[发明专利]一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪

权利要求书

1.一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，包括：第一平台把手T1、第二平台把手T2、空间光信号的输入S2、小孔A矫正、光纤信号的准直输入Coll.、第一90度可折叠反射镜R1、第二90度可折叠反射镜R2、第一红外波段全反射镜R3、第二红外波段全反射镜R4、光束偏振分束器PBS、非线性晶体BBO(Type-II)、第一聚焦透镜F1、第二聚焦透镜F2、第三聚焦透镜F3、第四聚焦透镜F4、低通滤波器P、近红外衍射光栅G和CCD；

所述第一平台把手T1和第二平台把手T2用以移动整个一体仪；所述空间光信号的输入S2通过小孔A矫正作为光纤信号的准直输入Coll.，通过第一90度可折叠反射镜R1用于信号的输入方式选择，所述第二90度可折叠反射镜R2用于信号的初步整形；第一红外波段全反射镜R3、第二红外波段全反射镜R4、光束偏振分束器PBS，这些器件构成一个完成的偏振马赫-增德尔干涉仪；所述非线性晶体BBO(Type-II)用来产生信号的和频过程；所述第一聚焦透镜F1、第二聚焦透镜F2、第三聚焦透镜F3、第四聚焦透镜F4，用来对光束进行空间聚焦和整形；所述低通滤波器P，用来实现输出信号光的滤波；所述近红外衍射光栅G，用来将输出信号从时域变换为频域；所述CCD，用来记录频谱分布图像。获取的不同图像通过FROG重构算法进行重构，从而完成电场的测量。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，可以通过光纤耦合或者空间耦合的方式作为两种输入，相应的改变90度折叠镜可以实现两种方式的测量。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，通过搭建偏振型的马赫-增德尔干涉仪实现输入信号偏振的分束和延时，即实现垂直偏振输入电场(E(t))和水平偏振延时电场(E(t-τ))叠加的功能：E(t)+E(t-τ)。通过调节反射镜R4底部的水平位移台，改变R4的位置，从而改变水平偏振电场的相对延时。

4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，通过选用二型的BBO晶体(长度200um，镀1560nm波段的增透膜)，实现信号的自相关操作：E(t)·E(t-τ)。通过优化聚焦透镜F1和F2的焦距以及聚焦透镜F1和F2到晶体中心的几何距离，实现最大效率的转换。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，自相关测量过程具体为：将第二90度可折叠反射镜R2的角度旋转为90度，使滤波后的信号经过第三聚焦透镜F3聚焦到CCD的左侧位置。通过积分CCD上的强度值，从而得到当前位置的自相关结果；通过扫描第二红外波段全反射镜R4，实现整个自相关曲线的获取。反射镜R4底部的水平位移台可以为电动位移平台，从而加快扫描时间。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，FROG测量过程具体为：将第二90度可折叠反射镜R2的角度旋转为0度，使滤波后的信号入射到光栅表面，通过优化第二聚焦透镜F2到晶体中心的几何距离使得入射到光栅的光束为平行光。通过光栅可以将入射信号的频率分布转换为空间分布，选取光栅的刻线间隔为d＝1200/mm，其角度通过光栅方程决定。通过优化第四聚焦透镜F4透镜，使得频谱分布入射到CCD的右侧。计算机存储当前CCD接收到的频谱分布图像。通过扫描R4底部的水平位移台，从而实现多个频谱分布图像的存储。获取的不同图像通过FROG重构算法进行重构，从而完成电场的测量。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪，其特征在于，FROG重构过程为：采用非线性多变量约束的优化算法进行电场重构，即通过测量的FROG-Trace和模拟的FROG-Trace做最小化迭代。具体步骤如下：

首先假定任意一个时域电场：

这里N是分段数，将时域窗口分为N个小电场E_j(t_j)，j＝1…N，a_j和exp(iφ_j)分别是第j个电场的振幅和位相，其中i为虚数单位，公式中存在2N个未知的变量，其中a_j的范围设定到0-1，φ_j代表了第j个小电场的位相，其取值范围为-10π到10π。

其次计算此电场和频后的FROG-trace和测量的相似度：

S～(|FFT(SFG(E(t)))|²,I_trace)

其中相似度函数定义为S(a,b)＝∑a·b/∑a∑b，a,b表示两个未知参数，S＝1代表了重构和测量的完全一致，S＝0代表了重构和测量的完全不相关，FFT表示傅里叶变换；SFG表示和频过程；I_trace表示实验测得的FROG-Trace。算法中通过多变量非线性优化的方式，优化2N个电场相关的变量，使其目标S值最大化的接近1。算法迭代出来的时域电场就是目标电场。