CN109459385B - 一种被动相位锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种被动相位锁定装置，包括分束镜单元、光路延迟单元、光路补偿单元以及光路接收单元；分束镜单元包括第一分束镜和第二分束镜，第一分束镜用于将光源发出的光束分为反射光束和透射光束；第二分束镜用于将反射光束分为第一反射光束和第一透射光束，将透射光束分为第二反射光束和第二透射光束；光路延迟单元包括第一光路延迟单元、第二光路延迟单元和第三光路延迟单元；光路补偿单元包括第一光路补偿单元和第二光路补偿单元，各光路延迟单元和各光路补偿单元分别位于各光束的传播路径上并用于延迟或者补偿各光束。本发明的技术方案可以实现四个光束的相位锁定以及光程差连续可调，被动相位锁定装置结构简单且操作简便。

Description

一种被动相位锁定装置

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种被动相位锁定装置。

背景技术

超快二维电子光谱实验探测的是样品先后经过三束具有一定可控时间延迟的脉冲激光A、B、C作用后产生的微弱的三阶非线性光学响应。样品经过第一束激光脉冲A激发之后处于一个相干态，故A和B之间的时间延迟称为相干时间，其间包含相位的演化；而样品经过第二个脉冲B作用后处于一个布居态，故B和C之间的时间延迟称为布居时间，其间没有相位的演化；最后，样品经过第三个脉冲C作用后又处于相干态，并发射出一个三阶非线性极化信号，通常使用一个相位与之锁定的本机振荡脉冲通过外差检测的方法探测该微弱信号的振幅和相位信息。因此，在二维光谱实验中，脉冲A和B，以及脉冲C和本机振荡脉冲之间需要实现相位的锁定。

现有阶段可以实现二维傅里叶变换光谱中相位稳定的方法分为被动式稳定方法和主动式稳定方法。其中，使用光栅来做分束镜是一种实现被动相位锁定的方法，但是，光栅在分束时会产生较大的角度色散；使用负反馈电路来调节光路中的光程是一种实现主动相位锁定的方法，但是需要额外的干涉仪、反馈电路以及控制器，结构过于复杂。

发明内容

本发明提供一种被动相位锁定装置，以实现简化装置结构，降低装置搭建成本，降低装置操作难度，同时，使得该被动相位锁定装置可适用于采用可见光作为光源的情况。

第一方面，本发明实施例提供了一种被动相位锁定装置，该装置包括分束镜单元、光路延迟单元、光路补偿单元以及光路接收单元；

其中，分束镜单元包括第一分束镜和第二分束镜，第一分束镜用于将光源发出的光束分为反射光束和透射光束；第二分束镜位于第一分束镜远离光源的一侧，用于将反射光束分为第一反射光束和第一透射光束，将透射光束分为第二反射光束和第二透射光束；

光路延迟单元包括第一光路延迟单元、第二光路延迟单元和第三光路延迟单元；光路补偿单元包括第一光路补偿单元和第二光路补偿单元；

其中，第一光路延迟单元位于第一分束镜与第二分束镜之间且位于反射光束的传播路径上，用于延迟反射光束；第二光路延迟单元位于第二反射光束的传播路径上，用于延迟第二反射光束；第三光路延迟单元位于第二透射光束的传播路径上，用于延迟第二透射光束；第一光路补偿单元位于第一反射光束的传播路径上，用于补偿第一反射光束；第二光路补偿单元位于第一透射光束的传播路径上，用于补偿第一透射光束；

或者，第一光路延迟单元位于第一分束镜与第二分束镜之间且位于透射光束的传播路径上，用于延迟透射光束；第二光路延迟单元位于第一反射光束的传播路径上，用于延迟第一反射光束；第三光路延迟单元位于第一透射光束的传播路径上，用于延迟第一透射光束；第一光路补偿单元位于第二反射光束的传播路径上，用于补偿第二反射光束；第二光路补偿单元位于第二透射光束的传播路径上，用于补偿第二透射光束；

