[發明專利]一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀

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• 申請號: 202110425090.9
• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN113375799A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 劉世隆;崔玉棟;周志遠;史保森
• 申請（專利權）人: 浙江大學;青島鯤騰量子應用技術有限公司
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/45;G01J3/02;G01R29/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

1.一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，包括：第一平臺把手T1、第二平臺把手T2、空間光信號的輸入S2、小孔A矯正、光纖信號的準直輸入Coll.、第一90度可折疊反射鏡R1、第二90度可折疊反射鏡R2、第一紅外波段全反射鏡R3、第二紅外波段全反射鏡R4、光束偏振分束器PBS、非線性晶體BBO(Type-II)、第一聚焦透鏡F1、第二聚焦透鏡F2、第三聚焦透鏡F3、第四聚焦透鏡F4、低通濾波器P、近紅外衍射光柵G和CCD；

所述第一平臺把手T1和第二平臺把手T2用以移動整個一體儀；所述空間光信號的輸入S2通過小孔A矯正作為光纖信號的準直輸入Coll.，通過第一90度可折疊反射鏡R1用于信號的輸入方式選擇，所述第二90度可折疊反射鏡R2用于信號的初步整形；第一紅外波段全反射鏡R3、第二紅外波段全反射鏡R4、光束偏振分束器PBS，這些器件構成一個完成的偏振馬赫-增德爾干涉儀；所述非線性晶體BBO(Type-II)用來產生信號的和頻過程；所述第一聚焦透鏡F1、第二聚焦透鏡F2、第三聚焦透鏡F3、第四聚焦透鏡F4，用來對光束進行空間聚焦和整形；所述低通濾波器P，用來實現輸出信號光的濾波；所述近紅外衍射光柵G，用來將輸出信號從時域變換為頻域；所述CCD，用來記錄頻譜分布圖像。獲取的不同圖像通過FROG重構算法進行重構，從而完成電場的測量。

2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，可以通過光纖耦合或者空間耦合的方式作為兩種輸入，相應的改變90度折疊鏡可以實現兩種方式的測量。

3.根據權利要求1所述的一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，通過搭建偏振型的馬赫-增德爾干涉儀實現輸入信號偏振的分束和延時，即實現垂直偏振輸入電場(E(t))和水平偏振延時電場(E(t-τ))疊加的功能：E(t)+E(t-τ)。通過調節反射鏡R4底部的水平位移臺，改變R4的位置，從而改變水平偏振電場的相對延時。

4.根據權利要求3所述的一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，通過選用二型的BBO晶體(長度200um，鍍1560nm波段的增透膜)，實現信號的自相關操作：E(t)·E(t-τ)。通過優化聚焦透鏡F1和F2的焦距以及聚焦透鏡F1和F2到晶體中心的幾何距離，實現最大效率的轉換。

5.根據權利要求1所述的一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，自相關測量過程具體為：將第二90度可折疊反射鏡R2的角度旋轉為90度，使濾波后的信號經過第三聚焦透鏡F3聚焦到CCD的左側位置。通過積分CCD上的強度值，從而得到當前位置的自相關結果；通過掃描第二紅外波段全反射鏡R4，實現整個自相關曲線的獲取。反射鏡R4底部的水平位移臺可以為電動位移平臺，從而加快掃描時間。

6.根據權利要求1所述的一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，FROG測量過程具體為：將第二90度可折疊反射鏡R2的角度旋轉為0度，使濾波后的信號入射到光柵表面，通過優化第二聚焦透鏡F2到晶體中心的幾何距離使得入射到光柵的光束為平行光。通過光柵可以將入射信號的頻率分布轉換為空間分布，選取光柵的刻線間隔為d＝1200/mm，其角度通過光柵方程決定。通過優化第四聚焦透鏡F4透鏡，使得頻譜分布入射到CCD的右側。計算機存儲當前CCD接收到的頻譜分布圖像。通過掃描R4底部的水平位移臺，從而實現多個頻譜分布圖像的存儲。獲取的不同圖像通過FROG重構算法進行重構，從而完成電場的測量。

7.根據權利要求1所述的一種高靈敏度-圖像式自相關-FROG一體儀，其特征在于，FROG重構過程為：采用非線性多變量約束的優化算法進行電場重構，即通過測量的FROG-Trace和模擬的FROG-Trace做最小化迭代。具體步驟如下：

首先假定任意一個時域電場：

這里N是分段數，將時域窗口分為N個小電場E_j(t_j)，j＝1…N，a_j和exp(iφ_j)分別是第j個電場的振幅和位相，其中i為虛數單位，公式中存在2N個未知的變量，其中a_j的范圍設定到0-1，φ_j代表了第j個小電場的位相，其取值范圍為-10π到10π。

其次計算此電場和頻后的FROG-trace和測量的相似度：

S～(|FFT(SFG(E(t)))|²,I_trace)

其中相似度函數定義為S(a,b)＝∑a·b/∑a∑b，a,b表示兩個未知參數，S＝1代表了重構和測量的完全一致，S＝0代表了重構和測量的完全不相關，FFT表示傅里葉變換；SFG表示和頻過程；I_trace表示實驗測得的FROG-Trace。算法中通過多變量非線性優化的方式，優化2N個電場相關的變量，使其目標S值最大化的接近1。算法迭代出來的時域電場就是目標電場。