具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1所示，本发明的一种用于深紫外飞秒激光的脉宽测量系统，包括：

沿激光传输方向依次设置的第一反射镜M1、调节波片WP、分束片BS，

用于对经分束片BS分束后的第一束激光进行传输的第一传输单元，

用于对经分束片BS分束后的第二束激光进行传输的第二传输单元，

用于接收第一传输单元的输出激光和第二传输单元的输出激光的非线性介 质，

用于对非线性介质中的双光子荧光进行采集的图像传感器CCD。

其中，第一传输单元包括沿激光传输方向依次设置第二反射镜M2和第一聚 焦透镜L1；第二传输单元包括沿激光传输方向依次设置第三反射镜M3和第二聚 焦透镜L2；非线性介质为氟化钙CaF₂。

由于分束片BS对入射激光的偏振敏感，因此采用1/2波片即调节波片WP， 保证入射激光经分束片BS分束后，能够被严格分为光强相等的两束激光。

所述非线性介质为氟化钙CaF₂，具体为侧面抛光的方形氟化钙CaF₂。其中， 氟化钙CaF₂的荧光较强，便于图像传感器CCD采集；通过抛光获得光亮、平整 的侧面，且抛光后的侧面朝向图像传感器CCD，便于双光子的高效传输和图像传 感器CCD的探测；非线性介质的带隙值即带隙宽度，用于表征介质的能带宽度， 非线性介质的带隙值E_g与入射激光的光子能量hv应当满足hv≤E_g≤2hv。

所述非线性介质放置在使两束激光之间延时时间为0的位置；非线性介质 被放置在高精度平移台上；高精度平移台用于精确调节非线性介质在第一聚焦 透镜L1和第二聚焦透镜L2之间的位置，保证非线性介质能够精确的放置在使 两束激光之间延时时间为0的位置；方形氟化钙CaF₂便于稳定的夹持放置在高 精度平移台。

所述图像传感器CCD通过变倍镜头对双光子荧光进行放大后采集荧光图像。

本发明的脉宽测量系统中的激光传输和图像采集的过程如下所示：

入射激光即深紫外飞秒激光进入脉宽测量系统，通过第一反射镜M1反射至 1/2波片即调节波片WP中；入射激光经调节波片WP调节偏振态后，再射入分束 片BS中；分束片BS将入射激光分为光强相等的两束激光，分别为第一束激光 和第二束激光；第一束激光通过第二反射镜M2反射至第一聚焦透镜L1中，经 第一聚焦透镜L1聚焦后射入非线性介质中；第二束激光通过第三反射镜M3反 射至第二聚焦透镜L2中，经第二聚焦透镜L2聚焦后也射入非线性介质中；两 束激光在非线性介质即氟化钙CaF₂中重合时产生双光子荧光，图像传感器CCD 通过变倍镜头对双光子荧光的荧光图像进行采集。

基于本发明的脉宽测量系统对深紫外飞秒激光进行脉宽测量，具体过程如 下所示：

S1，入射激光即深紫外飞秒激光进入脉宽测量系统，通过第一反射镜M1反 射至1/2波片即调节波片WP中；入射激光经调节波片WP调节偏振态后，再射 入分束片BS中；分束片BS将入射激光分为光强相等的两束激光，分别为第一 束激光和第二束激光；第一束激光通过第二反射镜M2反射至第一聚焦透镜L1 中，经第一聚焦透镜L1聚焦后射入非线性介质中；第二束激光通过第三反射镜 M3反射至第二聚焦透镜L2中，经第二聚焦透镜L2聚焦后也射入非线性介质中； 两束激光在非线性介质即氟化钙CaF₂中重合时产生双光子荧光，且非线性介质 放置在两束激光之间延时时间为0的位置，图像传感器CCD通过变倍镜头对双 光子荧光的荧光图像进行采集，采集得到延时时间为0的荧光图像I₀；

S2，分别在脉宽测量系统的第一传输单元和第二传输单元中插入厚度为l的 透明介质，分别获取在第一传输单元中插入透明介质时的荧光图像I₁和在第二 传输单元中插入透明介质时的荧光图像I₂，利用荧光图像I₁和荧光图像I₂标定 出荧光图像中单个像素点对应的时间尺度T。

