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专利名称：双光路去噪声载波-包络相位测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超短激光脉冲，是一种用于超短激光脉冲载波一包
络相位(Carrier-Envelope Phase,简称为CEP)抖动的精确测量的双光路去 噪声载波一包络相位测量装置。
背景技术：
激光脉冲不断向更短更强的方向发展，脉冲宽度已经突破飞秒进入 阿秒时代。但是，当激光脉冲短到周期量级，电场载波和包络的相位就 不能看作是一致的了。要获得更有意义的单个阿秒脉冲，必须使种子激 光的CEP稳定在一定的范围内。
目前，国际上大多采用单光路的CEP测量装置来对较大能量低重复 率激光脉冲进行测量(参见在先技术[l]Masayuki Kakehata等， "Single-shot measurement of carrier-envelope phase changes by spectral interferometry"，Optic Letters Vol,26,No.l8,1436-1438(2001))。它的方法是 超短脉冲射入光子晶体光纤(或白宝石)光谱展宽获得超连续白光。倍 频晶体对白光中的低频成分倍频，然后将倍频光与白光的高频成分进行 干涉，得到带有CEP信息的干涉条纹，用连接在电脑上的光谱仪记录一 段时间内的条纹信息，对条纹信息进行数据处理即可得到这段时间内 CEP的抖动情况。具体光路图参见图2，入射光经过凸透镜14聚焦打在白 宝石15上，出射的展宽光经过凸透镜16准直，依次射入偏硼酸钡 (P-BaB20，以下简称为BBO)晶体17和格兰棱镜18，经过倍频和偏振 选择完成干涉，最后打到光谱仪12的狭缝中，计算机13与光谱仪12相连， 对干涉条纹实时采集。它的光路设计简单紧凑，在不考虑环境影响时， 引入的误差较小。但是这种单光路测量技术的缺点在于
1、由于基频成分和倍频成分是在同一束光中，仅靠转动格兰棱镜调 节它们的相对强度，可调节的范围�。�调节难度大，相对倍频成分和展 宽的成分往往太少，得到的干涉条纹不够清晰。2、 这种测量方法对周围环境的稳定性要求很高，要求光学平台、镜 架非常稳定，入射光强的抖动也会引入测量误差，给测量带来困难。
3、 当变换波长时，由于无法引入连续变化的光程差，这种单光路的
测量方法需要长时间的试验才能找到所需要的条纹。对于可调谐入射光
源，如我们所用的可调谐光参量放大(Optical Parametric Amplification, 简称为OPA)系统，这种方法的实用性很差。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的问题，' 提出一种双光路去噪声载波一包络相位测量装置，该装置应具有干涉条 纹清晰、测量方便、快捷、准确的特点。
本实用新型的技术解决方案如下
一种双光路去噪声载波一包络相位测量装置，'特征是其构成包括 沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜、白宝石片、第二透镜和第 一分束片，该第一分束片将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射 光束，经延时器延时后被第二分束片反射；所述的反射光束由第一反射 镜反射后经第三透镜、BBO晶体、第四透镜，被第二反射镜反射，透 过所述的第二分束片，与该第二分束片的反射光束合并成一束，射入光 谱仪的狭缝中，该光谱仪与计算机连接，所述的白宝石片位于第一透镜 的焦点，所述的BBO晶体位于所述的第三透镜的焦点后1厘米，所述 的第一分束片、第二分束片、第一反射镜和第二反射镜与射入的光束呈 45° 。
本实用新型的测量原理如下
采用双光路测量方法，将展宽光分为两束，其中一束的低频成分倍 频后与另一束的高频成分干涉，通过转动倍频晶体可以方便地调节两路
4的相对光强从而得到比较清晰的干涉条纹。在连续变化波长的情况下， 通过调节延时器改变两路光的光程差，能够很快地找到的，节省了大量 时间。而且通过同时测量两路展宽光的干涉条纹来消除光程抖动引入的 误差，在实验上取得了很好的效果。 本实用新型的优点-
1、 本实用新型采用双光路，与单光路载波一包络相位测量装置相比， 它可以方便的调节相对光强，从而得到清晰的干涉条纹，便于数据处理。