光路接收单元用于分别接收第一反射光束、第一透射光束、第二反射光束和第二透射光束。

进一步地，该装置还包括第一反射镜和第二反射镜；

第一反射镜位于第一分束镜一侧，用于接收反射光束并将反射光束反射至第二分束镜；

第二反射镜位于第二分束镜一侧，用于分别接收第一反射光束和第二反射光束，并分别将第一反射光束和第二反射光束反射至光路接收单元。

进一步地，第一光路延迟单元包括第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜以及第六反射镜；

第二光路延迟单元包括第一光楔对，第一光楔对包括相对设置的第一光楔片和第二光楔片；

第三光路延迟单元包括第二光楔对，第二光楔对包括相对设置的第三光楔片和第四光楔片；

第一光路补偿单元包括第一补偿片；第二光路补偿单元包括第二补偿片。

进一步地，第一光楔片、第二光楔片、第三光楔片和第四光楔片的形状相同，且第一光楔片、第二光楔片、第三光楔片和第四光楔片的楔形角均为α，其中1°≤α≤3°。

进一步地，第一补偿片的厚度和第二补偿片的厚度相同，且第一补偿片的厚度与第一光楔片和第二光楔片的厚度之和相同；

第一补偿片、第二补偿片、第一光楔片、第二光楔片、第三光楔片以及第四光楔片的材质相同。

进一步地，该装置还包括第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜；

第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜位于第一透射光束和第二透射光束的传播路径上，用于调整第一透射光束和第二透射光束的传播路径。

进一步地，该装置还包括光谱检测单元，光谱检测单元包括第十一反射镜、光阑和光谱仪，光谱仪位于光阑远离第十一反射镜的一侧；

第十一反射镜结构用于接收光路接收单元反射的第一反射光束、第一透射光束、第二反射光束和第二透射光束，并将第一反射光束、第一透射光束、第二反射光束和第二透射光束反射至测试样品上；

光阑位于测试样品远离第十一反射镜的一侧，光阑用于透过第一反射光束、第一透射光束以及第二透射光束经测试样品产生的三阶非线性回波信号以及第二反射光束；

光谱仪接收三阶非线性回波信号以及第二反射光束，检测三阶非线性回波信号以及第二反射光束产生的干涉光谱。

进一步地，第一分束镜与入射至第一分束镜上的光束的夹角为45°；第二分束镜与入射至第二分束镜上的光束的夹角为45°。

进一步地，第一分束镜和第二分束镜均包括半反射镀膜面；且第一分束镜和第二分束镜的反射与透射的分光比均为1:1。

进一步地，光路接收单元包括凹面镜。

本发明实施例提供的被动相位锁定装置，通过设置分束镜单元、光路延迟单元、光路补偿单元以及光路接收单元；分束镜单元包括第一分束镜和第二分束镜，第一分束镜用于将光源发出的光束分为反射光束和透射光束；第二分束镜用于将反射光束分为第一反射光束和第一透射光束，将透射光束分为第二反射光束和第二透射光束；光路延迟单元包括第一光路延迟单元、第二光路延迟单元和第三光路延迟单元；光路补偿单元包括第一光路补偿单元和第二光路补偿单元，各光路延迟单元和各光路补偿单元分别位于各光束的传播路径上并用于延迟或者补偿各光束。本发明实施例的技术方案，可以实现四个光束的相位锁定以及光程差连续可调，无需像现有技术中需要借助额外的反馈电路、控制器等器件才能实现相位锁定，解决了装置复杂、操作繁琐的问题；同时，光路补偿单元可以补偿由于光脉冲经过光路延迟单元而带来的色散，解决了可见光不适合作为光源的问题，达到了装置结构简单、操作简便以及可使用可见光作为光源的效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种被动相位锁定装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种被动相位锁定装置结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种被动相位锁定装置结构示意图；

图4是楔形对对光束实现时间延迟的原理图；

图5是本发明实施例提供的再一种被动相位锁定装置结构示意图；

图6是图5所示的被动相位锁定装置相位稳定性的测试结果；

图7是抽取图6中的波长为800nm的光波的相位稳定性的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种被动相位锁定装置结构示意图，图2是本发明实施例提供的另一种被动相位锁定装置结构示意图。该被动相位锁定装置包括：分束镜单元、光路延迟单元、光路补偿单元以及光路接收单元。分束镜单元包括第一分束镜BS1和第二分束镜BS2；光路延迟单元包括第一光路延迟单元DS1、第二光路延迟单元DS2和第三光路延迟单元DS3；光路补偿单元包括第一光路补偿单元RT1和第二光路补偿单元RT2；光路接收单元包括凹面镜CM1。

