[发明专利]一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪

说明书

本发明公开了一种高灵敏度‑图像式自相关‑FROG一体仪，输入的超快信号光场通过光纤或者空间耦合的方式输入到干涉仪中，通过调节干涉仪一端的几何距离，实现信号场和带有延时信号场的自我干涉；之后经过一块BBO非线性晶体实现二型和频过程；上转换后的信号通过整形、滤波、准直、最终采用CCD实现信号的探测。通过修改干涉仪的延时，可以实现输入信号场的自相关、FROG等高精度测量。本发明通过采用共线型的Type‑II BBO晶体，实现信号光的自相关过程。FROG测量后的结果采用非线性约束多变量优化算法进行重构。整个光路简洁高效、硬件十分容易集成化，在保证低成本的情况下达到甚至超过目前商用主流产品的灵敏度。

技术领域

本发明涉及超快激光技术、光场重构、精密测量等技术领域，尤其涉及一种高灵敏度-图像式自相关-FROG一体仪。

背景技术

目前，在超快激光领域，对于超短脉冲(～fs)时域波形的测量，普通的电子学设备，诸如示波器等无法完成精细的测量。上世纪80年代发展起来的自相关仪则是采用光学自相关的方式实现了脉冲波形宽度的估计，然而由于自相关测量的对称性，较难得到波形的具体轮廓。本世纪初发展起来的频率分辨光学门测量技术(Frequency-ResolvedOptical Gating，FROG)成为了有效的波形重构方法。这种方法的原理是通过测量不同延时下的光谱，用计算机重构算法实现波形的重构。由于这种技术的有效性和实用性，目前国际上已经有几家公司开发了相应的自相关、FROG仪器。主要的公司有德国的APE公司，法国的Femto Easy公司，以及美国的Swamp Optics公司等。各个公司的产品具有各自的特征，比如APE公司在测量上给出了不同的方式来提高灵敏度，用户可以选择采用普通的光电探测(PD)和双光子吸收(TPA)的方式进行探测。除此之外，用户可以升级采用光电倍增管(PMT)的测量方式，这可以进一步提高灵敏度，然而这会大大增加成本。Femto Easy公司的产品更加灵巧，目前的版本在测量精度上没有做进一步的提升。Swamp optics研制的GRENOUILLE产品是源于美国佐治亚理工学院超快光物理学教授Rick Trebino的思路，他们巧妙的利用了时空耦合，用一个菲涅尔棱镜和非线性晶体(BBO)实现了超快脉冲的测量，这种方式的好处是可以采用较长的晶体，从而提高非线性转换效率，进而提高探测的灵敏度，目前最新版本的灵敏度可以达到100μW。然而这种测量方式对空间光路的要求非常高，如果测量一些空间信号，每次都需要精准的实时校准，因此这种方式具有较大的操作难度。

目前商用的自相关、FROG多采用BBO作为非线性晶体。由于BBO晶体的高光学透过率和高频谱带宽，已经得到了广泛的应用。这些商用的仪器中，多采用角度匹配(非共线-Type-I)的方式进行测量，当信号是空间输入时，就需要十分复杂的校准过程，例如APE公司的仪器中单独将信号光的一半作为参考，用以矫正空间光路。尽管Type-I共线类型的自相关可以实现较为简单的调节，但是这种方式会产生调制的条纹，这对自相关和FROG的测量会有较大影响。此外目前主流的仪器其测量的平均功率多在1-10mW范围，对于一些较弱的超快信号则无能为力，为了得到较高的灵敏度需要升级硬件，从而大大增加了成本。此外由于FROG需要测量光谱和算法的重构，一些产品也将自相关和FROG作为两个独立的模块进行销售，这样增加了用户成本。

鉴于此，有必要研究一种成本低廉、光路简单、灵敏度高、自相关-FROG一体化的仪器。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种图像式的自相关-FROG一体仪，采用了Type-II类型的BBO作为非线性晶体，其光路简单，适合光纤和空间作为输入；通过优化空间光路可以实现较高灵敏度的测量(FROG：150uW，自相关：50uW)；整个样机的硬件均采用普通的中等商用器件，其成本在4万左右。此外还开发了一种非线性约束多变量优化算法进行FROG重构，其重构的效果和主流的算法精度接近。