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CN101903759A - 用于一次测量由位于太赫频率范围内的干扰引起的瞬时双折射的方法和设备 - Google Patents

用于一次测量由位于太赫频率范围内的干扰引起的瞬时双折射的方法和设备 Download PDF

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CN101903759A CN200880122290.XA CN200880122290A CN101903759A CN 101903759 A CN101903759 A CN 101903759A CN 200880122290 A CN200880122290 A CN 200880122290A CN 101903759 A CN101903759 A CN 101903759A
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Abstract

本发明涉及一种对由位于太赫频率范围内的干扰在光学介质中引起的瞬时双折射进行直接的、非变形的、一次测量的方法和设备。本发明的目的是通过提供一次测量方法和一次测量设备来减轻现有技术的缺点，所述方法和设备基于光谱编码/解码原理，与所有短脉冲(UV-NIR)激光源兼容。在这点上，本发明提供了一种用于对由至少一个太赫干扰(6)在光学介质(12)中引起的瞬时双折射进行测量的一次方法，该方法包括对脉冲光学信号(2)进行发射和光谱编码的步骤。包括生成超连续谱(3)的步骤的编码步骤还通过在两个偏振方向上对超连续谱的电场进行分解并且同时测量两个分量的强度Is和Ip而与对介质(12)的由干扰(6)引起的超连续谱的偏振椭圆率进行解码的步骤组合起来。

Description

用于一次测量由位于太赫频率范围内的干扰引起的瞬时双折射的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于对由位于太赫频率范围内的干扰在光学介质中引起的瞬时双折射进行直接的、不变形的、一次测量的设备。
本发明涉及表征在光学介质中引起的双折射的技术领域，更具体地，涉及电光或磁光诊断领域。在这点上，本发明尤其适用于太赫光谱学、适用于电子元件的表征、并适用于带电和加速粒子束的诊断。
背景技术
用于表征太赫放射的时间分布的常规采样方法基于普克尔斯(Pockels)效应。该表征方法因此包括在受到太赫放射的点处使被称为传感器信号的脉冲光学信号通过光学介质的步骤。因此，传感器脉冲的电场沿着所引起的双折射的两个轴经历相位延迟。那么，根据例如通过对传感器脉冲信号的电磁场的偏振进行调制而获得的相位延迟时变的了解，可以将太赫放射的时间分布重建为时间的函数(L Duvillaret，S Rialand，J-L Coutaz，J Opt.Soc.Am.B 19，2962 2000)。
常规的电光采样基于将要测量的信号的重复。太赫放射的时间分布是根据通过改变太赫放射与超短传感器激光脉冲之间的时间延迟而获得的连续采集而重新构成的。由于使用了连接到同步放大器或“锁相(lock-in)放大器”的高重复率(MHz)激光源，因此基于该技术的电光采样设备可获得亚皮秒时间分辨率，并且在多个数量级上都很灵敏(JA Valdmanis，G Mourou，IEEE J Quantum Electron.22，69 1986)。
然而，对于许多应用来说，上述技术并不适用，尤其是在涉及表征不稳定系统(生物样品、起反应的物理化学系统、移动或不稳定对象的成像)的应用的情况下，或者在实验具有固有的逐次波动的情况下。因此，在某些配置中，太赫放射不能精确地与传感器脉冲同步。在其它情况下，参照基准光学时钟来具体表征这种太赫放射中的波动。
对于这些常规的电光采样不适用的情况，已经提出了用于对太赫放射的时间分布进行单次记录的方法。
历史上，提出的第一种单次采集方法包括在通过频率漂移而在时间上扩展的传感器激光脉冲的光谱上对太赫放射的时间分布进行编码的步骤。接着，凭借对时频色散关系的了解，通过在光谱仪中色散传感器脉冲来解码太赫脉冲。接着，提及了光谱编码/解码(Z Jiang，X-C Zhang，Appl.Phys.Lett.72，1945 1998；X-C Zhang，Z Jiang，US 6,573,700 2003)。
