光学经典导读之十 Ultrafast Lasers 第十章 脉冲宽度测量

光波常
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Ultrafast Lasers是由瑞士苏黎世联邦理工学院的Ursula Keller教授于2021年出版的最新著作。Keller教授的研究方向为超快激光物理,这本书是她近30年研究与教学的总结。该书共有12章,全面介绍了超快激光基本原理以及各种激光技术和实际应用。本期将介绍该书第十章:脉冲宽度测量。

光脉冲的宽度有许多不同的定义。最常用的定义是半高全宽,指脉冲峰值功率一半处所对应的时间宽度。对于不同机制产生的激光脉冲,半高全宽可以在很大的范围内变化。通过调制连续激光或使用调Q激光器,可以产生脉宽百皮秒到数百纳秒的脉冲;锁模激光器的脉宽则在~5 fs至数百皮秒之间;高次谐波则能产生阿秒脉冲。

百皮秒及以上的脉冲宽度可通过电学的方法测量。光电二极管产生正比于入射光功率的电流,然后示波器或高频频谱分析仪将电流转化为可以直接测量的电压值。显示的电压-时间关系可在一定程度上表征脉冲的具体轮廓,进而计算出脉冲宽度。此方法十分简单,但受光电探测器整体的带宽限制,响应时间最少不低于十几个皮秒,因此难以用于测量皮秒和飞秒激光脉冲。

图1 自相关仪示意图

测量更短的脉宽只能通过光学的方法实现,例如光学自相关。光学自相关仪的基本结构类似迈克尔逊干涉仪(图1)。其通过分束镜和延迟线将待测脉冲等分为两路彼此时延τ的子脉冲I(t)和I(t-τ),并聚焦到倍频晶体上,最后用光电探测器接收两脉冲彼此重合部分所激发的二倍频信号:

I_2ω (τ)在数学上即为待测脉冲的自相关曲线。通过测量自相关曲线的半高全宽,即可估计出相应脉冲的半高全宽。

光学自相关有非共线和共线两种形式(图1)。非共线自相关的子脉冲光路并不重合,扫描得到的自相关曲线没有背景信号的干扰。共线自相关曲线虽然存在子脉冲自身倍频所产生的背景信号,但具有干涉条纹,能在一定程度上揭示脉冲的相位信息。

光学自相关是测量飞秒脉冲宽度最常用的方法,然而其有两个缺陷:一是有限的相位匹配带宽让自相关仪难以测量脉宽短于10 fs的少周期脉冲;二是自相关曲线无法呈现具体的脉冲形状信息,计算脉宽需要假定待测脉冲的形状,因此不一定准确。

更精确的脉宽测量需要完全表征脉冲的技术,即能同时确定脉冲电场的幅度和相位的技术。典型的例子有频率分辨光学开关(FROG)和光谱相位干涉仪(SPIDER)。基于二倍频产生的FROG系统(图2)和非共线自相关仪的唯一区别就是把光电探测器换成了光谱仪,从测量倍频信号的强度转为测量倍频信号的光谱,建立二维的光谱分辨自相关数据。通过算法迭代,即可从中重建脉冲的幅度和相位,实现脉冲的完全表征。

图2 基于二倍频的频率分辨光开关(SHG-FROG)系统示意图

除了测量二倍频光谱,FROG技术还有许多变体(图3),它们基于不同的物理机制建立二维的光谱分辨自相关数据:THG-FROG的整体结构与SHG-FROG类似,区别仅在于其测量的是脉冲重合部分的三倍频信号;偏振门FROG(PG-FROG)中,两PBS正交放置,一光束为水平偏振,原本不会透过第二个PBS,另一光束为45°偏振态,能通过克尔效应影响非线性晶体在此偏振下的折射率,引起双折射效应,使前者偏振态变化,一部分能量得以透过。此时光谱仪所测得的信号同样可以表征两束光脉冲在时间上的重合,进而建立二维自相关数据;自衍射FROG(SD-FROG)和瞬态光栅FROG(TG-FROG)结构不一,但原理等价,均是通过脉冲重合瞬间干涉所产生的折射率光栅,使光谱仪测到来自特定方向的衍射信号,进而建立二维自相关数据。

尽管FROG技术能获取脉冲的全部信息,但对于脉宽短于10 fs的情况,有限的晶体带宽令FROG需要对频率相关的非线性转换效率做出校正。对于这点,无需任何校正的SPIDER技术更为简单可靠。

图3 基于不同物理机制的FROG技术

SPIDER的原理基于自参考光谱干涉仪(图4),系统整体看分为两路,一路是等分的待测脉冲,子脉冲彼此共线但有一定时延τ。另一路是一个引入了较大群延迟色散(GDD)的啁啾脉冲,两路被导入一个晶体中进行和频。由于啁啾脉冲在不同时延的频率成分有所差别,时间上彼此间隔的两脉冲在和频时看到的频率就略有不同。和频后,两脉冲光谱的强度分布完全一致,仅有一小段频移δω的差异,δω=τ/GDDm一脉冲为E(ω),另一脉冲即为E(ω+δω),两脉冲共线,使相同的频率成分发生干涉,由此形成光谱侧切。通过测得的干涉后光谱和特定的算法,即可提取出脉冲相位的微分信息,进而重建出整个脉冲。

图4 近红外光谱相位干涉仪(SPIDER)示意图

总结来说,每种脉冲测量技术都有不同的优势和缺陷,最佳的方法是结合使用不同的脉冲测量技术进行交叉验证。此外,上述的所有技术都已经有比较成熟的商业产品。不同的产品通常会针对特定的脉宽范围进行优化,建议在使用此类系统时详细阅读手册,找到正确的应用场景。


       原文标题 : 光学经典导读之十 Ultrafast Lasers 第十章 脉冲宽度测量

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