本发明涉及一种激光脉冲测量系统，尤其涉及一种超短激光脉冲测量系统。
背景技术：
带有啁啾的激光脉冲是超短激光脉冲的一种常见形态。在飞秒激光放大系统(例如啁啾脉冲放大器、非线性脉冲放大器、自相似脉冲放大器等)中激光脉冲都是以带有正啁啾的形式存在的。因此，对带有正啁啾脉冲的电场进行测量，对超短脉冲激光系统的设计、安装、调试都有重要的价值。
频率分辨光学开关技术(frequency-resolvedopticalgating，frog)于1993年由trebino等人提出，是目前通用的超短脉冲电场测量技术之一。其基本原理是将输入脉冲分成两路后，对其中一路脉冲施加一定的延迟，之后两路脉冲经过一定的非线性相互作用过程，并由光谱仪探测产生的非线性相互作用产生的信号。通过改变延迟，获得不同延迟下的信号光谱，最后利用计算机还原脉冲的时域电场信息。根据所采用非线性过程的不同，frog装置有多种形式。其中最常用的shg-frog装置利用二次倍频晶体所产生的两路脉冲的和频光信号作为测量信号，具有灵敏度高的显著优势。利用frog技术能够还原超短脉冲的时域电场和相位，获取完整的脉冲形状信息。
对于frog来说，当脉冲的时间带宽积较大时，就需要增加时域扫描点数扩展扫描延迟时间范围，而且在具有宽光谱测量范围的同时提高光谱分辨率才能够实现测量。但是对于频率分辨光开关测量装置来说，光谱分辨率不可能无限提高，增加时域扫描点数也意味着需要更长的时间才能能够完成扫描和电场还原。
而带有较大正啁啾的脉冲正是一种具有大时间带宽积且峰值功率低的脉冲。其时间带宽积能够达到一般超短脉冲的几十倍。对于低峰值功率的脉冲，如果利用普通的频率分辨光开关装置进行测量，产生的信号弱，探测器难以检测。同时，由于啁啾脉冲的时间带宽积大，在扫描时对光谱仪的分辨率和扫描点数量要求很高，这就意味着很高的设备和时间成本。因此，直接利用普通的频率分辨光开关装置测量大啁啾脉冲是不经济甚至是不可行的。
传统方法在测量大啁啾、巨啁啾脉冲上存在显著的困难，而对啁啾脉冲的电场测量又具有较大的实际需求。因此，亟需一种有效的方法来实现大啁啾、巨啁啾脉冲的电场测量。
技术实现要素：
针对上述现有技术，针对现有频率分辨光开关技术测量大啁啾脉冲时存在的对光谱仪分辨率要求高、采样点数多，而造成的测量设备成本高、测量速度慢；以及脉冲峰值功率低、产生的相关信号弱、难以检测甚至无法检测的问题。本发明提出一种针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种一种针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，包括预压缩器、频率分辨光开关装置和电控系统；所述预压缩器包括光栅对、第一直角反射器和平面反射镜，所述光栅对由固定位置光栅和可调位置光栅构成；所述可调位置光栅安装在光栅位置调节装置上，所述光栅位置调节装置具有微调螺杆，通过该调节螺杆实现手动改变所述可调位置光栅的位置；所述光栅位置调节装置与一位移传感器相连，通过所述位移传感器读取所述光栅对的位置；所述频率分辨光开关装置包括分束器、第二直角反射器、第三直角反射镜、延迟线控制电机、聚焦透镜、二次倍频晶体、小孔光阑和光谱仪；所述第三直角反射器与所述延迟线控制电机组成了电控延迟线；所述电控系统包括扫描控制器和计算机；由所述扫描控制器控制延迟线扫描和光谱采集；完成采集后，将信号传递给计算机，所述计算机利用迭代算法对脉冲的时域电场进行还原，得到脉冲电场测量结果。
进一步讲，本发明所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，其中，与所述光栅位置调节装置相连的位移传感器采用绝对式光栅位移传感器，以测量所述可调位置光栅的位置。
所述延迟线控制电机采用压电电机。
所述分束器采用薄膜分束器。
同时，本发明中还提供了利用上述的频率分辨光学开关法测量仪进行测量的方法，包括以下步骤：