在这种单次测量方案中，检测窗口的时间分辨率和宽度由传感器脉冲信号的谱宽联系起来。这是该编码/解码原理的固有限制。因此，认为设备的时间分辨率的测量由以下等式给出(F G Sun，Z Jiang，X-C Zhang，Appl.Phys.Lett.73，2233 1998；J R Fletcher，Opt.Exp.10，1425 2002)：
T Min = T 0 . T C , 其中
-TMin是对时间分辨率的测量；
-To是受到傅立叶变换限制的传感器脉冲的持续时间；
-Tc是扩展的传感器脉冲的持续时间。
为了克服上述限制，已经做出了许多努力，特别是在对加速粒子的脉冲的表征方面，以开发具有更高的时间分辨率的设备。因此已提出了新颖的方法：
-干涉解码，该方法根据干涉图形对光学传感器的扩展光谱上记录的感生双折射信息进行解码。由于需要根据复杂算法来重新构成时间分布，因此该方法是间接的(B Yellampalle，K Y Kim，G Rodriguez，J H Glownia，A J Taylor，Appl.Phys.Lett.，87，211109 2005和J Y Kim，B Yellampalle，GRodriguez，R D Averitt，A J Taylor，J H Glownia，Appl.Phys.Lett.，88，041123 2006)；
-空间编码/解码，该方法包括对太赫放射在传感器脉冲信号的直径上的时间分布进行编码/解码(J Shan，A S Weling，E Knoesel，L Bartels，MBonn，A Nahata，G A Reider，T F Heinz，Opt.Lett.25，426 2000)：S PJamison，J Shen，A M Macleod，W A Gillespie，D A Jaroszynski，Opt.Let.28，1710 2003和K Y Kim，B Yellampalle，A J Taylor，G Rodriguez，J H Glownia，Opt.Lett.32，1968 2-7以及在最后一篇文章中引用的文献)。
这些设备免除了对光谱解码的时间分辨率的限制，并且使得能够对持续时间短的太赫脉冲进行单次诊断。然而，这些空间解决方案中没有一个可以适用于测量持续时间大于几皮秒的脉冲。此外，在射束校正方面，这些新的单次方法难以实施，并且几乎不适合于太赫成像的环境。
现有的单次解决方案的另一个重要限制来自于利用交叉的偏振器的解码，即通过在两个定向的偏振器之间放置电光介质，使得在没有电磁场的情况下不发送传感器。这种形式的检测意味着信号根据相位延迟幅度的非线性响应。在大多数应用中，有意地将分析器定向以收集几乎为零的光偏置并且获得响应函数中的附加项，以测量电光信号的双极性。
因此，响应函数由以下等式F1定义，其对于小的相位延迟有效，使得Γ+Γ0＜0.5rad：
Isignal＝I0.(Γ2+2Γ.Γ0+Γ0 2)，其中(F1
-Isignal是所测量信号的强度；
-I0是传感器信号的强度；
-Γ是由引起的双折射造成的相位延迟；并且
-Γ0是光偏置，或者在没有引起的双折射的情况下所测量的相位延迟。
等式F1描述的情况可以使用锁相类型的检测来简化，因此能够省略项Γ0 2。然而，即使在这种简化情况下，对于单次检测来说，现在也是难以想象的，现有技术表明所测量信号包括失真和假象(Z Jiang，F G Sun，QChen，Appl.Phys.Lett.74，1191 1999；Y Li，Appl.Phys.Lett.88，2511082006)。在不了解将要表征的电磁场的特征、传感器信号I0的特征和这两个脉冲之间的时间延迟的波动的情况下，这些失真通常不能得到校正。此外，由于所测量信号对传感器信号I0的强度和光偏置Γ0的依赖，因此编码后的信号沿着传感器脉冲的高斯强度分布仍然受到干扰。
对太赫放射的单次测量的应用的一个重要领域涉及时域中的太赫光谱学领域。根据该分析技术，寻求表征例如太赫频率范围中光学介质的吸收特性。为此目的，测量方法包括使用和不使用光学介质对太赫脉冲的外形进行两次采集的步骤。然而，该测量方法受到太赫脉冲源中的波动的干扰，限制了其灵敏度(S P Mickana，K-S Leeb，T-M Lub，J Munch，DAbbotta，X-C Zhang，Microelectronics Journal 33，1033 2002)。
