一种基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法

1.本发明涉及激光脉冲测试技术，具体涉及一种基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，飞秒激光目前已经广泛应用于生物医学、超精密加工、信息科学等领域，作为更精确、更准、更快的工具，为上述领域提供了全新的技术手段，解决了一些固有难题，成为学科交叉融合的重要方向。目前，超快飞秒激光器已经十分成熟，波长可涵盖从紫外到中红外波段，但如何对不同波段的飞秒激光脉冲进行全方位的诊断，仍是一个十分具有挑战且重要的研究内容。
3.激光的脉冲特性在时间域通常包括波长、脉宽、相位等信息，在空间域通常包含光斑质量、发散角等，此外还有能量、重复频率等信息。不同的脉冲特性需要使用不同的仪器进行测量，其中时间域的特性测量尤为复杂，对于超快激光脉冲，国际上通常使用频率分辨光学开关法与光谱位相相干直接电场重建法，这两种方法都需要利用相位匹配的非线性效应来重建波长与电场信息，受到相位匹配机制的限制，使得非线性晶体能够响应的波长带宽受限，对于不同波长的激光脉冲进行测量，需要更换特殊设计的非线性晶体，从而操作难度增大，不具备普适性。


技术实现要素：

4.本发明目的是解决现有激光的脉冲特性测量受到相位匹配机制的限制，使得非线性晶体能够响应的波长带宽受限；同时，对于不同波长的激光脉冲的测量需要更换特殊设计的非线性晶体，使操作难度增大的技术问题，而提供一种基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量装置及方法。
5.本发明利用荧光的多光子效应来替代相位匹配的非线性效应，由于荧光的产生机制与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以并没有激光波长带宽的限制。本发明方法操作简单、测量精度高、探测波长宽、探测信息全面。
6.本发明的技术方案为：
7.一种基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量装置，其特殊之处在于：包括激光器、第一分束片、第二分束片、第三分束片、第一反射镜、第二反射镜、延时线、尖劈对、凹面银镜、荧光晶体、聚焦镜以及ccd；
8.所述第一分束片设置在激光器的激光输出光路上，用于将激光分成透射光和反射光；其中，反射光作为参考光；
9.所述第三分束片、第二反射镜依次设置在参考光光路上，用于将参考光入射至凹面银镜上；
10.所述第二分束片设置在透射光光路上，用于将透射光分成基频光与信号光，信号光为透射形成，基频光为反射形成；
11.所述第一反射镜设置在基频光光路上，用于将基频光入射至尖劈对上；
12.所述延时线设置在信号光光路上，用于将信号光入射至尖劈对上；
13.所述基频光和信号光同时到达尖劈对，尖劈对用于将基频光和信号光进行合束，并将合束光入射至凹面银镜上；
14.经凹面银镜聚焦后的参考光和合束光依次经过荧光晶体、聚焦镜和ccd；
15.所述荧光晶体用于对反射光和合束光产生荧光；
16.所述聚焦镜用于将荧光聚焦至ccd上进行成像。
17.进一步地，激光器为中心波长为1.3μm的飞秒激光器。
18.进一步地，所述延时线由第三反射镜和第四反射镜放置在压电陶瓷上组成。
19.进一步地，所述荧光晶体为氧化锌、金刚石、熔石英、氧化镁、单晶硅中的一种。
20.进一步地，所述荧光晶体为氧化锌。
21.进一步地，所述氧化锌厚度为200μm。
22.进一步地，所述第一分束片、第二分束片、第三分束片均为50％分束片；
23.所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜均为高反镜，反射率大于99％；
24.所述凹面银镜焦距为100mm；
25.所述聚焦镜焦距为40mm；
26.所述ccd为硅基的可见光相机。
27.同时，本发明还提出一种基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量方法，基于前面所述的装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
28.步骤1)激光器发出待测激光，经过第一分束片后分为反射光和透射光；其中，反射光作为参考光；
29.步骤2)参考光经过第三分束片以及第二反射镜入射到凹面银镜上；参考光经凹面银镜聚焦至荧光晶体产生荧光，记为第一荧光，第一荧光通过聚焦镜最终成像在ccd上形成光斑，记为为第一荧光光斑；
30.透射光通过第二分束片分为基频光与信号光，信号光为透射形成，基频光为反射形成；基频光经过第一反射镜，信号光经过延时线，随后同时入射至尖劈对上，尖劈对将基频光与信号光进行合束后入射到凹面银镜上，合束光经凹面银镜再聚焦至荧光晶体产生荧光，记为第二荧光，第二荧光通过聚焦镜最终成像在ccd上形成光斑，记为为第二荧光光斑；
31.步骤3)通过移动延时线，对基频光与信号光在不同延时下的不同重合度的第二荧光光斑进行采样；
32.步骤4)将步骤3)得到的不同重合度的第二荧光光斑强度与第一荧光光斑强度进行差分，获得在不同延时下的荧光强度，并输出不同延时下得到的荧光强度曲线；
33.步骤5)利用多光子的微扰理论，对荧光强度曲线进行反演计算，获得待测激光的波长、相位和脉冲宽度。
34.进一步地，步骤2)中，所述荧光晶体为氧化锌；
35.所述延时线由第三反射镜和第四反射镜放置在压电陶瓷上组成。