继续参照图1，光源发出的光传输至第一分束镜BS1，第一分束镜BS1将光源发出的光束分为反射光束和透射光束。反射光束经由位于第一分束镜BS1一侧的第一反射镜M1反射至第二分束镜BS2，分束镜BS2将反射光束分为第一反射光束b2和第一透射光束b1，透射光束经由第一延迟单元DS1延迟之后传输至分束镜BS2，分束镜BS2将透射光束分为第二反射光束b4和第二透射光束b3；第一反射光束b2和第二反射光束b4经由第二反射镜M2反射至凹面镜CM1，第一透射光束b1和第二透射光束b3传输至凹面镜CM1。其中，第二光路延迟单元DS2位于第一反射光束b2的传播路径上，用于延迟第一反射光束b2；第三光路延迟单元DS3位于第一透射光束b1的传播路径上，用于延迟第一透射光束b1；第一光路补偿单元RT1位于第二反射光束b4的传播路径上，用于补偿第二反射光束b4；第二光路补偿单元RT2位于第二透射光束b3的传播路径上，用于补偿第二透射光束b3。

需要说明的是，可以通过连续调节第一延时单元DS1、第二延时单元DS2和第三延时单元DS3使第一反射光束b2、第一透射光束b1、第二反射光束b4和第二透射光束b3的光程差连续变化，第一光路延迟单元DS1用于实现反射光束和透射光束的时间延迟，第二延迟单元DS2和第三延迟单元DS3用于实现第一反射光束b2和第一透射光束b1的时间延迟，第二反射光束b4和第二透射光束b3的时间延迟可以来自系统误差。

或者，继续参照图2，光源发出的光传输至第一分束镜BS1，第一分束镜BS1将光源发出的光束分为反射光束和透射光束。反射光束经由位于第一分束镜BS1一侧的第一反射镜M1反射至第一延时单元DS1，反射光束经由第一延时单元DS1延时后传输至第二分束镜BS2，分束镜BS2将反射光束分为第一反射光束b2和第一透射光束b1；透射光束传输至分束镜BS2，分束镜BS2将透射光束分为第二反射光束b4和第二透射光束b3；第一反射光束b2和第二反射光束b4经由第二反射镜M2反射至凹面镜CM1，第一透射光束b1和第二透射光束b3传输至凹面镜CM1。其中第二光路延迟单元DS2位于第二反射光束b4的传播路径上，用于延迟第二反射光束b4；第三光路延迟单元DS3位于第二透射光束b3的传播路径上，用于延迟第二透射光束b3；第一光路补偿单元RT1位于第一反射光束b2的传播路径上，用于补偿第一反射光束b2；第二光路补偿单元RT2位于第一透射光束b1的传播路径上，用于补偿第一透射光束b1。

需要说明的是，可以通过连续调节第一延时单元DS1、第二延时单元DS2和第三延时单元DS3使第一反射光束b2、第一透射光束b1、第二反射光束b4和第二透射光束b3的光程差连续变化，第一光路延迟单元DS1用于实现反射光束和透射光束的时间延迟，第二延迟单元DS2和第三延迟单元DS3用于实现第二反射光束b4和第二透射光束b3的时间延迟，第一反射光束b2和第一透射光束b1的时间延迟可以来自系统误差。

需要说明的是，在第一分束镜BS1和第二分束镜BS2之间，第一反射光束b2和第一透射光束b1经过相同的反射镜，第一反射镜M1的晃动对于第一反射光束b2和第一透射光束b1的影响是相同的，可以相互抵消；在第二分束镜BS2和凹面镜CM1之间，第一反射光束b2和第二反射光束b4经过相同的反射镜，第二反射镜M2的晃动对于第一反射光束b2和第二反射光束b4的影响是相同的，可以相互抵消，使得第一反射光束b2、第一透射光束b1、第二反射光束b4和第二透射光束b3，两两通过相同的光路，进而可以抵消掉光路中光学元件的晃动导致的相位不稳定，最终实现四束光束的被动相位锁定。

本发明实施例的技术方案，可以实现四个光束的被动相位锁定以及光程差连续可调，解决了现有技术中相位锁定装置结构复杂、操作繁琐的问题；同时，光路补偿单元可以补偿由于光束经过光路延迟单元而带来的色散，解决了可见光不适合作为光源的问题，达到了装置结构简单、操作简便以及可使用可见光作为光源的效果。