单次测量技术完全基于对具有短脉冲的激光源的使用，短脉冲的持续时间通常处于皮秒(ps)到飞秒(fs)范围内。因此，根据上述方法的单次设备的性能不仅与这些脉冲的诸如脉冲的光谱和持续时间的特征直接相关，而且还与脉冲的空间和时间稳定性相关。
此外，当前的和正在开发中的强太赫放射源、或新一代的粒子加速器主要基于对fs/ps范围内的脉冲激光源的使用，脉冲激光源的特征适合于这些放射源或粒子源。在大多数情况下，这些由激光源传送的脉冲的特征因此不适于上述单次方法的使用。当前在市场上存在可以用于太赫放射生成或粒子加速的很大竞争范围的脉冲激光器，但所传送的脉冲的特征不同。
发明内容
本发明的目的在于通过提出一种基于光谱编码/解码原理的一次测量的方法和设备来克服现有技术的这些缺点，所述方法和设备与所有的短脉冲激光源(UV-NIR)兼容，并且能够在较宽的太赫频率范围(例如，0.01-20太赫)上工作。
本发明的目的尤其在于以绝对的方式(振幅和符号)且非变形地(即，不依赖于该相位延迟的振幅)测量在受到干扰的光学介质中引起的相位延迟，和在其上对该相位延迟进行了编码的脉冲类型的光学信号的特征。
此外，本发明的目的在于产生能够在整个光谱分析窗口上检测少于5mrad的相位延迟的单次设备。
下面描述的本发明提出了集中由激光器传送的脉冲光学信号的至少部分能量，以生成超连续谱(supercontinum)，接着在所述超连续谱上对太赫干扰所穿过的光学介质的双折射的变化进行编码。
本发明接着提出了根据同时检测配置利用对超连续谱的偏振椭圆率的测量来计算太赫干扰引起的相位延迟。
在这点上，在其最一般的认同中，本发明涉及一种用于对由至少一个太赫干扰6在光学介质12中引起的瞬时双折射进行单次测量的方法，该方法包括对脉冲光学信号2进行发射和光谱编码的步骤。包括产生超连续谱3的步骤的所述编码步骤还通过在两个偏振方向上分解所述超连续谱的电场并同时测量两个分量的强度Is和Ip而与对所述介质12的由所述干扰6引起的所述超连续谱的偏振椭圆率进行解码的步骤组合起来。
根据特定实施方式：
-该方法包括对所述超连续谱的所述电场的所述两个分量的强度Is和Ip进行平衡的步骤；
-为了不受所述脉冲光学信号的光谱和时间特征影响，所述生成所述超连续谱的步骤具有以单丝模式(monofilament mode)传播所述脉冲光学信号的至少一部分的阶段；
-该方法包括至少一个通过校正设备的色像差和空间像差进行光学补偿的步骤；
-所述编码步骤包括时间整形步骤，所述时间整形步骤包括扩展所述超连续谱的阶段，该阶段包括沿对于所述超连续谱的所有波长都相同的几何路径传播所述超连续谱；
-该方法包括对所述超连续谱的光谱、空间和时间分布进行整形的步骤；和/或
-该方法包括：
i.将所述太赫干扰空间分离为分析太赫干扰和基准太赫干扰这两个基准太赫干扰的步骤；
ii.对分析太赫干扰和基准太赫干扰这两个太赫干扰进行时间偏移的步骤；以及
iii.在所述超连续谱的脉冲上对分析太赫干扰和基准太赫干扰这两个太赫干扰进行编码的步骤。
本发明还涉及一种用于对由至少一个太赫干扰在光学介质中引起的瞬时双折射进行单次测量的设备，该设备包括：发射脉冲光学信号的源；和对所述脉冲光学信号进行光谱编码的装置。包括生成超连续谱的装置的所述光谱编码装置通过在两个偏振方向S和P上分解所述超连续谱的电场而与同时测量两个分量的强度Is和Ip的单元组合起来。
根据特定实施方式：
-为了不受所述脉冲光学源的空间和时间特征影响，所述生成所述超连续谱的装置包括形成单丝(monofilament)的装置；
-该设备包括聚焦光学脉冲的装置，从而集中部分能量直到能量在非线性介质中达到根据单丝模式的传播阈值为止；
-该设备包括聚焦所述光学脉冲以将这些脉冲中的一些脉冲注入到光纤内的装置；
-该设备包括布置在所述脉冲的光学路径上的至少一个聚焦装置和光圈，以减弱空间波动对所述超连续谱的生成的影响；
-所述分解装置包括平衡元件；
-所述平衡元件由与偏振器相关联的四分之一波片组成；
-所述分解装置包括校正所述设备的色像差和空间像差的装置；
-所述分解装置包括分别位于所述超连续谱的所述两个分量的光学路径上并各自具有与所述偏振器相反的功能的两个副偏振分光片；
-所述生成装置具有调整所述超连续谱的装置，该调整所述超连续谱的装置包括用于控制所述超连续谱的时间扩展的色散透镜；
-所述超连续谱3的所述电场的所述两个分量中的至少一个分量通过至少一根光纤向着光谱仪传播；和/或