带有正啁啾的脉冲进入预压缩器后得到压缩后的光脉冲；
压缩后的光脉冲经所述平面反射镜反射后进入所述频率分辨光开关装置，由二次非线性效应产生和频光信号与倍频光信号，其中的和频光信号通过小孔光阑后进入所述光谱仪；
由所述扫描控制器控制延迟线扫描和光谱采集，所述光谱仪进行接收并测量其光谱，将光谱数据传递给所述扫描控制器，所述扫描控制器将扫描结果传递给计算机，所述计算机利用迭代算法对脉冲的时域电场进行还原，最终得到脉冲电场测量结果。
上述的得到压缩后的光脉冲的过程是：带有正啁啾的脉冲进入预压缩器，该脉冲光信号的传播是：首先进入固定位置光栅，产生角度色散；之后进入可调位置光栅，使光束再次变成平行光；此后进入与该平行光垂直的第一直角反射器，经过所述第一直角反射器内的两个反射面反射后，提升光高至与所述平面反射镜为同一平面；之后再依次通过可调位置光栅和固定位置光栅，得到压缩后的光脉冲。
上述的和频光信号进入所述光谱仪的过程是；压缩后的光脉冲经所述平面反射镜反射后进入所述频率分辨光开关装置；通过分束器分为两路脉冲，两路脉冲分别进入均为水平放置的第二直角反射器和第三直角反射器，再由所述第二直角反射器和第三直角反射器返回至所述分束器，返回至所述分束器的两路脉冲，传播方向相同，但位置重合，其间，延迟线控制电机带动所述第三直角反射器前后移动，通过改变延迟线的长度，改变两路脉冲进入所述二次倍频晶体的时间差，返回的两路脉冲通过聚焦透镜聚焦于二次倍频晶体，脉冲通过该二次倍频晶体后，由二次非线性效应产生和频光信号与倍频光信号，其中的和频光信号通过小孔光阑后进入所述光谱仪。
利用本发明所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，进行测量时，首先由操作人员设置好扫描参数；开始扫描后，扫描控制器向延迟线控制电机发出运动指令，使延迟线控制电机运动到扫描初始位置；之后扫描控制器向光谱仪发出曝光指令，完成曝光后，扫描控制器从光谱仪读取光谱数据；然后扫描控制器向延迟线控制电机发出指令，使所述延迟线控制电机运动到下一位置；
重复以上过程，通过改变所述可调位置光栅的位置改变预压缩器引入的色散量，直到完成所有延迟点的扫描；最后将获得扫描数据上传到计算机，进行处理和解算。
本发明所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其中，根据所述可调位置光栅的位置计算预压缩器引入色散量的标定方法是：首先，撤除所述平面反射镜，将一个脉冲直接输入频率分辨光开关装置，还原出脉冲光谱强度和相位；再对通过预压缩器后的同一脉冲进行测量；计算出测得脉冲引入色散量的变化，从而确定可调位置光栅与固定位置光栅之间的绝对距离与所述位移传感器测量位置之间的对应关系。
本发明所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其中，通过与所述光栅位置调节装置相连的位移传感器读取所述可调位置光栅的位置，所述计算机计算出预压缩器引入的色散量；将解算获得的电场在频域进行变换，获得压缩前的信号电场，即为脉冲电场测量结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
大啁啾脉冲具有宽光谱、宽脉宽、低峰值功率的特点。传统frog装置测量大啁啾脉冲时，测量所需时间长；并且产生的非线性信号弱，信噪比低，会造成测量误差较大。
本发明通过增加预压缩器的设计，将宽光谱、宽脉宽、低峰值功率的大啁啾脉冲，变换为宽光谱、窄脉宽、高峰值功率的近零啁啾脉冲，更加适合frog系统的测量要求。从而解决了frog系统在测量大啁啾脉冲时的测量所需时间长、测量误差大的问题。
附图说明
图1是本发明频率分辨光学开关法测量仪构成示意图。
图中：
1-固定位置光栅2-可调位置光栅3-光栅位置调节装置与位置传感器