图3是本发明实施例提供的又一种被动相位锁定装置结构示意图。参见图3，该装置还包括第七反射镜M7、第八反射镜M8、第九反射镜M9和第十反射镜M10，用来调整第一透射光束b1和第二透射光束b3的传播路径。

可选的，第一延时单元DS1包括第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5以及第六反射镜M6。第二光路延迟单元包括第一光楔对，第一光楔对包括相对设置的第一光楔片wp1和第二光楔片wp2；第三光路延迟单元包括第二光楔对，第二光楔对包括相对设置的第三光楔片wp3和第四光楔片wp4。其中，第一光楔对在确保与第一反射光束b2传播方向垂直的条件下设置在第一反射光束b2传播路径中的任意位置；第二光楔对在确保与第一透射光束b1传播方向垂直的条件下设置在第一透射光束b1传播路径中的任意位置，这里所说的垂直指的是第一反射光束b2从第一光楔片wp1的直角边一面垂直入射，从第二光楔片wp2的直角边一面垂直出射；第一透射光束b1从第三光楔片wp3的直角边一面垂直入射，从第四光楔片wp4的直角边一面垂直出射。

其中，第五反射镜M5以及第六反射镜M6分别固定在一个平移台上，可以沿第三方向30移动，进而改变对第二反射光束b4和第二透射光束b3的延迟时间；第一光楔片wp1固定在被动相位锁定装置中，第二光楔片wp2固定在一个精密移动平台上，可以沿第一方向10移动，进而改变对第一反射光束b2的延迟时间；第三光楔片wp3固定在被动相位锁定装置中，第四光楔片wp4固定在一个精密移动平台上，可以沿第一方向10移动，进而改变对第一透射光束b1的延迟时间。可以理解的是，可以将第二光楔片wp2固定在被动相位锁定装置中，第一光楔片wp1固定在一个精密移动平台上；将第四光楔片wp4固定在被动相位锁定装置中，第三光楔片wp3固定在一个精密移动平台上。

需要说明的是，图3仅示例性地示出第二延时单元DS2中的第一光楔片wp1的长直角边和第二光楔片wp2的长直角边与第一方向10平行，第一光楔片wp1的短直角边和第二光楔片wp2的短直角边与第二方向20平行，通过第二光楔片wp2沿第一方向10移动改变对第一反射光束b2的延迟时间，但并非对本发明实施例提供的被动相位锁定装置的限定。在其它实施方式中，还可以根据被动相位锁定装置的实际需求，设置第一光楔片wp1的长直角边和第二光楔片wp2的长直角边还可以与第三方向30平行，第一光楔片wp1的短直角边和第二光楔片wp2的短直角边与第一方向10平行，通过第二光楔片wp2沿第三方向30移动改变对第一反射光束b2的延迟时间。第三延时单元DS3中的第三光楔片wp3和第四光楔片wp4的排布与第二延时单元DS2中的第一光楔片wp1和第二光楔片wp2的排布相似，此处不再赘述。

图4是楔形对对光束实现时间延迟的原理图。参照图4，光楔对包括第五光楔片wp5和第六光楔片wp6，第五光楔片wp5固定在精密移动平台mp上，可以沿着10方向上下移动，第六光楔片wp6始终处于固定状态。光束b从第五光楔片wp5直角边一面垂直入射，从第五光楔片wp5斜边一面出射，然后，从第六光楔片wp6斜边一面入射，从第六光楔片wp6直角边一面垂直出射。当第五光楔片wp5随着精密移动平台mp沿着10方向移动时，光束b在第五光楔片wp5中传输的几何长度d改变，进而改变光束b的光程。

需要说明的是，利用两块对应设置的光楔片，并通过改变光束在光楔片中传播的几何长度可以实现光路的延迟，相比于现有技术中使用精密的延迟线来实现对光的延迟，具有操作简单，成本低的效果。

可选的，第一光路补偿单元RT1包括第一补偿片rt1，第一补偿片rt1在确保与第二反射光束b4传播方向垂直的条件下设置在第二反射光束b4传播路径中的任意位置；第二光路补偿单元RT2包括第二补偿片rt2，第二补偿片rt2在确保与第二透射光束b3传播方向垂直的条件下设置在第二透射光束b3传播路径中的任意位置。

可选的，第一光楔片wp1、第二光楔片wp2、第三光楔片wp3和第四光楔片wp4的形状相同，且第一光楔片wp1、第二光楔片wp2、第三光楔片wp3和第四光楔片wp4的楔形角均为α，其中1°≤α≤3°。

