫d/MdI(x,y,nz0)dx∫0d/MI(x,y,nz0)dx,]]>其中泰伯距z0=2d2λ0,]]>d为光栅2的周期，M为光栅2的周期d与周期d内透明部分的宽度比，λ0为待测激光光源1发射激光脉冲的中心波长，由d/M到d是光栅2一个周期d内的透明部分，由0到d/M是光栅2一个周期d内的不透明部分；3．制作待测激光光源1发射的激光脉冲通过光栅2后，透明部分的衍射光强S1与不透明部分衍射光强S2的比值5(T)与待测激光光源1激光脉冲时间宽度T之间的关系曲线；S(T)=∫d/Md∫-∞+∞exp×Σl,+∞Σm=-∞+∞AlAmexp×expdωdx∫0d/M∫-∞+∞exp×Σl,+∞Σm=-∞+∞AlAmexp×expdωdx]]>式中ω0为待测激光光源1中心波长λ0对应的中心频率，ω0=2πcλ0,]]>c为光速；ω为待测激光光源1发射的激光脉冲的频率分量，ω=2πcλ,]]>λ为ω分量对应光波波长；l、m为傅里叶级次，Al、Am为傅里叶系数，Al=1Msinc(lM),Am=1Msinc(mM);]]>i为虚数单位，式中的T取值范围为待测激光光源1的激光脉冲时间宽度所处的时间宽度的范围，通常为1飞秒＜T＜1皮秒；4．由上述第2步所测得的S(T)值，从第3步中所制得的S(T)与T的关系曲线中求得相应的脉冲时间宽度T。装置原理如图1所示，待测激光光源1所发射的超短激光脉冲前进的方向上置有光栅2，在光栅2的输出端置有探测器3，三者在同一光轴上，探测器3在光栅2后n倍Talbot距nz0处。待测激光光源1所发射的超短激光脉冲照射到光栅2上，探测器3在nz0处接收衍射光强S=∫d/MdI(x,y,nz0)dx(对应于光栅2的透明部分)和S2=∫0d/MI(x,y,nz0)dx(对应于光栅2的不透明部分)的值并求其比值S(T)，即可通过S(T)～T曲线直接查出脉冲宽度。上述步骤3中公式获得的依据是对于一单频光，其在物面后的衍射光可以用菲涅耳衍射积分公式来描述U(x,y,z,ω)=exp(i2π&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超短激光脉冲时间宽度的测量方法，其特征在于利用泰伯效应的测量方法，具体测量步骤为：〈１〉采用测量装置是，将待测激光光源（１）所发射的超短激光脉冲，通过与待测激光光源同光轴置放的光栅（２）后，到达同光轴置放的接收面距光栅（２）出射光面 的距离为ｎ倍泰伯距ｚ↓［０］的探测器（３）；〈２〉由探测器（３）测得激光光源（１）发射的激光脉冲通过光栅（２）的透明部分与不透明部分的衍射光强，透明部分的衍射光强为Ｓ↓［１］＝＊Ｉ（ｘ，ｙ，ｎｚ↓［０］）ｄｘ，不透明部分的衍射光强为Ｓ↓ ［２］＝＊Ｉ（ｘ，ｙ，ｎｚ↓［０］）ｄｘ，两者的比值为Ｓ（Ｔ）＝Ｓ↓［１］／Ｓ↓［２］＝＊＊＊，其中泰伯距ｚ↓［０］＝２ｄ↑［２］／λ↓［０］，ｄ为光栅（２）的周期，Ｍ为光栅（２）的周期ｄ与周期ｄ内透明部分的宽度比，λ↓［０］为待测激光光源（１）发射激光脉冲的中心波长，由ｄ／Ｍ到ｄ是光栅（２）一个周期ｄ内的透明部分，由０到ｄ／Ｍ是光栅（２）一个周期ｄ内的不透明部分；〈３〉制作待测激光光源（１）发射的激光脉冲通过光栅（２）后，透明部分的衍射光强Ｓ↓［１］与不透明部分衍射光强 Ｓ↓［２］的比值Ｓ（Ｔ）与待测激光光源（１）激光脉冲时间宽度Ｔ之间的关系曲线；＊＊＊式中：ω↓［０］为待测激光光源（１）中心波长λ↓［０］对应的中心频率，ω↓［０］＝２πｃ／λ↓［０］，ｃ为光速；ω为待测激光光源（１）发射的激光脉冲 的频率分量，ω＝２πｃ／λ，λ为ω分量对应光波波长；ｌ、ｍ为傅里叶级次，Ａ↓［ｌ］、Ａ↓［ｍ］为傅里叶系数，Ａ↓［ｌ］＝１／Ｍｓｉｎｃ（１／Ｍ），Ａ↓［ｍ］＝１／Ｍｓｉｎｃ（ｍ／Ｍ）；ｉ为虚数单位，式中的Ｔ取值范围为待测激光光源（１）的激光脉冲时间宽度所处的时间宽度的范围，通常为：１飞秒＜Ｔ＜１皮秒；〈４〉由上述第二步所测得的Ｓ（Ｔ）值，从第三步中所制得的Ｓ（Ｔ）与Ｔ的关系曲线中求得相应的脉冲时间宽度Ｔ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，席鹏，刘立人，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]