基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置和方法

1.本发明涉及超短脉冲的时空三维复振幅单次测量，超短脉冲空间相位和光谱相位单次曝光测量以及时空耦合，尤其对于超快脉冲复杂波前分布的波前测量。


背景技术：

2.对超短脉冲特性表征需要得到或者四维信息，一般光谱相位的测量方法有frog(frequency resolved optical gating)，spider(spectral-phase interferometry for direct electric-field reconstruction)和离散扫描等方法，但是对于时空特性的测量需要结合空间相位测量技术。例如shackled frog和hamster(hartmann-shack assisted，multidimensional，shaper-based technique for electric-field reconstruction)技术与哈特曼传感器结合可以实现空间-光谱相位的测量，但是需要扫描。另外，(striped fish)spatially and temporally resolved intensity and phase evaluation device：full information from a single hologram结合全息技术可以实现单次曝光的空间-光谱相位测量，但是该方法需要引入参考光束。本发明提出一种基于波长分光的单次曝光相位恢复装置和方法，该方法不需要引入参考光束，可以单次重建出m个波长的波前复振幅分布，结合其他光谱相位测量技术，可以实现单次曝光超短脉冲的空间-光谱相位测量，即或具有装置简便，分辨率高，稳定性高等优点。


技术实现要素：

3.本发明针对超短脉冲单次曝光时空耦合特性测量的局限性，提出一种基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置和方法，利用波前分束模块将波前分为不同角度的出射光，然后经过窄带滤光片，不同角度的出射光的波长不同，经过调制器后，最终在探测器不同位置记录不同波长的衍射光斑。利用相位恢复算法可以将不同波长对应的波前空间复振幅重建。结合时间相位测量方法，可以实现超短脉冲的时空相位测量。
4.本发明的技术解决方案如下：
5.一种基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置，其特征在于，包括：
6.波前分束模块，用于将待测光束按能量比q1∶q2分束，q1和q2根据需求确定；
7.光栅分束模块，用于将分束后的待测光束分为不同角度的子光束；
8.波长选通模块，使不同角度的子光束通过不同的窄带波长；
9.波前调制模块，用于对待测波前进行波前调制；
10.探测器模块，用于记录经过波前调制模块调制后波前的光强。
11.时间相位测量模块，用于测量超短脉冲时间相位分布；
12.控制及数据处理模块，用于控制探测器模块，及时记录衍射光斑，并存储衍射光斑，对数据进行处理。
13.所述的基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置，其特征在于，在所述波前分束模块之前同光轴设有激光器模块，该激光器模块为超短脉冲光源。
14.所述的基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置，其特征在于，激光器模块产生啁啾脉冲光束还包括：色散棱镜a和色散棱镜b，用于产生空间啁啾脉冲。
15.激光器模块产生的脉冲光束，经过色散棱镜a和色散棱镜b之后生成啁啾脉冲作为系统的待测光束。
16.所述的基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置，其特征在于，在所述的波前分束模块和光栅分束模块之间，沿光路还依次设有色散透镜a和色散透镜b，用于产生空间啁啾脉冲。
17.所述的基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置，其特征在于，所述的光栅分束模块为振幅型或相位型二维光栅。
18.所述的基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置，其特征在于，所述的波前调制模块为二元台阶相位波前调制器、三元台阶相位波前调制器、十元台阶相位波前调制器、连续相位调制器、连续振幅相位调制器或纯振幅型波前调制器。
