专利摘要

本发明涉及一种瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法及系统。该方法利用一个线性啁啾脉冲与待测脉冲在二阶非线性介质中相互作用，产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内将会出现一个强度的凹陷。带有凹陷的啁啾脉冲经过一个时间放大系统后，直接被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号；该信号被高速示波器记录；通过示波器测量凹陷的时间宽度τ’与时间放大系数M，可以得出待测脉冲的原始脉宽τ＝τ’/Μ。本发明可以对高重复频率超短脉冲序列的瞬态单脉冲时间宽度进行逐帧、实时测量，而且测量时间分别率可以达到亚皮秒量级。

权利要求

1.一种瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法，其特征在于所述方法是利用一个线性啁啾脉冲与待测脉冲在二阶非线性介质中相互作用，产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；被展宽的凹陷随啁啾脉冲一起被高速响应的光电探测器探测，并被示波器记录与测量；测量此时凹陷的时间宽度τ’，通过放大系数M，即可以获得待测脉冲的瞬态时间宽度τ＝τ’/M；

所述时间展宽是指将一个脉冲宽度为t的脉冲，经过一段二阶群速度色散量为D的色散介质后，其脉宽被拉伸至T，

同时，脉冲的形状从一个小的时间尺度(t)被放大至一个大的时间尺度(T)，其放大系数为M＝T/t。

2.根据权利要求1所述的瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法，其特征在于所述强度凹陷是指由于啁啾脉冲在与待测脉冲相互作用后，其一部分能量被转移给和频光，内部出现一个强度的凹陷，该凹陷的时间宽度在一定程度上与待测脉冲宽度呈现一一对应的关系。

3.根据权利要求2所述的瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法，其特征在于，所述线性啁啾脉冲是指在群速度色散作用下，脉冲包络内载波的频率呈线性分布。

4.根据权利要求2所述的瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法，其特征在于，所述方法对重复频率>106Hz的脉冲激光器的单脉冲瞬态时间宽度进行测量。

5.实现权利要求1-4之任一项所述瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法的系统，其特征在于，所述系统包括分束器、一维电机延时平台、反射镜、耦合器5、第一光纤、二分之一波片、合束器、聚焦透镜、和频晶体、用于脉冲时域展宽的时间放大系统、光电探测器和示波器；

由分束器对待测超短脉冲进行分束，其中透射光分别经过一维电机延时平台和二分之一波片；反射光则经过耦合器进入第一光纤，进行线性啁啾展宽；初步展宽后的啁啾脉冲与透射光共同经过合束器和透镜后聚焦于和频晶体；和频晶体发射出待测脉冲的基频光a、啁啾脉冲的基频光b以及和频光c，基频光b通过耦合器进入由时间放大系统，其输出光直接被探测器探测，并且所产生的电信号由示波器记录与测量，根据示波器所测量的凹陷的时间宽度为τ’,则可以计算出原始脉冲的宽度τ；

所述时间放大系统由一段光纤构成，该光纤需提供足够的色散量，使得光脉冲宽度可以从皮秒量级被展宽至纳秒量级。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述初步展宽后的啁啾脉冲与透射光在和频晶体上产生和频光，此过程中，啁啾脉冲在其与被测脉冲重合处的能量被转移给和频光，从而啁啾脉冲的相应部位出现一个强度的凹陷。

说明书

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及的是超快超短激光脉冲宽度测量技术。

背景技术

超短激光脉冲为研究超快物理现象、探索化学分子能级结构等基础物理以及工业加工等应用领域提供了理想光源。它的脉冲宽度极窄，只有几个皮秒(10^-12s)甚至达到飞秒量级(10^-15s)，可以实现极高的峰值功率密度，所以可以被用于揭示物质内部微观动力学与超快时间演化过程。然而基于飞秒脉冲的科学研究(如飞秒化学、超快非线性光学等)的前提是对脉冲时间宽度的精确甚至是高速测量。

目前实现超短激光脉冲宽度测量的技术主要有以下几种。

1、直接测量法。该技术是通过高速示波器或者条纹相机等来实现的。目前国际上已有两种皮秒量级分辨率的可直接测量脉冲宽度的仪器，一种是高速示波器，例如美国Tek公司的采样示波器。它是利用上升时间小于30ps的光电二极管作采样探头，可直接观察波形，实现对周期光脉冲信号的测量，高速示波器的时间分辨率可以达到的数量级为～100ps。但是，这种方法受限于探测器与示波器的时间分辨率，无法实现超短脉冲(<10ps)的测量。另一种是高速条纹相机，主要针对脉宽在～100ps数量级以下的超短脉冲。它是通过高压扫描、偏转放大被测光脉冲信号，得到光脉冲的条纹图像，摄得的条纹长度与脉冲宽度有关，与条纹的反差代表光脉冲强度的变化，用微密度计读出底片上条纹密度的变化，就可以得到一根再现出来的光脉冲波形曲线，高速条纹相机最高时间分辨率为2ps。但是条纹相机本身价格昂贵，更重要的是，因其更新速率慢(kHz以下)，无法实现对高重复频率(>100MHz)脉冲的瞬态单脉冲测量。