2、 本实用新型中两束光的光程差可以由延时器进行调节，方便对不 同波长的激光进行测量，更具有实用性和快捷性。
3、 本实用新型可以部分消除由于光强抖动所引起的测量误差，更具 有准确性。
总之，本实用新型方具有干涉条纹清晰、测量便、快捷、准确的特点。


图1为本实用新型双光路去噪声载波一包络相位测量装置结构示意图。
图2为现有的单光路载波包络一相位测量装置示意图。
图3是我们在搭建的可调谐OPA系统上测得的一组试验数据。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限 制本实用新型的保护范围。
先请参阅图l，图1为本实用新型双光路去噪声载波一包络相位测
量装置结构示意图。由图可见，本实用新型双光路去噪声载波一包络相
位测量装置，其构成包括沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜
1、白宝石片2、第二透镜3和第一分束片4，该第一分束片4将激光分 为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器5延时后被第二分 束片11反射；所述的反射光束由第一反射镜6反射后经第三透镜7、BB0晶体8、第四透镜9，被第二反射镜10反射，透过所述的第二分束
片11，与该第二分束片11的反射光束合并成一束，射入光谱仪12的
狭缝中，该光谱仪12与计算机13连接，所述的白宝石片2位于第一透
镜1的焦点，所述的BB0晶体8位于所述的第三透镜7的焦点后1厘米，
所述的第一分束片4、第二分束片11、第一反射镜6和第二反射镜10
与射入的光束呈45。。
所述的延时器5是由相互垂直的两块全反镜放在移动滑轨上和调节 螺杆而构成。
现以待测的1600nm超短脉冲激光为例说明本实用新型装置的工作 原理。
待测的超短脉冲激光入射到第一透镜1上被聚焦，焦点处的白宝石 2将激光的频谱展宽。入射1600nm激光，展宽后的光谱范围可达800— 2000nm，我们称之为白光，它是发散的，第二透镜3对产生的白光进行 准直，经第一分束片4分成透射和反射两束光。透射光束经过延时器5 反射到第二分束片11;所述的反射光束由第一反射镜6反射到第三透镜 7上，经聚焦后射到BBO晶体8上，该BBO晶体8对白光的低频成分 进行倍频，(例如，将1800nm的成分倍频到900nm)，然后经第四透镜 9准直，由第二反射镜10反射到第二分束片11上。第二分束片11对经 过倍频的光束透射，对另一束反射，这样两束光再次合为一束光射入光 谱仪12的狭缝中。由于光程差的存在，两束光会发生干涉。利用光谱仪 12，在900nm附近可以拍到两种干涉条纹 一种是两路展宽的白光在 950nm处的成分相互干涉，另一种是经延时器5 —路的白光中900nm成 分与经过倍频一路由1800nm处倍频而来的900nm的成分相互干涉。由 于以上两种干涉的光程差不同，两种干涉条纹的周期也不相同。
设入射激光的电场
五=f (,) ， (1)其中^为入射光(1600nm)的频率，^为载波一包络相位，」为 电场振幅，可以看作常数。
经过白宝石展宽后，白光的电场变为
五=j^'^H)， (2) ^表示从800—2000nm的各种光的频率。
若950nm处的频率为^， 1800nm处的频率为％ ，则900nm处的频 率为2*%。设从白宝石2经第一分束片4、延时器5到第二分束片11称 为光路l，它的光程为A。从白宝石2依次经第一分束片4、第一反射镜 6、第三透镜7、 BBO晶体8、第四透镜9、第二反射镜10到第二分束 片11称为光路2，它的光程为￡2。那么，经光路1和光路2在950nm处 的基频光电场可以分别表示为
五2
干涉后的电场可以表示为
五，=爿,e
(3)
(4)
,("r(丄i-丄2^)
(5)
对于绝对稳定的系统，A是一个恒量，它的变化代表了光路中的噪
经光路l，在900nm处的白光电场可以表示为:
^4 =」4 'g
(6)
经光路2， 1800nm处的白光成分经倍频后的电场可以表示为;
A和^干涉后得到
(7)
He
(8)
7上式中的指数项包含了我们最终需要的相位^，但另外的相位
2%仏-￡2)必须消掉。我们注意到(5)式中包含了类似的相位项。
所以，由(5)和(8)两式可以看出若得到两者的相位，通过简单的数 学计算可以很容易得出载波 一包络相位& .
