[发明专利]基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量光脉冲特性领域的方法及装置，具体是一种基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置。

背景技术

超短激光，即飞秒至几个皮秒量级的脉冲光，已经广泛应用于光学、物理学、生物学、化学等学科，在研究光与物质相互作用、非线性成像、飞秒化学、飞秒计量学、激光微加工等领域有重要应用。超短激光脉冲时域宽度是脉冲激光表征中重要的一个参数，对超短激光脉冲的测量是最基本、最常规的程序。

超短激光脉冲的测量技术很多，从最基本的光学自相关方法Optical autocorrelation到光学频率解析光学开关法Frequency resolved optical gating,FROG再到光谱相位相干直接电场重建法Spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction,SPIDER等，他们都是利用飞秒脉冲自身复制脉冲或者另一脉冲作为参考，通过分束后一路经延迟线后再在非线性晶体合束，利用他们在不同时间延迟量下呈现出不同的非线性信号来探测或反推出入射脉冲的时间脉宽或者是其他信息。同一种方法又根据利用的非线性机制的不同可再细分。

这其中最基本的自相关法由于结构简单，操作方便，不需要复杂的算法，可以直接读出待测脉冲的时域脉宽信息，可直接测量从飞秒到皮秒量级的超短脉冲等优点而得到最广泛的应用，相应的商品化的仪器也最成熟。

目前，自相关仪中的非线性频率变换机制都是利用双折射相位匹配技术。但是这些机制都存在两个重要的制约条件，第一就是匹配带宽问题，由于飞秒脉冲的频谱很宽，有10～30纳米，所以实际使用时前者要使用很薄的非线性晶体，如几十微米厚的BBO晶体。对于更宽频谱的超短脉冲的倍频，这种机制往往受到很大的限制；这也相应地带来了第二个制约，转化效率减低。由于倍频晶体很薄，作用距离短，自相关信号弱。信号探测需要灵敏的光电二极管或光电倍增管作为探头加上复杂的弱信号放大电路，这也决定了自相关仪能测量的最小脉冲能量。

晶体中光学非线性切伦科夫辐射是一种新的非共线二次谐波产生过程，其匹配条件没有双折射或准相位匹配条件那么严苛，可以得到高效宽带的二次谐波。在非线性光学中，如果由基波激发的非线性极化波的相速度大于谐波在介质中的速度时，该极化波将沿着切伦科夫角出射二次谐波。非线性介质中产生切伦科夫倍频的条件是基频光的折射率小于倍频光的折射率，这在正常色散的非线性材料中完全满足，而且这一转换机制不受匹配带宽的限制，可以在晶体的通光范围都可以实现。实验中发现，对于极化的铁电晶体，在正畴和负畴的交界面这一个薄区域内，这一现象变得尤为明显，即切伦科夫辐射得到极大的增强。研究表明，这一区域由于晶格结构不对称造成了对称性破缺，高度空间不对称性导致二阶非线性系数增强。由于畴壁呈现平面型特性，在畴壁上激发的切伦科夫倍频呈左右对称的光斑。因此利用畴壁上增强的非线性来进行超短脉冲的自相关测量将具有明显的优势。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101246057，公开日2008-8-20，记载了一种测量超短激光脉冲宽度的自相关仪。由固定聚焦反射镜、通过电机驱动的移动聚焦反射镜、非线性光学谐波发生器、滤光片和光电探测器组成，所述的非线性晶体设置在入射光束传播路径的外侧，入射光脉冲经过固定聚焦反射镜和移动聚焦反射镜反射分为两束光，两束光同时聚焦到非线性晶体中。两束脉冲光在非线性晶体中非共线会合产生光谐波，从而测量得到脉冲强度的二阶自相关曲线，但该技术中产生的谐波的机制是双折射相位匹配。如前所述，双折射相位匹配机制在宽光谱的飞秒脉冲的测量过程中有诸多缺陷，往往存在晶体的匹配角度、相位匹配带宽和转化效率低的问题。特别是在飞秒脉冲的测量中，如果相位匹配带宽小于飞秒脉冲本身的光谱宽度，则得到的自相关曲线宽度会偏大，推测的脉冲宽度也偏大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于畴壁非线性的脉冲自相关测量方法及测量装置,采用非线性相互作用机制，可以产生全宽频谱的相位匹配，由于信号的出射角度不与入射光共线，二者夹角较大，使得光路的调节更加简单。

本发明是通过以下技术方案实现的：