具体标定过程如下所示：

在第一传输单元中即第二反射镜M2和第一聚焦透镜L1之间插入厚度为l的 透明介质，即在第一传输单元中引入延时，此时图像传感器CCD所采集到的荧 光图像I₁相对于延时时间为0时的荧光图像I₀，荧光图像I₁中的荧光的位置发 生位移，且荧光移动的像素点个数为x1；

在第二传输单元中即第三反射镜M3和第二聚焦透镜L2之间插入厚度为l的 透明介质，即在第二传输单元中引入延时，此时图像传感器CCD所采集到的荧 光图像I₂相对于延时时间为0时的荧光图像I₀，荧光图像I₂中的荧光的位置发 生位移，且荧光移动的像素点个数为x2；

厚度为l的透明介质所对应的延时时间t为：

其中，n₁为光在透明介质中的折射率；n₀为光在空气中的折射率，n₀＝1；c为 光速，c＝3×10⁸m/s；

计算两束激光之间延时时间为t时，荧光所移动的平均像素点个数N为：

单个像素点对应的时间尺度T为：

S3，利用Matlab对采集到的延时时间为0的荧光图像I₀进行处理，得到荧 光在空间中的光强分布曲线即脉冲强度的自相关曲线。

具体过程如下所示：

用Matlab读取荧光图像I₀，提取荧光图像I₀中每个像素点的灰度值，分别 对荧光图像I₀上每一列像素点的灰度值进行求和取平均值，得到每一列像素点 的平均灰度值；

建立坐标系，横坐标为荧光图像I₀中像素点的所在列，纵坐标为荧光图像 I₀中每一列像素点的平均灰度值；

根据计算得到的荧光图像I₀上每一列像素点的平均灰度值，选取合适的脉 冲波形，通过拟合得到得到荧光在空间中的光强分布曲线即脉冲强度的自相关 曲线，可选取高斯函数或双曲正割函数进行拟合。

本发明利用荧光图像I₀中每一列像素点的平均灰度值绘制脉冲强度自相关 曲线，相比于选取某一行像素点进行处理，可以有效降低由于光束不均匀性和 背景噪声所带来的测量误差。

S4，计算自相关曲线的半高全宽FWHM所对应的时间宽度Δτ_p为：

Δτ_p＝T×Δx；

T为单个像素点对应的时间尺度；Δx为自相关曲线的半高全宽FWHM所对 应的横坐标的像素点数量；

根据自相关曲线的半高全宽FWHM所对应的时间宽度Δτ_p，计算得到入射激 光即深紫外飞秒激光的脉宽Δτ为：

其中，k为反卷积因子；若自相关曲线采用高斯函数拟合，则反卷积因子 k＝1.414；若自相关曲线采用双曲正割函数拟合，则反卷积因子k＝1.543。

本发明的基于双光子荧光法进行脉宽测量的原理，具体如下所示：

双光子荧光法是将入射激光分为光强相等的两束激光，该两束激光分别传 播到非线性介质中，非线性介质在吸收该两束激光后辐射出荧光，荧光的光强 分布就是入射激光的脉冲强度的自相关函数即G²(τ)；因此，非线性介质的带隙 值E_g与入射激光的光子能量hv应当满足hv≤E_g≤2hv。假设，两束反向传播的激 光的电场分布分别如下所示：

其中，t为在空间中的传播时间；z为空间中的位置；E₁(t,z)、E₂(t,z)分别为 该两束激光在空间中的电场分布；A₁、A₂分别为该两束激光的振幅；n为光在非 线性介质中的折射率；c为光速，c＝3×10⁸m/s；ω₁、ω₂分别为该两束激光的角频 率；i为一个虚数单位，没有实质意义；k₁、k₂分别为该两束激光的波数。

