1.一种测量微纳器件延迟特性的测量装置,其特征在于,包括飞秒激光器、波长调谐器、光纤耦合器(1)、第一3dB光纤耦合器(2)、可调光延迟线(31)、外接光纤(32)、第二3dB光纤耦合器(6)、光纤聚焦透镜(7)、分束系统、凸透镜(15)、非线性晶体(16)、小孔光阑(17)、柱透镜(18)、CCD光谱仪(19)、控制终端(20)、待测微纳器件耦合系统(21)以及用于控制非线性晶体(16)进行转动的电动角位移台(23);
所述外接光纤(32)包括第一外接光纤(321)和第二外接光纤(322);所述非线性晶体(16)安装在电动角位移台(23)上;
所述飞秒激光器发出的脉冲激光束通过波长调谐器进行脉冲中心波长调节后,经光纤耦合器(1)耦合后通过单模光纤传输到第一3dB光纤耦合器(2)后分为两束激光脉冲,其中一束激光脉冲通过可调光延迟线(31)入射到第二3dB光纤耦合器(6),另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤(321)、待测微纳器件耦合系统(21)及第二外接光纤(322)产生延时后入射到第二3dB光纤耦合器(6),第二3dB光纤耦合器(6)将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光,光纤聚焦透镜(7)将双脉冲激光进行扩束、准直后入射到分束系统处,分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后,通过凸透镜(15)会聚照射到非线性晶体(16)上,非线性晶体(16)产生和频信号光束,和频信号光束通过小孔光阑(17)照射到柱透镜(18)后会聚入射到CCD光谱仪(19),CCD光谱仪(19)采集和频信号光束的光谱踪迹图像并发送到控制终端(20);
两束激光脉冲中通过可调光延迟线(31)入射到第二3dB光纤耦合器(6)的激光脉冲所传输的光程与直接通过第一外接光纤(321)和第二外接光纤(322)入射到第二3dB光纤耦合器(6)的激光脉冲所传输的光程相等。
2.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置,其特征在于,所述分束系统包括直角棱镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第三反射镜(11)、第四反射镜(12)、第五反射镜(13)及第六反射镜(14);
所述直角棱镜(8)将准直入射的双脉冲激光分成反向传播的两束双脉冲激光,其中第一束双脉冲激光依次通过第一反射镜(9)及第二反射镜(10)反射后反向平行地返回,并经第三反射镜(11)反射后得到第一快门脉冲;其中第二束双脉冲激光依次通过第四反射镜(12)及第五反射镜(13)反射后反向平行地返回,并经第六反射镜(14)反射后得到第二快门脉冲;所述第一快门脉冲和第二快门脉冲均与入射的双脉冲激光平行且同方向,而且第一快门脉冲和第二快门脉冲不在同一直线上;
所述第一束双脉冲激光从直角棱镜(8)传播到第三反射镜(11)处的光程和第二束双脉冲激光从直角棱镜(8)传播到第六反射镜(14)处的光程相等。
3.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置,其特征在于,所述待测微纳器件耦合系统(21)包括待测微纳器件(4)和样品台(5),所述待测微纳器件(4)安装在样品台(5)上,所述第一外接光纤(321)和第二外接光纤(322)分别垂直地耦合到待测微纳器件(4)两端的耦合光栅上。
4.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置,其特征在于,所述非线性晶体(16)采用BBO晶体。
5.根据权利要求1所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量装置,其特征在于,所述飞秒激光器采用飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器。
6.一种测量微纳器件延迟特性的测量方法,其特征在于,包括:
S1、将脉冲激光束进行脉冲中心波长调节并通过第一3dB光纤耦合器将其分为两束激光脉冲,将其中一束激光脉冲通过可调光延迟线输入到第二3dB光纤耦合器,将另一束激光脉冲依次通过第一外接光纤及第二外接光纤后输入到第二3dB光纤耦合器,调节可调光延迟线,使得两束激光脉冲的光程一致;
S2、将待测微纳器件耦合系统直接耦合到第一外接光纤和第二外接光纤之间,待测微纳器件耦合系统对传输的激光脉冲产生延时后再输入到第二3dB光纤耦合器;
S3、采用第二3dB光纤耦合器将两束激光脉冲耦合后得到双脉冲激光,将双脉冲激光扩束、准直后入射到分束系统,分束系统将准直入射的双脉冲激光分成两束一样的快门脉冲后,将两束快门脉冲会聚照射到非线性晶体上;