该设备还包括将所述太赫干扰6空间分离为分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b这两个太赫干扰的装置50)和用于对分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b这两个太赫干扰中的一个进行时间偏移的装置52。
根据另一个方面，本发明涉及根据本发明的设备针对以下用途的应用：
-用于太赫光谱仪；或
-用于诊断带电和加速粒子束。
生成所述超连续谱与同时检测的组合使得能够在整个时间分析窗口上以一致的灵敏度来获得对所述瞬时双折射变化的直接和非变形的测量并且仅仅受到散粒噪声的限制。
这是因为，根据所述脉冲光学信号生成所述超连续谱使得能够将测量设备与所述脉冲光学信号的特征解耦。此外，可以将所述超连续谱生成为在检测窗口上具有基本平坦的光谱强度分布，这通过获得在所述时间窗口上恒定的信噪比而提高了测量的质量。
所述分析窗口的这种均化可以在生成所述超连续谱时直接完成，并且还可以根据所需要的均化程度在通过无源或有源透镜生成所述超连续谱后成为补充步骤的主题。
此外，对所述超连续谱的分量的强度进行同时的和平衡的检测的益处在于使得能够消除传感器脉冲信号的强度的波动。平衡的检测还使得能够直接获得引起的相位延迟的振幅和符号，而没有由于正交的偏振器造成的差错。应用于对太赫干扰的表征，这种平衡的检测使得能够发现光学介质中太赫电磁场的值。
逐次地执行宽带平衡检测使得能够在仅受到检测器的散粒噪声的限制的条件下测量瞬时双折射变化。
使用偏振分光片有利地将色彩空间错误减到最小。使用补偿剩余色彩错误的装置提高了对脉冲传感器信号的电场分量进行平衡与超连续谱的空间波动相比的稳定性。
测量椭圆率的设备包括两根光纤的事实还使得能够不受光谱仪入口狭缝上的空间波动影响。
最后，根据太赫干扰生成两个相对于彼此在时间上偏移的太赫干扰并在超连续谱的光谱的两个不同部分上对这两个太赫干扰进行同时编码使得能够不受所使用的太赫源的波动影响。
因此，根据本发明的方法和设备兼容于所有的短脉冲激光源(UV-NIR)，并且测量的性能不依赖于所使用的脉冲激光源。此外，设备的灵敏度仅仅受到散粒噪声的限制，并且时间分析窗口可以连续地在0.01和20THz之间调整，与现有技术的设备相比具有更好的时间分辨率和至少相等的灵敏度。
附图说明
通过参考附图来阅读以下详细的示例实施方式，本发明的其它特征和优点将会显现，在附图中：
图1是根据本发明的设备的第一示例实施方式的示意性表示；
图2是根据本发明的设备的第二示例实施方式的示意性表示；
图3A到图3C是显示了根据本发明的设备的稳定性和灵敏度的测量；
图4是对Zn:Te晶体中引起的电场的时间分布的一次记录；以及
图5是对电子包的电场的时间分布和太赫电磁场在时间上的偏移的一次记录。
具体实施方式
尽管以下描述主要涉及电磁场，但应当理解，根据本发明的测量方法和设备可以用于以独立于引起太赫范围的瞬时双折射的干扰的性质的方式测量这种双折射变化。具体地说，太赫干扰可以由声波、激光脉冲的震动等引起。
因此，术语“太赫干扰”是指太赫频率范围内的电磁场、声波或者其它干扰中的任一种。
此外，以下使用的术语“光学介质”是指易于出现由外部干扰引起的双折射的任何物理介质(固体、液体或气体)。
此外，以下在超连续谱穿过光学介质的特定情况下描述了通过对由光学介质的双折射引起的偏振调制进行的编码。但是，在不偏离本发明的范围的情况下，该方法和设备还适用于任何其它偏振调制手段，例如光学介质的表面上的反射。
单词“生成超连续谱”涉及公知的过程，该过程包括通过各种非线性过程来修改光学脉冲的具有强度I(λ)的光谱分布，以获得非常明显的光谱加宽。存在用于生成同样具有变化的特征的超连续谱的许多种方法。以下对本发明的示例实施方式的说明描述了本发明的背景下的几种有利的生成模式。
此外，在本发明的背景下，“超连续谱”被用作产生与所有脉冲激光源兼容的设备的手段，在不偏离本发明的范围的情况下，该术语“超连续谱”扩展到放大所述超连续谱的光谱的部分的所有过程。
下面将参考图1中示出的第一示例实施方式来描述根据本发明的测量方法。
在该示例实施方式中，光学介质12受到太赫电磁场的形式的太赫干扰6。在该太赫电磁场6的影响下，修改了光学介质12的双折射。接着在光学介质12中建立了瞬变状态，光学介质12在该瞬变状态期间具有由具有光学指数ne(λ，t)和no(λ，t)(λ和t分别表示波长和时间)的两个正交光轴(或者中和线)所表征的瞬时双折射。
