[发明专利]飞秒激光脉冲时空参数单发测量装置

说明书

本发明公开了一种飞秒激光脉冲时空参数单发测量装置，包括自参考光谱干涉模块和信号光接收测量模块；自参考光谱干涉模块包括第一分束片，第一反射镜，第二反射镜、三阶非线性效应模块和第二分束片，信号光接收测量模块包括扩束器，光纤阵列和光谱仪；本发明利用光纤阵列对待测光斑不同空间位置的时域特性分别进行处理，结合自参考光谱干涉测量时域具有线性、解析、灵敏、准确，迭代迅速等特性，实现对飞秒激光脉冲的时空参数的单发测量和实时监测。

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术研究领域中的飞秒激光脉冲的单发时空参数测量，特别是一种基于光纤阵列与自参考光谱干涉相结合的飞秒激光脉冲的时空参数单发测量装置。装置可以应用于超强超短激光的时空特性的单发测量应用研究中。

背景技术

随着超强超短激光系统的出现，飞秒激光脉冲在物理学、材料科学、化学、生物学和生物工程等许多科学研究领域得到了广泛的应用。在过去的三十年间，对飞秒激光脉冲的时域形状和相位的测量的探索不停的取得新的突破，诸如频率分辨光学开关(FROG)、光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)、光谱干涉法(SI)、色散扫描(d-scan)、多光子脉冲内干涉相位扫描(MIIPS)和自参考光谱干涉(SRSI)等。但是，上述方法都只是脉冲形状宽度的测量，并且通常是取点测量，即假设飞秒激光脉冲在横截面上的任意点脉冲特性无差别。然而，对于超强超短激光脉冲来说，其横截面上不同空间位置的时域特性会随着其空间位置地改变而改变。这种时域和空间域相互关联的特性被称作时空耦合(STCs)。此外，先前测量方法中所忽视的激光的空间相位，也就是波前特性对于聚焦也是非常重要的一个参数。近年来，随着对于将更强的脉冲峰值功率作为研究目标的超强功率(UHI)激光系统的发展，时空耦合效应带来的影响在对其测量的过程中再也无法忽视。由于光学元件诸如透镜，棱镜，光栅或是非线性光学过程都会引入时空耦合。UHI激光系统光路结构复杂，输出光斑直径大，其时空耦合效应几乎不可避免。但是在UHI激光系统的输出环节，时空耦合会通过使焦斑尺寸和脉宽增大，从而导致其输出峰值功率降低，并且这些超强激光通常是低重复频率运行。因此，准确地对超强激光脉冲时空耦合特性进行单发测量是非常重要的内容，其一方面可以指导UHI激光系统的优化从而为其得到更高的输出峰值功率提供重要的参数，另一方面也可以了解超强激光特别是拍瓦量级的激光脉冲时空特性随其它激光器调节参数的变化。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提出一种基于光纤阵列和自参考光谱干涉相结合的飞秒激光脉冲时空参数单发测量装置，将光纤阵列和自参考光谱干涉方法相结合，解决了对飞秒激光脉冲的时空特性进行单发测量的难题。利用光纤阵列对待测光斑不同空间位置的时域特性分别进行处理，结合自参考光谱干涉测量时域具有线性、解析、灵敏、准确，迭代迅速等特性，可以实现对飞秒激光脉冲的时空参数的单发测量和实时监测。

本发明原理：

待测飞秒激光经自参考光谱干涉模块首先分为两束，一束激光被引入一定的延时作为待测光，另一束激光通过频率简并的三阶非线性(如自衍射、瞬态光栅，和交叉偏振波等)过程产生一束比待测光的光谱范围更宽、相位更平滑的参考光。调节光路使待测光与参考光在空间上共线重合，并将两束激光作为信号光导入信号接收测量模块。信号接收测量模块由扩束器,单模光纤阵列和光谱仪三部分组成。扩束器用于对信号光扩束便于后续采样。单模光纤阵列结构由若干相同的单模光纤组成，其可将二维面阵的空间排布转换为一维的线阵的空间排布。面阵空间的每一根光纤都对应一个信号光采样点，这样光纤阵列相当于对信号光的空间信息再编码，使信号采集不受大直径或不规则形状的待测光斑的限制。线阵空间的光纤宽度光谱仪的狭缝长度相匹配，这样每一个采样点的信号光都可以经由单模光纤在光谱仪中产生光谱干涉条纹。通过傅里叶变换光谱干涉方法进行数据处理，可以获得待测光空间每个采样点的频域光谱和相位，并反演出脉冲时域形状和时域相位信息。结合采样点对应的空间信息和每个点光谱干涉条纹，可以计算获得激光的空间分布和空间相位(波前)的空间信息。

本发明的技术解决方案如下：