[发明专利]自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量方法和装置

摘要

一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量方法和装置，该方法首先将激光束分成三束，其中两束激光聚焦打在一块非线性透明光学介质上，产生两束一阶自衍射光。将任何一束自衍射光作为参考激光脉冲，此参考脉冲与第三束激光脉冲在空间上共线并调节重合，通过调节延时可以获得激光干涉光谱。通过测量干涉光谱，利用自参考光谱相干方法来可以反演计算获得激光光谱和光谱相位，从而可以测量激光脉冲宽度与脉冲形状。本发明结合了SRSI和FROG两种方法及其优点，具有速度快、简单和方便的特点，适用于不同脉冲宽度和不同波长的飞秒激光脉冲宽度与脉冲形状的单发测量和实时测量与监测。

主权项

1.一种自参考光谱干涉飞秒激光脉冲的实时测量方法，特征在于该方法包括下列步骤：1)、利用三阶非线性光学效应产生一阶自衍射激光束：待测激光束(1)经过分束系统分成三束激光，其中一束激光能量为总脉冲能量的5％用来测量，称为待测光束，另外两束激光能量相等并以一定的非共线夹角2°聚焦在透明非线性介质(12)上产生一阶自衍射光束，称为参考光束，该参考光束的光强I_sd1(ω_sd1)为：其中：ω_sd1、ω₁和ω_-1分别为参考光束，两束入射激光的角频率，Δk_z(ω_sd1，ω₁，ω_-1)为自衍射过程中的相位失配量，L为非线性介质(12)的厚度，2)、将所述的待测光束和参考光束调节共线并且空间重合地进入所述的高精度光谱仪(19)，以获得最大调制深度的光谱干涉条纹D(ω，τ)：D(ω，τ)＝|E_ref(ω)+E(ω)e^iωτ|²         ＝|E_ref(ω)|²+|E(ω)|²+f(ω)e^iωτ+f^*(ω)e^-iωτ其中：ω为激光角频率，S₀(ω)＝|E_ref(ω)|²+|E(ω)|²是参考光束信号光谱与待测光束信号光谱之和；是参考光束信号光谱与待测光束信号光谱的干涉项；3)、对所述的光谱干涉条纹D(ω，τ)按下列步骤进行数据处理，获得激光光谱和光谱相位：①将所述的光谱干涉条纹D(ω，τ)进行傅里叶变换到时域信号，从所述的时域信号中分别提取S₀(τ)和f(τ)；②对所述的S₀(τ)，f(τ)分别进行反傅里叶变换分别得到频域S₀(ω)和频域f(ω)；③利用所述的S₀(ω)，f(ω)，采用下列公式求参考光光谱振幅|E_ref(ω)|：|Eref(ω)|=1/2g((S0(ω)+2|f(ω)|)+(S0(ω)-2|f(ω)|))]]>和待测激光光谱振幅|E(ω)||E(ω)|=1/2g((S0(ω)+2|f(ω)|)-(S0(ω)-2|f(ω)|))]]>初步的待测激光的光谱|E(ω)|²和参考光的光谱|E_ref(ω)|²；④对所述的f(ω)进行解相运算argf(ω)，用下列公式计算待测激光的初步的光谱相位：其中，和分别为待测激光和参考光光谱相位，初始参考光光谱相位设为0，C是分束片(16)等色散光学元件引入的光谱相位常数；⑤将初步得到的激光光谱和光谱相位进行傅里叶变换，即得到待测激光脉冲的脉冲形状|E(t)|²和脉冲宽度，E(t)为E(ω)的傅里叶变换的值；⑥由于参考光相位并不一定绝对等于0，因此需要按下面的迭代方法进一步进行迭代计算，优化激光光谱和光谱相位输出，迭代方法如下：(i)利用步骤5获得的脉冲形状信号|E(t)|²，根据公式(1)的时域表达式得到参考光的时域电场形状为E(t)*|E(t)|²，对上述电场进行反傅里叶变换得到参考光光谱与参考光光谱相位(ii)将所述的参考光光谱相位代入公式：得到新的待测激光光谱相位通过傅里叶变换得到新的待测脉冲形状；(iii)、重复以上迭代步骤i和ii三次左右，即可以得到校准的待测激光光谱与光谱相位，进而得到校准的激光脉冲形状和脉冲宽度。