根据第一示例实施方式，根据本发明的测量方法包括从如具有飞秒(fs)或皮秒(ps)的时间范围中的超短脉冲的激光源的光源14发射脉冲光学信号2的第一步骤。使该光学脉冲源14与太赫干扰6同步。
脉冲光学信号2通过生成超连续谱3的装置4进行传播。因此，根据非线性过程，脉冲光学信号2的部分能量通过聚焦装置17注入到如蓝宝石衬底的非线性材料18内，从而取得脉冲光学信号2在非线性材料18中传播所需的足够强度，以与所述非线性材料18有效地交互。因此，脉冲光学信号2的一部分被转换为超连续谱3。
有利地，用于生成超连续谱3的装置4还包括调整超连续谱3的装置19。因此，通过色散透镜，使超连续谱3准直，并且使超连续谱3的时间扩展适于预定的分析窗口。
还通过偏振装置20对超连续谱3进行线偏振，并且对超连续谱的偏振进行定向，使得在穿过受到太赫干扰6干扰的光学介质12后将线偏振转换为椭圆偏振。
根据一个变型例(未示出)，在脉冲光源14中实现超连续谱3的生成。这是例如使用所谓的白光激光器时的情况。
接着在光学介质12的受干扰部分中传播超连续谱3，以探测由太赫干扰6引起的瞬时双折射。调节超连续谱3与太赫干扰之间的时间延迟，因此两个信号在光学介质12中在时间上重叠。
有利地，调节超连续谱3的强度的光谱分布，以使其呈现基本平坦的分布。这种对分析窗口的均化可以在生成超连续谱3时直接完成，并且还可以有利地根据所需要的均化程度成为在通过无源或有源透镜生成超连续谱后的附加步骤的主题。
该方法因此包括通过针对超连续谱3的各个波长来测量椭圆率以进行光谱解码的步骤。在没有干扰的情况下，将光学介质12的输出处的超连续谱3的电场的线偏振经由偏振装置32转换为圆偏振。接下来，在由P和S表示的两个正交偏振方向上同时分解超连续谱3的电场。
理论上，这种对超连续谱3的偏振的分解应当使得能够获得平衡的检测，也就是说，在没有太赫放射6的情况下，对于平衡的检测来说，超连续谱3的电场在两个偏振方向S和P上的两个分量的强度Is和Ip对于所有波长都相等。
然而，光学元件的特性使得不能在超连续谱6的光谱宽度上实现完美的平衡。这在对椭圆率的测量中引入了偏差，如果这逐次波动，则该偏差限制设备灵敏度。
根据本发明的方法，使平衡的逐次变化减到最小。平衡步骤实际上包括对设备的色彩错误的进行补偿的阶段。
对超连续谱3的电场的两个分量的强度Ip和Is进行同时测量的步骤使得能够推导出双折射的瞬时变化，并且根据应用，推断出太赫干扰6的特征(强度、时间分布等)和关于受到干扰的光学介质12的信息。
图1更具体地例示了实现上述方法的测量设备的示例。
在该第一示例实施方式中，太赫干扰6(此处为太赫电场)由通过光学脉冲源14(在此情况下为飞秒激光器)光触发的加速器传送的、具有几皮秒的持续时间的相对论性电子的脉冲产生。
光学脉冲源14由放大的Ti:Sa激光源组成，该放大的Ti:Sa激光源传送具有790纳米波长的160飞秒的脉冲光学信号2。使光学脉冲源14针对通过控制光学脉冲源14的振荡器的激光腔长度以对构成太赫干扰6的相对论性电子的包的射频波进行的加速同步。构成太赫干扰6的相对论性电子的脉冲与光学脉冲的源14之间的同步大约为1ps。
在该示例实施方式中，受到干扰的光学介质12是Zn:Te晶体。接着寻求表征电子束在该光学介质12附近通过的效果，即，测量由所述电子束通过金属片时生成的相对论性电子的电场和太赫干扰在Zn:Te晶体中引起的双折射。
沿着平面110)切割光学介质12，并将其布置为距离电子束传播轴大约3到4mm。在这些条件下，相对论性电子的电场和太赫干扰6处于Zn:Te晶体的平面110)中。结果，平面110)中的两个光轴表征了在光学介质12中引起的双折射并且该双折射被定向在相对于方向[001]的45度。太赫干扰6是通过光学介质12的电磁场，并且还引起了瞬时双折射。
根据本发明的设备还包括根据由光学脉冲源14发射的脉冲光学信号2生成线偏振的超连续谱3的装置4。有利地，脉冲光学信号2位于紫外线范围内直到近红外区为止。
超连续谱生成装置4包括用于调整脉冲光学信号2的波束从而在非线性介质18中得到单丝(monofilament)的聚焦装置17。穿过非线性介质18的过程包括以单丝的形式发生传播的部分，并根据脉冲光学信号生成超连续谱3。在从非线性介质18退出时，通过调整装置19使超连续谱3的强度及其空间、光谱和时间分布适于太赫干扰6的特征。
