[發(fā)明專利]一種高靈敏度-圖像式自相關(guān)-FROG一體儀

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• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN113375799A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉世隆;崔玉棟;周志遠(yuǎn);史保森
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué);青島鯤騰量子應(yīng)用技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01J3/28
• 分類號(hào): G01J3/28;G01J3/45;G01J3/02;G01R29/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發(fā)明公開了一種高靈敏度?圖像式自相關(guān)?FROG一體儀，輸入的超快信號(hào)光場通過光纖或者空間耦合的方式輸入到干涉儀中，通過調(diào)節(jié)干涉儀一端的幾何距離，實(shí)現(xiàn)信號(hào)場和帶有延時(shí)信號(hào)場的自我干涉；之后經(jīng)過一塊BBO非線性晶體實(shí)現(xiàn)二型和頻過程；上轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過整形、濾波、準(zhǔn)直、最終采用CCD實(shí)現(xiàn)信號(hào)的探測。通過修改干涉儀的延時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)場的自相關(guān)、FROG等高精度測量。本發(fā)明通過采用共線型的Type?II BBO晶體，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的自相關(guān)過程。FROG測量后的結(jié)果采用非線性約束多變量優(yōu)化算法進(jìn)行重構(gòu)。整個(gè)光路簡潔高效、硬件十分容易集成化，在保證低成本的情況下達(dá)到甚至超過目前商用主流產(chǎn)品的靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)、光場重構(gòu)、精密測量等技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高靈敏度-圖像式自相關(guān)-FROG一體儀。

背景技術(shù)

目前，在超快激光領(lǐng)域，對于超短脈沖(～fs)時(shí)域波形的測量，普通的電子學(xué)設(shè)備，諸如示波器等無法完成精細(xì)的測量。上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的自相關(guān)儀則是采用光學(xué)自相關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)了脈沖波形寬度的估計(jì)，然而由于自相關(guān)測量的對稱性，較難得到波形的具體輪廓。本世紀(jì)初發(fā)展起來的頻率分辨光學(xué)門測量技術(shù)(Frequency-ResolvedOptical Gating，F(xiàn)ROG)成為了有效的波形重構(gòu)方法。這種方法的原理是通過測量不同延時(shí)下的光譜，用計(jì)算機(jī)重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)波形的重構(gòu)。由于這種技術(shù)的有效性和實(shí)用性，目前國際上已經(jīng)有幾家公司開發(fā)了相應(yīng)的自相關(guān)、FROG儀器。主要的公司有德國的APE公司，法國的Femto Easy公司，以及美國的Swamp Optics公司等。各個(gè)公司的產(chǎn)品具有各自的特征，比如APE公司在測量上給出了不同的方式來提高靈敏度，用戶可以選擇采用普通的光電探測(PD)和雙光子吸收(TPA)的方式進(jìn)行探測。除此之外，用戶可以升級(jí)采用光電倍增管(PMT)的測量方式，這可以進(jìn)一步提高靈敏度，然而這會(huì)大大增加成本。Femto Easy公司的產(chǎn)品更加靈巧，目前的版本在測量精度上沒有做進(jìn)一步的提升。Swamp optics研制的GRENOUILLE產(chǎn)品是源于美國佐治亞理工學(xué)院超快光物理學(xué)教授Rick Trebino的思路，他們巧妙的利用了時(shí)空耦合，用一個(gè)菲涅爾棱鏡和非線性晶體(BBO)實(shí)現(xiàn)了超快脈沖的測量，這種方式的好處是可以采用較長的晶體，從而提高非線性轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高探測的靈敏度，目前最新版本的靈敏度可以達(dá)到100μW。然而這種測量方式對空間光路的要求非常高，如果測量一些空間信號(hào)，每次都需要精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，因此這種方式具有較大的操作難度。

目前商用的自相關(guān)、FROG多采用BBO作為非線性晶體。由于BBO晶體的高光學(xué)透過率和高頻譜帶寬，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這些商用的儀器中，多采用角度匹配(非共線-Type-I)的方式進(jìn)行測量，當(dāng)信號(hào)是空間輸入時(shí)，就需要十分復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，例如APE公司的儀器中單獨(dú)將信號(hào)光的一半作為參考，用以矯正空間光路。盡管Type-I共線類型的自相關(guān)可以實(shí)現(xiàn)較為簡單的調(diào)節(jié)，但是這種方式會(huì)產(chǎn)生調(diào)制的條紋，這對自相關(guān)和FROG的測量會(huì)有較大影響。此外目前主流的儀器其測量的平均功率多在1-10mW范圍，對于一些較弱的超快信號(hào)則無能為力，為了得到較高的靈敏度需要升級(jí)硬件，從而大大增加了成本。此外由于FROG需要測量光譜和算法的重構(gòu)，一些產(chǎn)品也將自相關(guān)和FROG作為兩個(gè)獨(dú)立的模塊進(jìn)行銷售，這樣增加了用戶成本。

鑒于此，有必要研究一種成本低廉、光路簡單、靈敏度高、自相關(guān)-FROG一體化的儀器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種圖像式的自相關(guān)-FROG一體儀，采用了Type-II類型的BBO作為非線性晶體，其光路簡單，適合光纖和空間作為輸入；通過優(yōu)化空間光路可以實(shí)現(xiàn)較高靈敏度的測量(FROG：150uW，自相關(guān)：50uW)；整個(gè)樣機(jī)的硬件均采用普通的中等商用器件，其成本在4萬左右。此外還開發(fā)了一種非線性約束多變量優(yōu)化算法進(jìn)行FROG重構(gòu)，其重構(gòu)的效果和主流的算法精度接近。