36.进一步地，步骤1)中，所述第一分束片为50％分束片；
37.步骤2)中，所述第二分束片、第三分束片均为50％分束片，所述第一反射镜、第二
反射镜均为高反镜且反射率大于99％，所述凹面银镜焦距为100mm，所述聚焦镜焦距为40mm，所述ccd为硅基的可见光相机；
38.所述氧化锌厚度为200μm；
39.所述第三反射镜和第四反射镜均为高反镜且反射率大于99％。
40.本发明的有益效果：
41.1、本发明利用荧光的多光子效应来替代相位匹配的非线性效应，由于荧光的产生机制与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以没有激光波长带宽的限制。
42.2、本发明利用荧光的多光子效应来替代相位匹配的非线性效应，对于不同波长的激光脉冲的测量无需更换非线性晶体，简化了操作流程，且测量准确、高效。
43.3、本发明方法操作简单、测量精度高、探测波长宽、探测信息全面。
附图说明
44.图1是本发明基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量装置的光路示意图；
45.图2是本发明实施例得到的荧光光斑；
46.图3是本发明实施例在不同延时下得到的荧光强度；
47.图4是本发明实施例获得的待测激光的波长与光谱相位；
48.图5是本发明实施例获得的待测激光脉宽。
49.附图标记说明：
50.1-激光器，2-第一分束片，3-第三分束片，4-第二反射镜，5-第二分束片，6-第一反射镜，7-第三反射镜，8-第四反射镜，9-延时线，10-尖劈对，11-凹面银镜，12-荧光晶体，13-聚焦镜，14-ccd。
具体实施方式
51.下面通过附图和实施例对本发明进行详细的描述。
52.如图1所示，本发明一种基于荧光调制采样的激光脉冲特性测量装置，包括激光器1、第一分束片2、第二分束片5、第三分束片3、第一反射镜6、第二反射镜4、延时线9、尖劈对10，凹面银镜11、荧光晶体12、聚焦镜13以及ccd14。荧光晶体12为氧化锌、金刚石、熔石英、氧化镁、单晶硅中的一种，也可以使用其他能产生荧光的晶体，不同材料荧光波长都不一样。本实施例中采用荧光晶体为200μm厚的氧化锌，产生的荧光为390nm。本实施例中第一分束片2、第二分束片5、第三分束片3均为50％分束片；第一反射镜6、第二反射镜4、第三反射镜7和第四反射镜8均为高反镜，反射率大于99％；凹面银镜11焦距为100mm；聚焦镜13焦距为40mm；相机ccd14为硅基的可见光相机。
53.第一分束片2设置在激光器1的激光输出光路上，用于将激光分成透射光和反射光；其中，反射光为参考光。本实施例中激光器1为中心波长在1.3μm的飞秒激光器。第三分束片3、第二反射镜4依次设置在参考光光路上，用于将参考光入射至凹面银镜11上；参考光经凹面银镜11聚焦至荧光晶体12产生荧光，产生的荧光通过聚焦镜13成像在可见光相机上形成荧光光斑。
54.第二分束片5设置在透射光光路上，用于将透射光分成基频光与信号光，其中，信
号光为透射形成，基频光为反射形成；第一反射镜6设置在基频光光路上，用于将基频光入射至尖劈对10上；延时线9设置在信号光光路上，用于将信号光入射至尖劈对10上；延时线9由第三反射镜7和第四反射镜8放置在压电陶瓷上组成。经过第一反射镜6后的基频光和经过延时线9后的信号光同时到达尖劈对10，尖劈对10将基频光和信号光进行合束，并将合束光入射至凹面银镜11上，合束光经凹面银镜11聚焦至氧化锌荧光晶体产生荧光，产生的荧光通过聚焦镜13成像在可见光相机上形成荧光光斑。
55.本发明还提供了基于上述装置测量激光脉冲特性的方法，包括以下步骤：
56.步骤1)激光器1发出待测激光，经过第一分束片2后分为反射光和透射光；其中，反射光作为参考光；本实施例中激光器采用中心波长为1.3μm的飞秒激光器。
57.步骤2)参考光经过第三分束片3以及第二反射镜上4入射到凹面银镜11上；参考光经凹面银镜11聚焦至荧光晶体12产生荧光，记为第一荧光，第一荧光通过聚焦镜13最终成像在可见光相机上形成光斑，记为为第一荧光光斑。
58.透射光通过第二分束片5分为基频光与信号光，信号光为透射形成，基频光为反射形成。基频光经过第一反射镜6，信号光经过延时线9，随后同时入射至尖劈对10上；尖劈对10将基频光与信号光进行合束后入射到凹面银镜11上；合束光经凹面银镜11再聚焦至荧光晶体12产生荧光，记为第二荧光，第二荧光通过聚焦镜13最终成像在可见光相机上形成光斑，记为为第二荧光光斑。其中，尖劈对基本不吸收透射的基频光，而信号光经过尖劈对反射后的能量在千分之一到百分之一范围内。在氧化锌荧光晶体上时，参考光与基频光的能量比为1:1，信号光能量为其他两束光的千分之一到百分之一。可见光相机采集得到的第一荧光光斑和第二荧光光斑如图2所示。
59.步骤3)通过移动延时线9，对基频光与信号光在不同延时下的不同重合度的第二荧光光斑进行采样。
60.步骤4)将步骤3)得到的不同重合度的第二荧光光斑强度与第一荧光光斑强度进行差分，最终获得在不同延时下的荧光强度，并输出不同延时下得到的荧光强度曲线，如图3所示。
61.步骤5)利用多光子的微扰理论，对荧光强度曲线进行反演计算，获得待测激光的波长及其相位，波长范围为1.2-1.5μm，相位小于10rad，如图4所示；待测激光的脉冲宽度37fs，如图5所示。利用此理论，需要待测激光的波长大于荧光波长的2.5倍，此实验中，氧化锌带隙荧光波长为390nm，所以波长大于975nm的激光脉冲都可以测量其脉冲特性。