4-第一直角反射器5-平面反射镜6-分束器
7-第二直角反射器8-第三直角反射器9-延迟线控制电机
10-聚焦透镜11-二次倍频晶体12-小孔光阑
13-光谱仪14-扫描控制器15-计算机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
对于传统frog方法测量大啁啾脉冲时，测量时间长、产生信号弱难以探测、对光谱探测设备分辨率要求高的问题。为此，本发明提出利用光栅对将具有较大正啁啾的脉冲压缩到变换极限附近，得到小啁啾或无啁啾脉冲，再采用频率分辨光开关法对脉冲进行准确的测量和还原。最后利用光栅压缩器的结构参数，就可以逆向解算出压缩之前的大啁啾脉冲的电场结构。从而能够实现对大啁啾脉冲电场进行准确测量的实际需求。
如图1所示，本发明提出的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，包括预压缩器、频率分辨光开关装置和电控系统。
所述预压缩器包括光栅对、第一直角反射器4和平面反射镜5，所述光栅对由固定位置光栅1和可调位置光栅2构成；所述可调位置光栅2安装在光栅位置调节装置上，所述光栅位置调节装置具有微调螺杆，通过该调节螺杆实现手动改变所述可调位置光栅2的位置，将光栅对用于压缩脉冲、减小脉冲啁啾，并且能够提高脉冲峰值功率，使得脉冲更容易被测量；所述光栅位置调节装置与一位移传感器相连，所述位移传感器采用具有测量精度高的优势的绝对式光栅位移传感器，通过所述位移传感器读取所述可调位置光栅2的位置，测量出所述光栅对的距离。
所述频率分辨光开关装置包括分束器6、第二直角反射器7、第三直角反射镜8、延迟线控制电机8、聚焦透镜10、二次倍频晶体11、小孔光阑12和光谱仪13；所述第三直角反射器8与所述延迟线控制电机9组成了电控延迟线，通过改变延迟线的长度，能够改变两路脉冲进入二次倍频晶体11的时间差。其中，所述分束器6采用薄膜分束器，该薄膜分束器具有色散小的优势；所述延迟线控制电机9采用压电电机，压电电机，具有运动精度高、位移行程长的优势。
所述电控系统包括扫描控制器14和计算机15；由所述扫描控制器14对延迟线电机进行运动控制即控制延迟线扫描以及对光谱仪进行曝光控制和数据采集；完成采集后，将信号传递给计算机15，所述计算机15利用迭代算法对脉冲的时域电场进行还原，得到脉冲电场测量结果。本发明中，采用扫描控制器14进行控制与传统系统相比减小了计算机处理延迟，提高了扫描速度。
利用本发明中所述的频率分辨光学开关法测量仪进行测量包括以下步骤：
步骤一、带有正啁啾的脉冲进入预压缩器，该脉冲光信号的传播是：首先进入固定位置光栅1，产生角度色散；之后进入可调位置光栅2，使光束再次变成平行光；此后进入与该平行光垂直的第一直角反射器4，经过所述第一直角反射器4内的两个反射面反射后，提升光高至与所述平面反射镜5为同一平面；之后再依次通过可调位置光栅2和固定位置光栅1，得到压缩后的光脉冲。上述过程中，脉冲中不同频率的分量所传播的光程不同，因此产生了时间色散。对于正啁啾脉冲而言，脉冲前沿长波成分经历的光程长，脉冲后沿短波成分经历的光程短，因此使得脉冲窄化。预压缩器引入的色散量，可以通过调节光栅对之间的间距来改变。根据所述可调位置光栅2的位置计算预压缩器引入色散量的标定方法是：首先，撤除所述平面反射镜5，将一个脉冲直接输入频率分辨光开关装置，还原出脉冲光谱强度和相位；再对通过预压缩器后的同一脉冲进行测量；计算出测得脉冲引入色散量的变化，从而确定可调位置光栅2与固定位置光栅1之间的绝对距离与所述位移传感器测量位置之间的对应关系。