可选的，第一补偿片rt1的厚度和第二补偿片rt2的厚度相同，且第一补偿片rt1的厚度与第一光楔片wp1和第二光楔片wp2的厚度之和相同；第一补偿片rt1、第二补偿片rt2、第一光楔片wp1、第二光楔片wp2、第三光楔片wp3以及第四光楔片wp4的材质相同。

其中，第一光楔对位于第一反射光束b2的传播路径上，当第一反射光束b2经过第一光楔对时，第一光楔对对第一反射光束b2具有色散作用，同时对第一反射光束b2的光程产生影响；第一补偿片rt1位于第二反射光束b4的传播路径上，用于补偿由于第一光楔对对第一反射光束b2的色散作用以及对第一反射光束b2的光程影响；第二光楔对位于第一透射光束b1的传播路径上，当第一透射光束b1经过第二光楔对时，第二光楔对对第一透射光束b1具有色散作用，同时对第一透射光束b1的光程产生影响；第二补偿片rt2位于第二透射光束b3的传播路径上，用于补偿由于第二光楔对对第一透射光束b1的色散作用以及对第一透射光束b1的光程影响。

示例性的，第一光楔对、第二光楔对和第一补偿片rt1、第二补偿片rt2的材质相同均为石英。第一补偿片rt1、第二补偿片rt2的尺寸为25mm*25mm*2.87mm；第一光楔片wp1、第二光楔片wp2、第三光楔片wp3和第四光楔片wp4的尺寸均为50mm*25mm，薄边的厚度为1mm，厚边厚度为1.87mm。第一光楔片wp1、第二光楔片wp2、第三光楔片wp3和第四光楔片wp4的楔角均为1-3°，方便实现扫描相干时间。

可选的，第一分束镜BS1和第二分束镜BS2均包括半反射镀膜面；且第一分束镜BS1和第二分束镜BS2的反射与透射的分光比均为1:1。可选的，光路接收单元包括凹面镜CM1。

其中，为了避免引入过多色散，第一分束镜BS1和第二分束镜BS2的基片不宜太厚，示例性的，为1-3mm。示例性的，第一至第十反射镜M1-M10为1英尺金属膜反射镜，光脉冲反射过程中不会影响脉冲的形状；第一凹面镜CM1为2英尺、焦距25厘米的金属膜凹面镜。

可选的，第一分束镜BS1与入射至第一分束镜BS1上的光束的夹角为45°；第二分束镜BS2与入射至第二分束镜BS2上的光束的夹角为45°。

其中，第一分束镜BS1与入射至第一分束镜BS1上的光束的夹角为45°；第二分束镜BS2与入射至第二分束镜BS2上的光束的夹角为45°，每个反射镜都满足45°入射，可以使得被动相位锁定装置中的光路横平竖直。

需要说明的是，在第一分束镜BS1和第二分束镜BS2之间，第一反射光束b2和第一透射光束b1经过相同的反射镜，第一反射镜M1的晃动对于第一反射光束b2和第一透射光束b1的影响是相同的，可以相互抵消；第二反射光束b4和第二透射光束b3经过相同的反射镜，第三至第六反射镜M3-M6的晃动对于第二反射光束b4和第二透射光束b3的影响是相同的，可以相互抵消。在第二分束镜BS2和凹面镜CM1之间，第一反射光束b2和第二反射光束b4经过相同的反射镜，反射镜M2的晃动对于第一反射光束b2和第二反射光束b4的影响是相同的，可以相互抵消；第一透射光束b1和第二透射光束b3经过相同的反射镜，第七至第十反射镜M7-M10的晃动对于第一透射光束b1和第二透射光束b3的影响是相同的，可以相互抵消。光路的设置使得第一反射光束b2、第一透射光束b1、第二反射光束b4和第二透射光束b3，两两通过相同的光路，进而可以抵消掉光路中光学元件的晃动导致的相位不稳定，最终实现四束光束的被动相位锁定。

