用波面分割数字全息实现飞秒脉冲空间－时间三维分布同步测量

现有的飞秒脉冲测量方法如强度自相关法、频率分辨光学开关法、光谱位相相干直接电场重构法都是对脉冲一维时域特性的测量。目前对脉冲的空间特性测量一般采用数字相机记录空间强度，同时采用夏克-哈特曼波前传感器或剪切干涉仪对空间波前进行重构，这种测量方法是对脉冲整个带宽的空间平均测量，而且当脉冲存在空间－时间耦合效应及其他畸变时无法给出全面而准确的空间信息。本项目试图利用波面分割数字全息的方法，对脉冲同步实现空间分辨和光谱分辨，并通过时间延迟的变化进行时间分辨，实现飞秒脉冲空间－时间三维分布的同步测量。采用波面分割数字全息的优点是单发测量，实现空间－时间测量的同步进行，无需对波前扫描，避免了空间测量中的平均效应。这一项目的难点和关键问题是特定二维衍射光学元件相应的参数设计与制作及测量信号的数据处理。该项目的成功实施，将对飞秒脉冲进行全面和有效的测量提供新的途径和方法。

目前，飞秒脉冲的测量方法主要有三种：一是传统的强度自相关法，二是频率分辨光学开关法(FROG)，三是光谱位相相干直接电场重构法(SPIDER)。上述三种测量方法各有其不同的优缺点，其中强度自相关法需要事先假定脉冲的形状，并且这种方法只能给出脉冲的时间宽度，无法给出脉冲的电场、位相在时域及频域的信息；FROG和SPIDER方法可以给出脉冲的时间宽度及位相、电场的时域分布、光谱及位相信息。由于FROG方法在复杂的重构算法中需耗大量的迭代时间,因此无法实现飞秒脉冲的实时测量；而SPIDER法由于直接测量对象是和频脉冲对的干涉频谱图,具有密集的干涉条纹,对光谱仪的分辨率要求极高;并且微弱的噪声即能改变梳状结构,导致重构出来的相位结果有较大的畸变。由于这些方法中固有的一些问题，FROG和SPIDER技术也处于不断的发展和完善之中。目前，对飞秒脉冲的空间特性测量是与时间特性测量分开进行的，一般采用的方法是用数字相机记录空间强度，同时采用夏克-哈特曼波前传感器或剪切干涉仪对波前进行测量，重构出脉冲的波前。然而，这种空间分布测量方法是对脉冲整个带宽的平均，尤其是当脉冲电场存在空间－时间耦合效应及其它畸变时无法给出脉冲电场全面而准确的三维信息。. 本项目利用波面分割数字全息技术实现飞秒脉冲的空间和时间三维形状同步测量。把二维衍射光学元件与干涉带通滤波器结合起来，对脉冲实现空间分辨和光谱分辨，通过时间延迟的变化引入时间分辨，实现脉冲电场空间和时间三维分布的同步测量。本项目制作出了相应的飞秒测量装置，并应用于实验室的相关测量工作中，发表了相应的测量研究结果。发表的重要测量结果为：(1)对位于光子晶体光纤中反常色散去的孤子的传播特性进行了测量，通过该测量装置给出了中心波长在800nm左右的孤子裂变过程中的时间和位相的变化过程；(2)对周期极化钽酸锂晶体中的空间孤子传播特性进行了测量，得到了空间孤子的空间、时间和相位的信息；(3)对光子晶体光纤中产生的350-1100nm超连续谱特性进行了测量，观察到了超连续谱的蓝移、时域和谱域以及位相信息；(4)对蓝色飞秒脉冲的信息进行了测量。实验中测量的最小脉冲宽度可以小于10fs。. 对飞秒脉冲进行三维同步全面测量对于飞秒激光脉冲的其他应用可以提供新的测量途径和方法。