步骤二、压缩后的光脉冲经所述平面反射镜5反射后进入所述频率分辨光开关装置；通过分束器6分为两路脉冲，两路脉冲分别进入均为水平放置的第二直角反射器7和第三直角反射器8，再由所述第二直角反射器7和第三直角反射器8返回至所述分束器6，返回至所述分束器6的两路脉冲，传播方向相同，但位置重合，其间，延迟线控制电机9带动所述第三直角反射器8前后移动，通过改变延迟线的长度，改变两路脉冲进入所述二次倍频晶体11的时间差，返回的两路脉冲通过聚焦透镜10聚焦于二次倍频晶体11，脉冲通过该二次倍频晶体11后，由二次非线性效应产生和频光信号与倍频光信号，小孔光阑12阻挡基频与倍频光信号，允许和频光信号通过，和频光信号通过小孔光阑12后进入所述光谱仪13，由光谱仪13进行接收并测量其光谱。
步骤三、由所述扫描控制器14控制延迟线扫描和光谱采集，所述光谱仪13进行接收并测量其光谱，将光谱数据传递给所述扫描控制器14，所述扫描控制器14将扫描结果传递给计算机15，所述计算机15利用迭代算法对脉冲的时域电场进行还原，最终得到脉冲电场测量结果。
在进行测量时，首先由操作人员设置好扫描参数；开始扫描后，扫描控制器14向延迟线控制电机9发出运动指令，使延迟线控制电机9运动到扫描初始位置；之后扫描控制器14向光谱仪13发出曝光指令，完成曝光后，扫描控制器14从光谱仪13读取光谱数据；然后扫描控制器14向延迟线控制电机9发出指令，使所述延迟线控制电机9运动到下一位置；重复以上过程交替进行运动控制和光谱扫描，通过改变所述可调位置光栅2的位置改变预压缩器引入的色散量，直到完成所有延迟点的扫描；最后将获得扫描数据上传到计算机15，进行处理和解算，此时，解算获得的结果为由预压缩器输出的脉冲电场。通过光栅位置调节装置与位置传感器3读取所述可调位置光栅2的位置，所述计算机15能够计算出预压缩器引入的色散量，算出整形器产生的各阶色散，并由此色散参数对频域还原结果的相位进行调整，就可获得压缩整形前的啁啾脉冲的时域电场，即完成了输入系统的大啁啾激光脉冲的时域电场测量。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
1.一种针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，其特征在于，包括预压缩器、频率分辨光开关装置和电控系统；
所述预压缩器包括光栅对、第一直角反射器(4)和平面反射镜(5)，所述光栅对由固定位置光栅(1)和可调位置光栅(2)构成；所述可调位置光栅(2)安装在光栅位置调节装置上，所述光栅位置调节装置具有微调螺杆，通过该调节螺杆实现手动改变所述可调位置光栅(2)的位置；所述光栅位置调节装置与一位移传感器相连，通过所述位移传感器读取所述光栅对的位置；
所述频率分辨光开关装置包括分束器(6)、第二直角反射器(7)、第三直角反射镜(8)、延迟线控制电机(8)、聚焦透镜(10)、二次倍频晶体(11)、小孔光阑(12)和光谱仪(13)；所述第三直角反射器(8)与所述延迟线控制电机(9)组成了电控延迟线；
所述电控系统包括扫描控制器(14)和计算机(15)；由所述扫描控制器(14)控制延迟线扫描和光谱采集；完成采集后，将信号传递给计算机(15)，所述计算机(15)利用迭代算法对脉冲的时域电场进行还原，得到脉冲电场测量结果。
2.根据权利要求1所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，其特征在于，与所述光栅位置调节装置相连的位移传感器采用绝对式光栅位移传感器，以测量所述可调位置光栅(2)的位置。
3.根据权利要求1所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，其特征在于，所述延迟线控制电机(9)采用压电电机。
4.根据权利要求1所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量仪，其特征在于，所述分束器(6)采用薄膜分束器。
5.一种针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的频率分辨光学开关法测量仪，并包括以下步骤：