图5是本发明实施例提供的再一种被动相位锁定装置结构示意图。参见图5，该被动锁相装置还包括：光谱检测单元，光谱检测单元包括第十一反射镜M11、光阑S2和光谱仪S3，光谱仪S3位于光阑S2远离第十一反射镜M11的一侧；第十一反射镜M11用于接收光路接收单元反射的第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3和第二反射光束b4，并将第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3和第二反射光束b4反射至测试样品S1上；光阑S2位于测试样品远离第十一反射镜M11的一侧，光阑S2用于透过第一透射光束b1、第一反射光束b2、以及第二透射光束b3经测试样品产生的三阶非线性回波信号以及第二反射光束b4；光谱仪接收三阶非线性回波信号以及第二反射光束b4，检测三阶非线性回波信号以及第二反射光束b4产生的干涉光谱。

示例性的，第十一反射镜M11为1/2英尺金属膜反射镜，第十一反射镜M11的材质与第一至第十反射镜M1-M10的材质相同。

示例性的，通过调节第五反射镜M5和第六反射镜M6、第二光楔片wp2和第四光楔片wp4使得第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3和第二反射光束b4依次到达样品S1，第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3依次到达样品S1后，产生多个三阶非线性回波信号，其中一个三阶非线性回波信号与第二反射光束b4的波矢方向相同，该三阶非线性回波信号与第二反射光束b4通过光阑S2的小孔到达干涉仪S3并发生干涉，干涉仪S3可以检测该三阶非线性回波信号以及第二反射光束b4产生的干涉光谱。

在上述装置的基础上，实现被动相位锁定的具体原理如下：

电磁波的表达形式为：

E＝E₀e^i(kr-wt)

其中，E₀为电磁场的振幅，k为电磁波的波矢，r为电磁波传播的位移，t为电磁场波传播的时间，kr-wt即为电磁波的相位项。由于第一反射光束b2、第一透射光束b1、第二反射光束b4和第二透射光束b3的传播位移是相等的，所以此处不再考虑相位项kr。

定义t1、t2、t3、t4分别为第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3和第二反射光束b4和的传播时间，Δt1、Δt2、Δt3、Δt4分别为由于镜架的晃动导致的第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3和第二反射光束b4的传播时间的改变量。示例性的，第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3和第二反射光束b4依次到达样品S1，装置中最终测量的相位是第一透射光束b1、第一反射光束b2、第二透射光束b3与样品S1相互作用产生的三阶非线性回波信号的相位与第二反射光束b4相位的叠加：

w(-t1+t2+t3-t4)+w(-Δt1+Δt2+Δt3-Δt4)

在第一分束镜BS1和第二分束镜BS2之间，第一反射光束b2和第一透射光束b1经过相同的反射镜，第一反射镜M1的晃动对于第一反射光束b2和第一透射光束b1的影响是相同的，即Δt1＝Δt2；第二反射光束b4和第二透射光束b3经过相同的反射镜，第三至第六反射镜M3-M6的晃动对于第二反射光束b4和第二透射光束b3的影响是相同的，即Δt3＝Δt4。将Δt1＝Δt2和Δt3＝Δt4带入三阶非线性回波信号与第二反射光束b4的相位叠加公式中，可得：

w(-t1+t2+t3-t4)+w(-Δt1+Δt2+Δt3-Δt4)＝w(-t1+t2+t3-t4)

在第二分束镜BS2和凹面镜CM1之间，第一反射光束b2和第二反射光束b4经过相同的反射镜，反射镜M2的晃动对于第一反射光束b2和第二反射光束b4的影响是相同的，即Δt2＝Δt4；第一透射光束b1和第二透射光束b3经过相同的反射镜，第七至第十反射镜M7-M10的晃动对于第一透射光束b1和第二透射光束b3的影响是相同的，即Δt1＝Δt3。将Δt2＝Δt4和Δt1＝Δt3带入三阶非线性回波信号与第二反射光束b4的相位叠加公式中，可得：

w(-t1+t2+t3-t4)+w(-Δt1+Δt2+Δt3-Δt4)＝w(-t1+t2+t3-t4)

由此可见，第一反射光束b2、第一透射光束b1、第二反射光束b4和第二透射光束b3，由于两两通过相同的光路，进而可以抵消掉光路中光学元件的晃动导致的相位不稳定，最终实现四束光束的被动相位锁定。