由于在任何一点上双光子荧光的光强与入射激光的脉冲强度的平方成正 比，因此双光子荧光的光强分布如下所示：

I(z)∝∫|E₁(t,z)+E₁(t,z)|⁴dt；

其中，I(z)为双光子荧光在空间中的光强分布。

若不考虑入射激光的初始位相，且令A₁＝A₂＝A，ω₁＝ω₂，k₁＝k₂＝k，则：

若上式中z＝0即两束激光完全重合，则荧光信号最强，I(z)∝∫A⁴(t)dt；若两 束激光完全不重合，则观察不到自相关信号即G²(τ)＝0。因此，通过改变两束激 光之间的延时测得双光子荧光的光强轨迹分布，或通过单脉冲诱导得到的荧光 在空间中的光强分布，都可计算入射激光的脉宽；其中，该两种方式都可以用 于脉宽的测量，第一种方式需要进行多次测量，改变一次延时即记录一次荧光 强度，经多次测量后，得到不同延时下的荧光在空间中的光强分布曲线，最终 通过拟合得到脉宽信息，由于第一种方式需要添加延迟线，该第一种方式更适 合用于高重频激光的脉宽测量本发明使用第二种方式即单脉冲测量。

采用双光子荧光的自相关法来测量脉冲宽度时，需要假设入射激光的脉冲 波形并对脉冲强度的自相关曲线进行拟合，如高斯型、双曲正割型等。入射激 光的脉宽Δτ与自相关曲线的G²(τ)的半高全宽所对应的时间宽度Δτ_p之间的关系 为：

其中，k为反卷积因子；若自相关曲线采用高斯函数拟合，则反卷积因子 k＝1.414；若自相关曲线采用双曲正割函数拟合，则反卷积因子k＝1.543。

实施例一：

光源采用中心波长为193.37nm、重复频率为20Hz的固体飞秒激光，激光系 统的前端是以掺钛蓝宝石飞秒激光为种子源的放大系统，然后通过频率转换模 块获得193nm的深紫外飞秒激光的输出，该深紫外飞秒激光的光谱图如图3所 示，该深紫外飞秒激光即作为入射激光进入脉宽测量系统，并通过脉宽测量系 统进行脉宽测量。

由图2所示，基于双光子荧光法测量深紫外飞秒激光的脉宽，主要分为荧 光图像的采集、数值标定、曲线拟合、脉宽计算四个部分。

通过脉宽测量系统采集荧光图像，本实施例中，第二反射镜M2和第三反射 镜M3为适用于波长为193nm的反射镜，且入射角度均为22.5°，采用专用反射 镜有利于减小色散。

所述非线性介质为氟化钙CaF₂，具体为侧面抛光的方形氟化钙CaF₂；带隙 值即带隙宽度，表征介质的能带宽度，非线性介质的带隙值E_g与入射激光的光 子能量hv应当满足hv≤E_g≤2hv；由于入射激光的波长为193nm时，一个光子的 能量hv＝6.42ev，两个光子的能量为2hv＝12.84ev，故非线性介质的带隙值E_g应 该大于6.42ev小于12.84ev，本实施例中，非线性介质带隙值E_g为10.0ev。

第一聚焦透镜L1和第二聚焦透镜L2的焦距随入射激光的波长变化，本实 例中，入射激光的波长为193nm，第一聚焦透镜L1和第二聚焦透镜L2的焦距为 164.3mm。

通过调节高精度平移台保证两束激光在非线性介质即氟化钙CaF₂中完全重 合，即保证两束激光之间延时时间为0。本实施例中，高精度平移台的行程为30mm，重复定位精度为5um。

通过调整图像传感器CCD的工作距离以及变倍镜头的工作参数保证双光子 荧光的精确成像。本实施例中，采用光学显微变焦镜头，搭配1/2英寸图像传 感器CCD，可以实现6.5倍变焦调节，放大倍率为2.8倍-18倍，视野范围为 2.86mm～0.44mm，物距范围为34mm～37nm，有利于微弱荧光的探测和高分辨率的 实现。