带有正啁啾的脉冲进入预压缩器后得到压缩后的光脉冲；
压缩后的光脉冲经所述平面反射镜(5)反射后进入所述频率分辨光开关装置，由二次非线性效应产生和频光信号与倍频光信号，其中的和频光信号通过小孔光阑(12)后进入所述光谱仪(13)；
由所述扫描控制器(14)控制延迟线扫描和光谱采集，所述光谱仪(13)进行接收并测量其光谱，将光谱数据传递给所述扫描控制器(14)，所述扫描控制器(14)将扫描结果传递给计算机(15)，所述计算机(15)利用迭代算法对脉冲的时域电场进行还原，最终得到脉冲电场测量结果。
6.根据权利要求5所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其特征在于，得到压缩后的光脉冲的过程是：带有正啁啾的脉冲进入预压缩器，该脉冲光信号的传播是：首先进入固定位置光栅(1)，产生角度色散；之后进入可调位置光栅(2)，使光束再次变成平行光；此后进入与该平行光垂直的第一直角反射器(4)，经过所述第一直角反射器(4)内的两个反射面反射后，提升光高至与所述平面反射镜(5)为同一平面；之后再依次通过可调位置光栅(2)和固定位置光栅(1)，得到压缩后的光脉冲。
7.根据权利要求5所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其特征在于，和频光信号进入所述光谱仪(13)的过程是；压缩后的光脉冲经所述平面反射镜(5)反射后进入所述频率分辨光开关装置；通过分束器(6)分为两路脉冲，两路脉冲分别进入均为水平放置的第二直角反射器(7)和第三直角反射器(8)，再由所述第二直角反射器(7)和第三直角反射器(8)返回至所述分束器(6)，返回至所述分束器(6)的两路脉冲，传播方向相同，但位置重合，其间，延迟线控制电机(9)带动所述第三直角反射器(8)前后移动，通过改变延迟线的长度，改变两路脉冲进入所述二次倍频晶体(11)的时间差，返回的两路脉冲通过聚焦透镜(10)聚焦于二次倍频晶体(11)，脉冲通过该二次倍频晶体(11)后，由二次非线性效应产生和频光信号与倍频光信号，其中的和频光信号通过小孔光阑(12)后进入所述光谱仪(13)。
8.根据权利要求5所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其特征在于，进行测量时，首先由操作人员设置好扫描参数；开始扫描后，扫描控制器(14)向延迟线控制电机(9)发出运动指令，使延迟线控制电机(9)运动到扫描初始位置；之后扫描控制器(14)向光谱仪(13)发出曝光指令，完成曝光后，扫描控制器(14)从光谱仪(13)读取光谱数据；然后扫描控制器(14)向延迟线控制电机(9)发出指令，使所述延迟线控制电机(9)运动到下一位置；
重复以上过程，通过改变所述可调位置光栅(2)的位置改变预压缩器引入的色散量，直到完成所有延迟点的扫描；最后将获得扫描数据上传到计算机(15)，进行处理和解算。
9.根据权利要求8所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其特征在于，根据所述可调位置光栅(2)的位置计算预压缩器引入色散量的标定方法是：首先，撤除所述平面反射镜(5)，将一个脉冲直接输入频率分辨光开关装置，还原出脉冲光谱强度和相位；再对通过预压缩器后的同一脉冲进行测量；计算出测得脉冲引入色散量的变化，从而确定可调位置光栅(2)与固定位置光栅(1)之间的绝对距离与所述位移传感器测量位置之间的对应关系。
10.根据权利要求8所述的针对大啁啾超短激光脉冲的频率分辨光学开关法测量方法，其特征在于，通过与所述光栅位置调节装置相连的位移传感器读取所述可调位置光栅(2)的位置，所述计算机(15)计算出预压缩器引入的色散量；将解算获得的电场在频域进行变换，获得压缩前的信号电场，即为脉冲电场测量结果。
技术总结