2、二阶自相关法。该技术是利用脉冲本身对自己进行异步光学采样，通过二阶非线性过程产生包含了脉冲时间包络信息的光学或电学信号，从而实现对脉冲宽度的测量。类似的方法还有基于双光子吸收效应的双光子吸收测量方法。此类方法的测量时间分辨率高，可达<10fs；但是，其测量速度慢，一方面受限于时间延时线的机械扫描速度，另一方面受限于其自身脉冲光学采样的时间积分式测量方式，因此无法实现对单个脉冲的脉宽测量。

3、频率分辨光学开关法(FROG)。在该技术中，待测光束分束后，彼此引入不同的时间延迟，再共同作用于非线性光学介质，并产生一个关于时间与延迟的脉冲信号，通过光谱仪与CCD记录强度随频率与时间延迟的变化图形，即可得到FROG光谱图；经过脉冲迭代算法后，可以从光谱图中读取脉冲的时间宽度与相位等信息。但由于迭代过程相当复杂，需要大量的运算时间，因此FROG很难被用于对高重复频率脉冲的实时测量，同时FROG测量时需要光学多通道分析仪来采集二维的光谱图像，成本较高。

4、自参考光谱位相相干电场重建法(SPIDER)。该技术是把待测光脉冲的位相分布通过光谱位相干涉的形式表现为空间干涉条纹的强度，然后通过对干涉图的计算来得到脉冲的位相分布。这种方法能够给出比较真实的脉冲位相信息，但仍然不能给出单脉冲的时间宽度信息。

此外，时间拉伸的瞬态傅里叶变换光谱技术可以对单个脉冲的脉宽进行测量。但是该技术对脉冲测量的前提是，被测脉冲处于其傅里叶变化极限状态，即脉冲的啁啾量为零，或者说脉冲的脉宽与其光谱形状为傅里叶变化关系。然而，实际中绝大多数的超短脉冲激光器输出的脉冲都存在或多或少的啁啾量，因此并不能被该方法准确测量。

综上所述，虽然测量超短激光脉冲宽度的方法有很多，但是在脉宽的实时高速测量方面都或多或少的存在着不足与缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法及系统，可以实现对高重复频率(>10⁶Hz)脉冲激光器的单脉冲瞬态时间宽度进行测量。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

本发明一方面提供一种瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法，其利用一个线性啁啾脉冲与待测脉冲在二阶非线性介质中相互作用，产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；被展宽的凹陷随啁啾脉冲一起被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号；该信号被示波器记录并测量，由测量到的凹陷的时间宽度τ’，通过时间放大系数M，即可以获得待测脉冲的瞬态时间宽度τ＝τ’/M。

所述的线性啁啾脉冲是指在群速度色散作用下，脉冲包络内载波的频率呈线性分布。

本发明中，具体地，一个超短脉冲在色散介质(如光纤)内传输时，由于色散效应使得脉冲中高频分量向脉冲前沿(或者后延)移动，低频分量向脉冲后沿(或者前延)移动，形成啁啾脉冲。

所述的时间展宽是指一个具有强线性色散效应的光学脉冲啁啾过程。

具体地，一个脉冲宽度为t的脉冲，在经过一段二阶群速度色散量为D的色散介质后(例如，5公里长的单模光纤)，在色散作用下其在时间尺度上被拉伸，此时对应的脉宽T，

因此，在该过程中，脉冲在时间域被拉伸，同时脉冲的形状从一个小的时间尺度(t)被放大至一个大的时间尺度(T)，其放大系数为M＝T/t。通常情况下，M＝10³(例如，t＝10^-11s，T＝10^-8s)。

所述的强度凹陷是指由于啁啾脉冲在与待测脉冲相互作用后，其一部分能量被转移给了和频光信号，因此其内部会出现一个凹陷。该凹陷的时间宽度在一定程度上与待测脉冲宽度呈现一一对应关系，由于其时间尺度在皮秒量级及以下，因此无法被光电探测器直接探测。时间放大系统可以将具有凹陷的啁啾脉冲进行时间展宽。此时，被展宽的凹陷随着啁啾脉冲一起可以被探测器响应，并被示波器记录。测量此时凹陷的时间宽度τ’，通过放大系数M，即可以获得待测脉冲的瞬态时间宽度τ＝τ’/M。