19.所述的基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置进行单次曝光超短脉冲时空测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
20.步骤1)标定波前调制模块对某一波长的复振幅透过率函数tm，m表示为光栅不同的衍射级次，m＝1，2，3..m；
21.步骤2)波前调制模块之前的光束复振幅分布，初始猜测公式如下：
22.oguessm＝aguessm·
(rand(nx，ny)
·
exp(i
·
rand(nx，ny)
·
π))m23.式中，aguessm为第m个衍射级次的振幅系数，rand(nx，ny)为产生nx行，ny列的随机矩阵，nx和ny分别是运算数据矩阵的行和列；
24.步骤3)控制及数据处理模块波前迭代计算过程：
25.①
前向传播过程：初始猜测波前oguessm经过波前调制模块后变为波前：pm＝oguessm·
tm，然后波前pm传播至探测器模块得到波前其中表示波前的前向传播过程，l为传播距离，l
34
为波前调制模块(4)与探测器模块(5)之间的距离；
26.由探测器模块记录的衍射光斑ia，对衍射光斑ia分割为不同波长对应的衍射光斑im＝cut(ia)，cut()为分割操作；
27.控制及数据处理模块对波前ipm进行更新：ip
′m＝im·
exp(i
·
angle(ipm))，并计算估计衍射光斑与记录衍射光斑之间的误差rms，公式如下：
28.rms＝sum(im)/(sum(ip
′
m2
)-sum(im))229.其中，sum为对矩阵中所有元素进行求和，angle为对波前取相位操作；
30.②
后向传播过程：更新后的波前ip
′m后向传播至波前调制模块得到波前其中表示后向传播过程，l为传播距离；
31.利用以下更新公式得到波前调制模块(4)前的波前为：
32.oguess
′m＝oguessm conj(tm)/max(conj(tm)
·
tm)
·
(p
′
m-pm)
33.将更新后的波前oguess
′m传播至焦点面，得到焦点面波前施加孔函数更新焦点面波前为：f
′m＝fm·rm
，其中rm为第m个波前对应的孔函数；然后将f
′m传播至波前调制模块之前得到调制模块前的波前
34.用更新后的波前um代替初始猜测波前oguessm，进行下一次迭代，直到误差rms小于预定值结束迭代过程，得到每个波长对应波前调制模块之前的波前分布，将波前进行传播可以得到其他位置不同波长待测光束的空间相位分布，表示为n＝1，2，3，...n。
35.步骤4)：由时间相位测量模块可以测量得到不同时间对应的复振幅，其复振幅表示为结合步骤3)中得到的n＝1，2，3，...n，可以将n个实现时空耦合，得到待测脉冲的波前分布
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法不需要引入参考光束，可以单次重建出m个波长的波前复振幅分布，结合其他光谱相位测量技术，可以实现单次曝光超短脉冲的空间-光谱相位测量。具有装置简便，分辨率高，稳定性高等优点。
附图说明
37.图1基于空频复用的单次曝光超短脉冲时空测量装置；
38.图2基于超短脉冲光源的空频复用单次曝光时空测量装置；
39.图3基于超短脉冲光源的棱镜色散单次曝光时空测量装置；
40.图4基于超短脉冲光源的色散透镜单次曝光时空测量装置；
具体实施方式
41.针对不同种类的测量要求，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
42.实施例1
43.如图3基于超短脉冲光源的棱镜色散单次曝光时空测量装置，包括：波前分束模块(1)，将待测光束按能量比q1∶q2分束，q1和q2根据需求确定；光栅分束模块(2)，用于将待测光束分为不同角度的子光束；波长选通模块(3)，用于将不同角度的子光束通过不同的窄带波长；波前调制模块(4)，用于对待测波前进行波前调制；探测器模块(5)，用于记录经过波前调制模块(4)调制后波前的光强；时间相位测量模块(6)，用于测量超短脉冲时间相位分布，例如frequency resolved optical gating(frog)或者spectral-phase interferometry for direct electric-field reconstruction(spider)等测量装置；控制及数据处理模块(7)，用于控制探测器模块(5)，及时记录衍射光斑，并存储衍射光斑，对数据进行处理。
44.激光器模块(8)采用的为30飞秒脉宽，780-820nm带宽的飞秒高重频脉冲激光器。
45.产生啁啾脉冲光束包括：色散棱镜a(9)，用于产生空间色散。色散棱镜b(10)，配合色散棱镜a(9)产生啁啾脉冲。色散棱镜采用对称的石英直角棱镜。