图6是图5所示的被动相位锁定装置相位稳定性的测试结果。实验过程中，采用中心波长为800nm、脉冲时间为100fs、重复频率为1000Hz的飞秒激光放大器作为光源去激发二硫化碳样品，通过调节第一延迟单元DS1、第二延迟单元DS2和第三延迟单元DS3调节四束光脉冲到达二氧化硫样品的时间前后。先到达二硫化碳样品的三束光脉冲与二硫化碳样品相互作用会产生一个三阶非线性回波信号，并且该三阶非线性回波信号的波矢方向与第四束光脉冲的波矢方向完全重合，将该三阶非线性回波信号与第四束光脉冲一同导入光谱仪中，可以得到了两者干涉的光谱图。该光谱图可以反映四束光脉冲的相位稳定情况，即不同时间三阶非线性回波信号与第四束光脉冲干涉的稳定情况，反映的是被动相位锁定装置中四束光脉冲的相位稳定情况。

继续参照图6，横轴为入射激光的波长范围，中心波长在800nm，光谱覆盖范围大致在785-815nm范围内，纵轴为三阶非线性回波信号与第四束光脉冲干涉的测量时间，图中信号的大小为三阶非线性回波信号与第四束光脉冲干涉的强度大小，不同波长干涉信号大小的不同是由于不同波长的干涉情况不同，有些波长干涉处于相干相涨状态，而有些波长干涉处于相干相消的状态。可以看出，所有波长的干涉信号在120分钟内几乎没有发生变化，即三阶非线性回波信号与第四束光脉冲的干涉在120分钟内是完全稳定的，即被动相位锁定装置中得到的四束光脉冲的相位是稳定的，四束光脉冲的相位被动锁定得以实现。

图7是抽取图6中的波长为800nm的光波的相位稳定性的测试结果。横轴为三阶非线性回波信号与第四束光脉冲干涉的测量时间，纵轴为干涉相位的改变量，在120分钟内，干涉相位的改变量在0.06弧度以内，即相位锁定精度可以达到1/300个波长量级，足以满足二维光谱实验要求。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种被动相位锁定装置，其特征在于，包括分束镜单元、光路延迟单元、光路补偿单元以及光路接收单元；

其中，所述分束镜单元包括第一分束镜和第二分束镜，所述第一分束镜用于将光源发出的光束分为反射光束和透射光束；所述第二分束镜位于所述第一分束镜远离所述光源的一侧，用于将所述反射光束分为第一反射光束和第一透射光束，将所述透射光束分为第二反射光束和第二透射光束；

所述光路延迟单元包括第一光路延迟单元、第二光路延迟单元和第三光路延迟单元；所述光路补偿单元包括第一光路补偿单元和第二光路补偿单元；

所述光路接收单元用于分别接收所述第一反射光束、所述第一透射光束、所述第二反射光束和所述第二透射光束；

其中，所述第一光路延迟单元位于所述第一分束镜与所述第二分束镜之间且位于所述反射光束的传播路径上，用于延迟所述反射光束；所述第二光路延迟单元位于所述第二反射光束的传播路径上，用于延迟第二反射光束；所述第三光路延迟单元位于所述第二透射光束的传播路径上，用于延迟所述第二透射光束；所述第一光路补偿单元位于所述第一反射光束的传播路径上，用于补偿所述第一反射光束；所述第二光路补偿单元位于所述第一透射光束的传播路径上，用于补偿所述第一透射光束；

或者，所述第一光路延迟单元位于所述第一分束镜与所述第二分束镜之间且位于所述透射光束的传播路径上，用于延迟所述透射光束；所述第二光路延迟单元位于所述第一反射光束的传播路径上，用于延迟第一反射光束；所述第三光路延迟单元位于所述第一透射光束的传播路径上，用于延迟所述第一透射光束；所述第一光路补偿单元位于所述第二反射光束的传播路径上，用于补偿所述第二反射光束；所述第二光路补偿单元位于所述第二透射光束的传播路径上，用于补偿所述第二透射光束。

2.根据权利要求1所述的被动相位锁定装置，其特征在于，还包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜位于所述第一分束镜一侧，用于接收所述反射光束并将所述反射光束反射至所述第二分束镜；

所述第二反射镜位于所述第二分束镜一侧，用于分别接收所述第一反射光束和所述第二反射光束，并分别将所述第一反射光束和所述第二反射光束反射至所述光路接收单元。

3.根据权利要求2所述的被动相位锁定装置，其特征在于，

所述第一光路延迟单元位于所述第一分束镜与所述第二分束镜之间且位于所述透射光束的传播路径上，用于延迟所述透射光束；所述第二光路延迟单元位于所述第一反射光束的传播路径上，用于延迟第一反射光束；所述第三光路延迟单元位于所述第一透射光束的传播路径上，用于延迟所述第一透射光束；所述第一光路补偿单元位于所述第二反射光束的传播路径上，用于补偿所述第二反射光束；所述第二光路补偿单元位于所述第二透射光束的传播路径上，用于补偿所述第二透射光束；