这里所述的一定程度，是指快速的强度变化(如皮秒量级，10^-12s，的强度凹陷)会对啁啾脉冲本身的光谱产生调制，致使啁啾脉冲发生非线性形变。但是由于非线性晶体的和频效率有限(例如，<10％)，其所产生的凹陷本身远远小于啁啾脉冲的强度，因此这种快速强度变化引入的脉冲形变可以被忽略。

原则上，如果探测器与示波器的时间分辨率为T_R，在放大系数M的作用下，该方案可以测量的原脉冲宽度的最小值(或分辨率)为t_R，

t_R＝T_R/M。

以时间分辨率为100ps的光电测量系统为例，该方法可以获得的测量分辨率为100fs。

本发明另一方面提供一种瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量系统，该系统的实现形式如下：系统包括分束器、一维电机延时平台、反射镜、耦合器、光纤、二分之一波片、合束器、聚焦透镜、和频晶体、时间放大系统、光电探测器和示波器。

由分束器对被测超短脉冲进行分束，其中透射光分别经过一维电机延时平台和二分之一波片；反射光则经过耦合器进入一段光纤，进行线性啁啾展宽；初步展宽后的啁啾脉冲与透射光共同经过合束器和透镜后聚焦于和频晶体。此时，和频晶体发射出待测脉冲的基频光a、啁啾脉冲的基频光b以及和频光c。基频光b通过耦合器进入由一段长光纤构成的时间放大系统，其输出光直接被探测器探测，并且所产生的电信号由一台示波器记录与测量。根据示波器所测量的凹陷的时间宽度为τ’,则可以计算出原始脉冲的宽度τ。

本发明的优点是不需要复杂的光学和电路结构，即可获得具有实时性、连续的单帧光脉冲时域瞬态信息；并且测量的更新速度快，可以对高重复频率脉冲进行逐个脉冲测量。因此本发明提供了一种克服电子设备采样速度和带宽限制，实现连续、超快、逐帧采集光信号的方法及系统，为超快激光的基础研究和新技术的发展提供了一种新的高速和高时间分辨的技术途径。

附图说明

图1为瞬态超短脉冲时间宽度的高速测量方法的原理图；

图2为实施例的装置图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

参见图1，瞬态超短脉冲时间宽度的高速测量方法的原理如下：其是利用一个线性啁啾脉冲与待测脉冲在二阶非线性介质中相互作用，产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；被展宽的凹陷随啁啾脉冲一起被高速响应的光电探测器探测，并输出高频电脉冲信号；该信号被高速示波器记录并测量，由测量到的凹陷的时间宽度τ’，通过时间放大系数M，即可以获得待测脉冲的瞬态时间宽度τ＝τ’/M。

本实施例采用上述方法，针对一台锁模光纤激光器1进行测量，激光器参数如下：重复频率为100MHz，中心波长1030nm，平均输出功率100mW，脉冲宽度2ps。

本实施例采用图2所示的测量系统，该系统包括分束器2、一维电机延时平台3、反射镜4、光纤耦合器5、光纤6、二分之一波片7、合束器2’、聚焦透镜8、和频晶体9、单模光纤系统10、高速光电探测器11和一台高速示波器12。

待测光脉冲经过分束器2之后被分成两路，其中一路经过反射镜4、耦合器5进入一段长度为50m的单模保偏光纤6并通过另一个耦合器5输出；另一路光经过反射镜4、一个延时器3和一个1/2波片7，再经过另一反射镜4。两路光经过合束器2’后被透镜8(焦距f＝5cm)聚焦于和频晶体9(I类相位匹配的倍频/和频晶体)。其中，可以通过延时器和波片对一路光的延时和偏振态进行调节，从而使得两路光的偏振态一直，并且时间重合。两路光(啁啾脉冲b和被测脉冲a)在晶体上产生和频信号光c。此过程中，啁啾脉冲b在其与被测脉冲a重合处的能量被转移给和频光c，从而啁啾脉冲b的相应部位出现一个强度的凹陷。带有凹陷的啁啾脉冲经过耦合器后被注入一段长度为500m的单模光纤系统10(即时间放大系统)，并被探测器11响应，探测信号被示波器12所记录。探测器的响应带宽为40GHz，示波器的带宽为33GHz，采样频率为80GS/s。示波器所测量的凹陷的时间宽度为τ’,则可以计算出原始脉冲的宽度τ为：

τ＝τ’/Μ。

其中，M是时间放大系数，是通过高速光电探测器与示波器，测量啁啾脉冲经过时间放大系统(即500m的单模光纤)前后的时间宽度t与T计算所得(M＝T/t)。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种瞬态超短脉冲时间宽度的实时测量方法及系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。