在实验中，光谱仪12获得的电场强度以数据形式保存在计算机中，
从数据中分别提取900nm和950nm的成分就得到了(5)、 (8)两式所表述 的干涉电场强度^和A。
对(5)式取自然对数并取虚部，得
t，(A-A)" (9)
气，表示噪声的相位。 对(8)式取自然对数并取虚部，得
0蜂* = 2% <A _丄2) / c + & do)
表示信号和噪声的混合相位。
由式(9)和(10)我们得到没有噪声干扰的载波一包络相位l.:
p =(D 一^i.①. (ii)
对某一时刻的干涉条纹进行处理就可以获得当时的载波一包络相位
值l。对一段时间内的干涉条纹进行采样，就可以获得这段时间内CEP
值的变化情况，即获得了载波一包络相位的稳定性。
综上所述，本实用新型中利用分束片将展宽后的白光分成两束，这 样可以通过转动倍频晶体调节两路光的相对强度，通过调节延时器调节 光程差，从而得到更清晰的干涉条纹。值得注意的是，该装置可以同时
获得基频光与倍频光的干涉条纹(混杂了噪声和CEP信息)和两路基频 光的干涉条纹(包含噪声信息)，两者同时处理可以净化前者，得到CEP 信息，避免了光程抖动和入射光强抖动等噪声的影响。
本实用新型装置实施例的具体结构和参数如下如图2布置光路，第一透镜l、第二透镜3、第三透镜7、第四透镜 9都是焦距10cm的透镜，白宝石2的厚度为2mm， BBO晶体8的厚度 为3mm，白宝石2放置在第一透镜1的焦点上，BBO晶体8放在第三 透镜7的焦点之后约lcm。第一分束片4、第二分束片11及全反镜均与 入射激光成45°放置。延时器5是由两面全反镜垂直放在移动滑轨上而 构成的，该延时器的第一面镜子与第一分束片4平行放置。通过调节螺 杆带动延时器5沿光路移动，可以改变通过该延时器5的激光光束的光 程。白宝石2和BBO晶体8都与激光束垂直放置。
图3是我们在搭建的可调谐OPA系统上测得的一组试验数据。横坐 标表示在一个小时之内采集的700个数据点，纵坐标表示每点所表示的 时刻的相位，从上到下依次是混合相位抖动均方根(一小时内的均方根 (root mean square,以下简禾尔为rms)， rms = 0.4763rad)， 白光相^f立抖动 (rms=0.3322rad)，和CEP抖动(rms=0.2299rad)。其中，混合相位抖 动包含了 CEP抖动和噪声的混合信息，白光相位抖动表示噪声的信息， 经过后者对前者的修正以后，得到了准确的载波包络一相位稳定情况。 最终测得一小时内CEP抖动为rms = 0.2299rad。
权利要求1、一种双光路去噪声载波—包络相位测量装置，特征是其构成包括沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜(1)、白宝石片(2)、第二透镜(3)和第一分束片(4)，该第一分束片(4)将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器(5)延时后被第二分束片(11)反射；所述的反射光束由第一反射镜(6)反射后经第三透镜(7)、BBO晶体(8)、第四透镜(9)，被第二反射镜(10)反射，透过所述的第二分束片(11)，与该第二分束片(11)的反射光束合并成一束，射入光谱仪(12)的狭缝中，该光谱仪(12)与计算机(13)连接，所述的白宝石片(2)位于第一透镜(1)的焦点，所述的BBO晶体(8)位于所述的第三透镜(7)的焦点后1厘米，所述的第一分束片(4)、第二分束片(11)、第一反射镜(6)和第二反射镜(10)与射入的光束呈45°。
2、 根据权利要求1所述的双光路去噪声载波一包络相位测量装置， 其特征在于所述的延时器(5)是由相互垂直的两块全反镜放在移动滑轨 上和调节螺杆而构成。
专利摘要一种双光路去噪声载波—包络相位测量装置，构成包括沿待测激光束的前进方向上依次是第一透镜、白宝石片、第二透镜和第一分束片，第一分束片将激光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束，经延时器延时后被第二分束片反射；所述的反射光束由第一反射镜反射后经第三透镜、BBO晶体、第四透镜，被第二反射镜反射，透过所述的第二分束片，与该第二分束片的反射光束合并成一束射入光谱仪的狭缝中，该光谱仪与计算机连接，所述的白宝石片位于第一透镜的焦点，所述的BBO晶体位于所述的第三透镜的焦点后，所述的第一分束片、第二分束片、第一反射镜和第二反射镜与射入的光束呈45°。本实用新型具有干涉条纹清晰、测量方便、快捷、准确的特点。
文档编号G01J9/00GK201269780SQ20082005989
公开日2009年7月8日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者冷雨欣, 宋立伟, 张春梅, 徐至展, 李儒新, 李小芳, 王建良 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所