所述第一光路延迟单元包括第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜以及第六反射镜；

所述第二光路延迟单元包括第一光楔对，所述第一光楔对包括相对设置的第一光楔片和第二光楔片；

所述第三光路延迟单元包括第二光楔对，所述第二光楔对包括相对设置的第三光楔片和第四光楔片；

所述第一光路补偿单元包括第一补偿片；

所述第二光路补偿单元包括第二补偿片。

4.根据权利要求3所述的被动相位锁定装置，其特征在于，所述第一光楔片、所述第二光楔片、所述第三光楔片和所述第四光楔片的形状相同，且第一光楔片、所述第二光楔片、所述第三光楔片和所述第四光楔片的楔形角均为α，其中1°≤α≤3°。

5.根据权利要求4所述的被动相位锁定装置，其特征在于，所述第一补偿片的厚度和所述第二补偿片的厚度相同，且所述第一补偿片的厚度与所述第一光楔片和所述第二光楔片的厚度之和相同；

所述第一补偿片、所述第二补偿片、所述第一光楔片、所述第二光楔片、所述第三光楔片以及所述第四光楔片的材质相同。

6.根据权利要求1所述的被动相位锁定装置，其特征在于，

所述第一光路延迟单元位于所述第一分束镜与所述第二分束镜之间且位于所述透射光束的传播路径上，用于延迟所述透射光束；所述第二光路延迟单元位于所述第一反射光束的传播路径上，用于延迟第一反射光束；所述第三光路延迟单元位于所述第一透射光束的传播路径上，用于延迟所述第一透射光束；所述第一光路补偿单元位于所述第二反射光束的传播路径上，用于补偿所述第二反射光束；所述第二光路补偿单元位于所述第二透射光束的传播路径上，用于补偿所述第二透射光束；

还包括第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜；

所述第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜位于所述第一透射光束和所述第二透射光束的传播路径上，用于调整所述第一透射光束和所述第二透射光束的传播路径。

7.根据权利要求1所述的被动相位锁定装置，其特征在于，

所述第一光路延迟单元位于所述第一分束镜与所述第二分束镜之间且位于所述透射光束的传播路径上，用于延迟所述透射光束；所述第二光路延迟单元位于所述第一反射光束的传播路径上，用于延迟第一反射光束；所述第三光路延迟单元位于所述第一透射光束的传播路径上，用于延迟所述第一透射光束；所述第一光路补偿单元位于所述第二反射光束的传播路径上，用于补偿所述第二反射光束；所述第二光路补偿单元位于所述第二透射光束的传播路径上，用于补偿所述第二透射光束；

所述被动相位锁定装置还包括光谱检测单元，所述光谱检测单元包括第十一反射镜、光阑和光谱仪，所述光谱仪位于所述光阑远离所述第十一反射镜的一侧；

所述第十一反射镜结构用于接收所述光路接收单元反射的第一反射光束、第一透射光束、第二反射光束和所述第二透射光束，并将所述第一反射光束、第一透射光束、第二反射光束和所述第二透射光束反射至测试样品上；

所述光阑位于所述测试样品远离所述第十一反射镜的一侧，所述光阑用于透过所述第一反射光束、所述第一透射光束以及所述第二透射光束三个光束经所述测试样品共同产生的三阶非线性回波信号以及所述第二反射光束；

所述光谱仪接收所述三阶非线性回波信号以及所述第二反射光束，检测所述三阶非线性回波信号以及所述第二反射光束产生的干涉光谱。

8.根据权利要求1所述的被动相位锁定装置，其特征在于，所述第一分束镜与入射至所述第一分束镜上的光束的夹角为45°；所述第二分束镜与入射至所述第二分束镜上的光束的夹角为45°。

9.根据权利要求1所述的被动相位锁定装置，其特征在于，所述第一分束镜和所述第二分束镜均包括半反射镀膜面；且所述第一分束镜和所述第二分束镜的反射与透射的分光比均为1:1。

10.根据权利要求1所述的被动相位锁定装置，其特征在于，所述光路接收单元包括凹面镜。

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