根据第一示例实施方式，聚焦装置17包括透镜、光圈和具有可变强度的滤光器。此外，非线性介质18是3毫米厚的蓝宝石，其光轴取向垂直于其表面。对聚焦装置17和非线性介质18进行调节，使得在使用小于0.1的数值孔径进行聚焦的情况下，1μJ的脉冲光学信号2在非线性介质18中获得对应于自动聚焦阈值的大约1011W/cm2的强度。
根据光学脉冲源14的特征(峰值功率、波长、空间模式)，总是可以使非线性介质18和聚焦装置17适于获得使脉冲光学信号2与非线性介质18之间的交互作用足以生成超连续谱3的长度。因此，例如可以根据在包括光子晶体光纤在内的光纤芯中传播的几个nJ的脉冲光学信号2生成超连续谱3。
对超连续谱3的特征进行调整的装置19有利地包括准直透镜19a、以及用于使超连续谱3的光谱适于将要测量的双折射的变化的无源或有源元件19b。
有利地，调整装置19还包括低通介电滤光器19c，并且可能还包括能够修改超连续谱3的光谱和时间分布的有源器件19d。
调整装置19还可能包括通过本领域技术人员公知的放大元件19e来光学放大超连续谱3的一部分或全部的步骤。
最后，对超连续谱3进行调整的装置19有利地包括使用超连续谱3的持续时间的频率漂移的扩展器或压缩器19f。
根据一个实施方式，依靠对非线性介质18与光学介质12之间光学路径上的大部分色散负责的消色差透镜来对超连续谱3进行准直。那么根据等式F1，介于460和760nm之间的光谱扩展是Tc-2.25ps，其中通过对光谱进行傅立叶变换而获得的脉冲持续时间等于T0＝4.4fs，Tmin＝100fs。
根据另一个实施方式，优选地通过两次穿过20cm的SF57来扩展超连续谱3，这导致了在Zn:Te晶体(550-730nm)发送的光谱宽度上扩展Tc＝60ps。光谱分布的傅立叶变换等同于脉冲持续时间T0＝6.6fs。在这些条件下，Tmin＝630fs。
调整装置19还包括偏振器20，偏振器20用于在由传播装置22将超连续谱3导向光学介质12前对超连续谱3进行线偏振。
超连续谱的光学路径具有调整后的长度，使得它在太赫干扰6引起的瞬时双折射的时刻穿过光学介质12。
应当注意，超连续谱3的偏振方向适于表征了光学介质12的瞬时双折射的光轴的取向，使得所述双折射将超连续谱的线偏振转换为椭圆偏振。
在该示例实施方式中，超连续谱3穿过与晶体的平面110)垂直的光学介质12，轴[110]与超连续谱3的传播方向k正交。接着由平面110)中的两个光轴来表征光学介质12的瞬时双折射。超连续谱3的偏振方向有利地相对于所述光轴成45度。
光学介质12中由太赫干扰6引起的双折射将超连续谱3的线偏振转换为椭圆偏振。因此，传感器脉冲信号的电场在引起的双折射的两个主轴上的两个分量之间的被表示为Γ(λ)的相位差取决于超连续谱3的光谱分量。
根据第一示例实施方式的设备还包括通过分解和测量超连续谱的椭圆率以解码的装置。
分解装置30包括四分之一波片32、第一偏振分光片34、两个副偏振分光片35、36、以及两个消色差透镜38。
针对可见光范围(450-800纳米)优化的四分之一波片32被布置和定向为，在没有太赫干扰6的情况下，将超连续谱3的线偏振转换为圆偏振。
接着，向着第一偏振分光片34传播超连续谱3，第一偏振分光片34在两个垂直偏振S和P上分解超连续谱3的电场。接着分别将副偏振分光片35和36布置在两个分解的波束的光学路径37a和37b上，使得每个分量被片34透射一次并接着由副偏振片36反射，或者由片34反射一次并接着由副偏振片35透射。在这些条件下，每个波束最终都经历了相同的光学变换。因此，通过补偿校正了由于偏振器造成的色彩错误。
优选地，第一偏振分光片34和副偏振分光片35、36包括淀积在薄衬底上的金属格栅，该金属格栅防止了波束的波长偏差，同时保证了可见光范围中高度一致的消光系数。
接着在测量单元40中测量各个波长的强度Is和Ip。测量单元40至少包括光谱仪42和多通道检测器44。接着，针对超连续谱3的各个脉冲，同时检测超连续谱3的两个分量的强度Ip(λ)和Is(λ)。
有利地，通过在光谱仪42的入口狭缝上提供定位并在测量单元上提供偏移的光纤来耦合超连续谱3的两个分量。
根据光谱仪执行的测量，能够依靠以下等式F2推导出超连续谱的电场Γ(λ)的两个分量之间的相位延迟：
sinΓ(λ)＝(Ip(λ)-Is(λ))/Ip(λ)+Is(λ))    (F2
根据对超连续谱3的光谱扩展的了解，直接推导出作为时间的函数Γ(t)的双折射的变化。