46.经过扩束后的待测飞秒脉冲经过色散棱镜a(9)和色散棱镜b(10)之后生成啁啾脉冲作为系统的待测光束。
47.光栅分束模块(2)：分束角度为3
°
的6
×
6二维达曼光栅。
48.波长选通模块(3)采用的为800nm窄带滤光片。
49.波前调制模块(4)为二元台阶相位波前调制器，对透过波长选通模块(3)的波前进行调制。
50.实施例2
51.如图4基于超短脉冲光源的色散透镜单次曝光时空测量装置，包括：波前分束模块(1)，将待测光束按能量比q1∶q2分束，q1和q2根据需求确定；光栅分束模块(2)，用于将待测光束分为不同角度的子光束；波长选通模块(3)，用于将不同角度的子光束通过不同的窄带波长；波前调制模块(4)，用于对待测波前进行波前调制；探测器模块(5)，用于记录经过波前调制模块(4)调制后波前的光强；时间相位测量模块(6)，用于测量超短脉冲时间相位分布，例如frequency resolved optical gating(frog)或者spectral-phase interferometry for direct electric-field reconstruction(spider)等测量装置；控制及数据处理模块(7)，用于控制探测器模块(5)，及时记录衍射光斑，并存储衍射光斑，对数据进行处理。
52.激光器模块(8)采用的为30飞秒脉宽，780-820nm带宽的飞秒高重频脉冲激光器。
53.产生啁啾脉冲光束还包括：色散透镜a(11)和色散透镜b(12)，用于产生空间色散。激光器模块(8)产生的脉冲光束，经过色散透镜a(11)和色散透镜b(12)之后生成啁啾脉冲作为系统的待测光束。
54.光栅分束模块(2)：分束角度为3
°
的6
×
6二维达曼光栅。
55.波长选通模块(3)采用的为800nm窄带滤光片。
56.波前调制模块(4)为二元连续相位波前调制器，对透过波长选通模块(3)的波前进行调制。
57.实施例1与实施例2所述的基于波长分光的单次曝光相位恢复装置，其方法特征在于该方法包括下列步骤：
58.步骤1)标定波前调制模块(4)对某一波长的复振幅透过率函数tm，m表示为光栅不同的衍射级次，m＝1，2，3..m；
59.步骤2)波前调制模块(4)之前的光束复振幅分布，初始猜测公式如下：
60.oguessm＝aguessm·
(rand(nx，ny)
·
exp(i
·
rand(nx，ny)
·
π))m61.式中，aguessm为第m个衍射级次的振幅系数，rand(nx，ny)为产生nx行，ny列的随机矩阵，nx和ny分别是运算数据矩阵的行和列；
62.步骤3)控制及数据处理模块(7)波前迭代计算过程：
63.①
前向传播过程：初始猜测波前oguessm经过波前调制模块(4)后变为波前：pm＝oguessm·
tm，然后波前pm传播至探测器模块(5)得到波前其中表示波前的前向传播过程，l为传播距离，l
34
为波前调制模块(4)与探测器模块(5)之间的距离；
64.由探测器模块(5)记录的衍射光斑ia，对衍射光斑ia分割为不同波长对应的衍射光斑im＝cut(ia)，cut()为分割操作；
65.控制及数据处理模块(7)对波前ipm进行更新：ip
′m＝im·
exp(i
·
angle(ipm))，并计算估计衍射光斑与记录衍射光斑之间的误差rms，公式如下：
66.rms＝sum(im)/(sum(ip
′
m2
)-sum(im))267.其中，sum为对矩阵中所有元素进行求和，angle为对波前取相位操作；
68.②
后向传播过程：更新后的波前ip
′m后向传播至波前调制模块(4)得到波前其中表示后向传播过程，l为传播距离；
69.利用以下更新公式得到波前调制模块(4)前的波前为：
70.oguess
′m＝oguessm conj(tm)/max(conj(tm)
·
tm)
·
(p
′
m-pm)
71.将更新后的波前oguess
′m传播至焦点面，得到焦点面波前施加孔函数更新焦点面波前为：f
′m＝fm·rm
，其中rm为第m个波前对应的孔函数；然后将f
′m传播至波前调制模块(4)之前得到调制模块(4)前的波前
72.用更新后的波前um代替初始猜测波前oguessm，进行下一次迭代，直到误差rms小于预定值结束迭代过程，得到每个波长对应波前调制模块(4)之前的波前分布，将波前进行传播可以得到其他位置不同波长待测光束的空间相位分布，表示为n＝1，2，3，...n。
73.步骤4)：由时间相位测量模块(6)可以测量得到不同时间对应的复振幅，其复振幅表示为结合步骤3)中得到的n＝1，2，3，...n，可以将n个实现时空耦合，得到待测脉冲的波前分布