S4、根据快门脉冲的波长以及快门脉冲照射到非线性晶体上的入射夹角,计算获得非线性晶体的相位匹配角;
S5、根据获得的相位匹配角,采用电动角位移台调整非线性晶体的角度,使得非线性晶体满足相位匹配条件从而产生和频信号光束,并将和频信号光束进行横向压缩会聚入射到CCD光谱仪;
S6、CCD光谱仪采集和频信号光束的光谱踪迹图像,并记录光谱踪迹值;
S7、采用主元素投影方法,通过迭代计算,计算出待测双脉冲激光的电场表达式,从而获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。
7.根据权利要求6所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法,其特征在于,所述步骤S7包括:S701、设定双脉冲激光的初始电场表达式如下:
其中,E0(t)表示双脉冲激光的电场,a、b表示电场振幅最大值对应项,c1为与双脉冲激光的脉冲宽度相关的常数,d代表双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔,ω代表脉冲载频;
S702、根据双脉冲激光的初始电场表达式,获得与双脉冲激光对应的快门脉冲的初始电场表达式如下:其中,g0(t)表示快门脉冲的电场;
S703、根据双脉冲激光和快门脉冲的电场表达式计算获得双脉冲激光和快门脉冲的离散化的时域表达式:n
其中,N=2,n为自然数,Eprob表示双脉冲激光的离散化向量表达式,E1,E2,...,EN分别表示Eprob的N个元素,Egate表示快门脉冲的离散化向量表达式,G1,G2,...,GN分别表示Egate的N个元素;
S704、将Eprob转秩运算后与Egate相乘,计算获得双脉冲激光的离散化向量表达式和快门脉冲的离散化向量表达式的外积矩阵I:S705、将外积矩阵I的第k行的所有元素向左移动k-1个位置,并将溢出的部分依次移动到该行的右边,得到初始矩阵I1如下:其中,k为自然数,取值范围为1~N,τ为整数,取值范围为 τ的值表示双脉冲激光相对于快门脉冲的延迟;
然后,将初始矩阵I1的左右两侧部分移动到矩阵中心,相应地将中间部分移动到矩阵两侧,从而得到时域FROG矩阵ITime FROG如下:S706、对时域FROG矩阵ITime FROG的每一列进行傅里叶变换后,将零频率部分移动到每一列的中心位置,从而得到模拟的FROG频谱踪迹矩阵;
S707、将CCD光谱仪记录的光谱踪迹值进行提取处理后得到一个N*N的测量FROG踪迹矩阵,结合测量FROG踪迹矩阵和模拟的FROG频谱踪迹矩阵计算得到修正矩阵后,根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束;
S708、对强度约束后的模拟的FROG频谱踪迹矩阵的每一列进行傅里叶逆变换后,将零频率部分移动到每一列的上部和下部,得到与模拟的FROG频谱踪迹矩阵对应的时域FROG踪迹矩阵;
S709、将时域FROG踪迹矩阵的第k行的所有元素向右移动k-1个位置,并将溢出的部分依次移动到该行的左边,从而得到一新的外积矩阵,并对获得的外积矩阵进行奇异值分解,从而获得双脉冲激光的电场表达式E(t)和快门脉冲的电场表达式g(t);
S710、返回步骤S703进行迭代计算,直到满足迭代收敛条件后,根据此时获得的双脉冲激光的电场表达式,获得双脉冲激光的两个脉冲峰值之间的时间间隔作为待测微纳器件耦合系统引起的延迟时间。
8.根据权利要求7所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法,其特征在于,所述步骤S710中所述迭代收敛条件为:其中,i、j均为自然数,取值范围为1~N,ITF(ωi,τj)表示某次迭代计算得到的模拟的FROG频谱踪迹矩阵,IMeasured(ωi,τj)表示测量FROG踪迹矩阵,εTF表示将迭代生成的模拟的FROG频谱踪迹矩阵与测量FROG踪迹矩阵的差值平均分配到每一个矩阵元素的误差,εth表示预设的误差阈值,ωi代表纵坐标上的第i个元素的角频率值,τj代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。
9.根据权利要求7所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法,其特征在于,所述S707中所述修正矩阵为:其中,i、j均为自然数,取值范围为1~N,ωi代表纵坐标上的第i个元素的角频率值,τj代表横坐标上的第j个元素的延迟时间。
10.根据权利要求9所述的一种测量微纳器件延迟特性的测量方法,其特征在于,所述步骤S707中所述根据修正矩阵对模拟的FROG频谱踪迹矩阵进行强度约束,其具体为:将模拟的FROG频谱踪迹矩阵的第i行第j列的元素乘以修正矩阵的第i行第j列的元素后作为该元素的值,从而实现强度约束。