根据变型例，在副偏振分光片35、36后面，在由具有400μm的直径的两根石英光纤构成的光纤组件(其一端位于光谱仪的入口狭缝上)中，聚焦超连续谱3的两个分量。该设备的光谱分辨率是1nm。通过CCD照相机记录了光谱。在下面的图3B中示出了在这些条件下获得的平衡的逐次稳定性。
下面将参考图2来描述根据本发明的测量设备的第二示例实施方式。
在该示例实施方式中，首先，从太赫干扰6中生成了被称为分析太赫干扰6a的第一太赫电磁场和被称为基准太赫干扰6b的第二太赫电磁场。基准太赫干扰6b的电磁场的强度与光学介质12前的分析太赫干扰6a的电磁场的强度成比例。
因此，首先，从单个初始太赫脉冲中产生了两个太赫干扰，即分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b，接着在时间上对它们进行偏移。为此，由空间分离装置50将初始干扰6分解为对应于分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b的两个波束。通过将要表征的光学介质12来传播对应于基准太赫干扰6b的波束。
此外，由设置在分析6a太赫干扰或基准太赫干扰6b的光学路径上的延迟装置52来改变波束6a、6b之间的光学延迟，以在时间上偏移这两个波束6a和6b。因此，在光学介质12中传播这两个波束并且在超连续谱3的相同脉冲上接连对这两个波束进行编码。
第二，在根据前述方法的单次测量中，在超连续谱3的光谱的两个不同部分上对分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b这两个太赫干扰进行编码，并且检测分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b这两个太赫干扰的分布。基准干扰6b使得能够校正太赫源的逐次波动。
根据另选实施方式，从加速电子波束中生成了分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b。为此，在加速电子束的路径上布置了使得能够生成跃迁辐射的金属片或者任何其它元件。
因此，所生成太赫电磁场构成了分析太赫干扰6a，而电子的电场构成了基准太赫干扰6b。通过色散衬底52对分析太赫干扰6a进行延迟。接着，如以前一样地在将要表征的光学介质12中传播对应于分析太赫干扰6a和基准太赫干扰6b的波束，以在光学介质12中引起如以前一样的相同方式检测到的瞬时双折射。
图3A到图3C呈现了显示根据本发明的设备的稳定性和灵敏度的测量。
图3A示出了在没有任何太赫放射的情况下，以10Hz的速率记录在脉冲光学信号2的20个连续脉冲上的信号F2。图3B示出了15分钟后的相同测量。
图3C示出了相对于20个连续的传感器脉冲的平均值计算的逐次波动，并且清楚地示出了根据本发明的设备的稳定性。
根据相位延迟的绝对测量，可以计算光学介质12中的电场。针对该实施方式中考虑的情况，通过等式F3根据相位推导出电场，其中：
Γ(λ)＝2.π.d.n3(λ).Γ41.E(λ)/λ，其中
-d是Zn:Te晶体的光学介质12的厚度；
-n(λ)是光学介质12的光学指数；
-Γ41是光学介质12的电光系数(＝4.25*10-12m/W)；
-E是电场；以及
-λ是波长，
在图4中，是对由在具有0.5mm厚度的Zn:Te晶体的附近传播的8MeV的相对论性电子的包在该晶体中引起的电场的时间分布的一次记录Em。
图5也例示了对在两个不同的超连续谱的部分上时间偏置和编码的电子的包的电场A和太赫电磁场B的时间分布的一次记录。
本发明并不限于以上描述和示出的示例实施方式。应当理解，本领域技术人员能够在不偏离本专利的范围的情况下实现本发明的不同变型例。
例如，根据本发明的测量设备和方法可以用于表征超短光源。

Claims (21)

1.一种对由至少一个太赫干扰(6)在光学介质(12)中引起的瞬时双折射进行一次测量的方法，该方法包括发射脉冲光学信号(2)和对该脉冲光学信号(2)进行光谱编码的步骤，该方法的特征在于：包括生成超连续谱(3)的步骤的所述编码步骤通过在两个偏振方向上分解所述超连续谱的电场并同时测量两个分量的强度Is和Ip而与对所述介质(12)的由所述干扰(6)引起的所述超连续谱的偏振椭圆率进行解码的步骤组合起来。