由图4所示，图像传感器CCD在不同曝光时间下测量得到的荧光的光强与 入射激光的脉冲强度的平方均成正比，即表明所测量到的荧光为非线性介质产 生的双光子荧光。

数值标定过程中，分别在脉宽测量系统的第一传输单元和第二传输单元中 插入厚度l为2mm的紫外融石英JGS1，即分别在即在第一传输单元和第二传输单 元中引入延时，延时时间为t，且光在透明介质中的折射率n₁为1.561，从而分 别获取在第一传输单元中插入紫外融石英JGS1时的荧光图像I₁和在第二传输单 元中插入紫外融石英JGS1时的荧光图像I₂。由图5所示，图5a为在第一传输 单元中插入紫外融石英JGS1时的荧光图像I₁，图5b为两束激光之间延时时间 为0的的荧光图像I₀，图5c在第二传输单元中插入紫外融石英JGS1时的荧光 图像I₂。根据荧光图像I₁、荧光图像I₂、荧光图像I₀得到两束激光之间延时时 间为t时，荧光所移动的平均像素点个数N为509，从而标定出荧光图像中单个 像素点对应的时间尺度T为7.35fs。

利用Matlab对采集到的延时时间为0的荧光图像I₀进行处理，本实施例中， 图像传感器CCD为1392×1040像素，选择荧光图像I₀中心区域的400列像素， 且所选区域的像素的横坐标为500到900，读取荧光图像I₀所选区域的每个像素 点的灰度值，分别对所选区域上每一列像素点的灰度值进行求和取平均值，得 到每一列像素点的平均灰度值。

利用origin对脉冲强度的自相关曲线进行高斯拟合，得到自相关曲线的半 高全宽和半高全宽所对应的时间宽度Δτ_p，从而计算得到入射激光即深紫外飞秒 激光的脉宽Δτ，且k＝1.414。

为了更准确获得入射激光的脉宽信息，因此，采用单脉冲测量的方式计算 入射激光的脉宽，即仅通过一个脉冲下所产生的双光子荧光就能够获得单个脉 冲的脉宽信息，从而实现入射激光的脉宽测量，有利于低重频的入射激光的脉 宽测量。其中，脉冲重复频率是指每秒钟发射的脉冲数目，低重频一般指重频 低于1KHz，甚至100Hz的脉冲光。

本实施例中，入射到非线性介质的一个激光脉冲的能量为17.2uJ，图像传 感器CCD曝光时间为50ms。图6为本实施例的该单脉冲下测量所得到的荧光在 空间中的光强分布曲线即脉冲强度的自相关曲线，由图6可知，自相关曲线的 半高全宽FWHM所对应的横坐标的像素点个数Δx为91.6，测量得到入射激光的 脉宽为476.1fs。

根据图3所示的入射激光即深紫外飞秒激光的光谱图可知，入射激光为高 斯脉冲，最小时间带宽积ΔτΔv＝0.44，脉冲的时间带宽积为脉冲宽度和频率宽度 的乘积，对于高斯型带宽极限脉冲，其最小时间带宽积为0.44，脉冲宽度为傅 里叶变换极限脉宽，且图3中的入射激光的光谱图的半高全宽FWHM所对应的 横坐标长度即谱线宽度Δλ＝0.12nm，可计算出入射激光的傅里叶变换极限脉宽为 457fs。由此可知，通过本发明的脉宽测量系统测量得到入射激光的脉宽与入射 激光的傅里叶极限脉宽基本吻合。

本发明利用氟化钙的双光子荧光效应，设计并搭建了双光子荧光的采集平 台，实现了深紫外飞秒激光的脉宽测量。通过对荧光光强与入射激光的脉冲强 度之间依赖关系的测量，验证了本发明方法的可靠性。为了避免脉冲抖动带来 的测量误差，本发明在单脉冲下测得193nm深紫外飞秒激光的脉宽为476.1fs。 本发明的脉宽测量系统能够准确、快速的测量脉宽，为了解深紫外飞秒激光时 域特性提供了可靠的测量手段，也为后续研究深紫外超短脉冲的准分子激光放 大特性奠定了基础，随着深紫外飞秒激光脉宽测量技术的不断发展，不仅有利 于深紫外飞秒激光技术的发展，也必将促进紫外飞秒激光在各领域的应用。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在 本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明创造的保护范围之内。