2.根据权利要求1所述的一次测量方法，该方法还包括平衡所述超连续谱(3)的所述电场的所述两个分量的强度Is和Ip的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其中，为了不受所述脉冲光学信号(2)的光谱和时间特征的影响，所述生成超连续谱(3)的步骤具有以单丝模式传播所述脉冲光学信号(2)的至少一部分的阶段。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的测量方法，该方法包括至少一个通过校正设备的色像差和空间像差进行光学补偿的步骤。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的测量方法，其中，所述编码步骤包括时间整形步骤，所述时间整形步骤包括扩展所述超连续谱(3)的阶段，该阶段包括沿对于所述超连续谱(3)的所有波长都相同的几何路径传播所述超连续谱(3)。
6.根据权利要求4所述的测量方法，该方法包括对所述超连续谱(3)的光谱、空间和时间分布进行整形的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量方法，该方法包括以下步骤：
iv、将所述太赫干扰(6)空间分离为分析太赫干扰(6a)和基准太赫干扰(6b)这两个太赫干扰的步骤；
v、对分析太赫干扰(6a)和基准太赫干扰(6b)这两个太赫干扰进行时间偏移的步骤；以及
vi、在所述超连续谱(3)的脉冲上对分析太赫干扰(6a)和基准太赫干扰(6b)这两个太赫干扰进行编码的步骤。
8.一种对由至少一个太赫干扰(6)在光学介质(12)中引起的瞬时双折射进行一次测量的设备，该设备包括发射脉冲光学信号(2)的源(14)和用于对所述脉冲光学信号(2)进行光谱编码的装置(4、12)，该设备的特征在于：包括生成超连续谱(3)的装置(4)的所述光谱编码装置(4、12)依靠在两个偏振方向S和P上分解所述超连续谱的电场的装置(30)而与同时测量两个分量的强度Is和Ip的单元(40)组合起来。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，为了不受所述脉冲光学源(14)的空间和时间特征的影响，所述生成所述超连续谱(3)的装置(4)包括形成单丝的装置(17、18)。
10.根据权利要求9所述的测量设备，该设备包括聚焦光学脉冲(2)的装置(17)，从而集中部分能量直到能量在非线性介质(18)中达到根据单丝模式的传播阈值为止。
11.根据权利要求9所述的测量设备，该设备包括聚焦所述光学脉冲(2)以将这些脉冲中的一些脉冲注入到光纤(18)内的装置(17)。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的测量设备，该设备包括布置在所述脉冲(2)的光学路径上的至少一个聚焦装置(17)和光圈，以减弱空间波动(2)对所述超连续谱(3)的生成的影响。
13.根据权利要求9到12中任一项所述的设备，其中，所述分解装置(30)包括平衡元件(32、34)。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述平衡元件包括与偏振器(34)相关联的四分之一波片(32)。
15.根据权利要求9到12中任一项所述的设备，其中，所述分解装置(30)包括校正所述设备的色像差和空间像差的装置(35、36、38)。
16.根据权利要求9到15中任一项所述的设备，其中，所述分解装置(30)包括分别位于所述超连续谱(3)的所述两个分量的光学路径上并各自具有与所述偏振器(34)相反的功能的两个副偏振分光片(35、36)。
17.根据权利要求9到16中任一项所述的设备，其中，所述生成装置(4)具有调整所述超连续谱(3)的装置(19)，该调整所述超连续谱(3)的装置(19)包括用于控制所述超连续谱(3)的时间扩展的色散透镜。
18.根据权利要求9到17中任一项所述的设备，其中，所述超连续谱(3)的所述电场的所述两个分量中的至少一个分量通过至少一根光纤向着光谱仪传播。
19.根据权利要求7到18中任一项所述的设备，该设备还包括将所述太赫干扰(6)空间分离为分析太赫干扰(6a)和基准太赫干扰(6b)这两个太赫干扰的装置(50)和用于对分析太赫干扰(6a)和基准太赫干扰(6b)这两个太赫干扰中的一个进行时间偏移的装置(52)。
20.根据权利要求7到17中任一项所述的设备针对太赫光谱仪的应用。
21.根据权利要求7到17中任一项所述的设备针对诊断带电和加速粒子束的应用。
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