飞秒激光脉宽的测量

2005/1/12/16:38    飞秒激光脉冲宽度的测量是飞秒激光技术中非常关键的一部分。几乎任何一个初次听到或接触飞秒激光的人都会产生类似“如此之短的激光脉冲是怎样确定的？”这样的疑问。

因为现有的最快的光电探测器和宽带示波器的响应时间只能达到几个皮秒（10-12s）的量级，不足以用于直接测量飞秒（10-15s）激光的脉冲宽度，目前使用的最多的测量激光超短脉冲宽度的方法仍是二阶自相关法。通过二阶自相关函数宽度的确定，可以导出脉冲的宽度。图3中给出的便是一个对应于800nm附近、14飞秒激光脉冲的光谱和其相应二阶自相关函数曲线。相关函数曲线(照片)中的条纹对应于光脉冲信号中的光周期。在800nm 附近一个光周期,亦即两相邻条纹间的间隔,为2.67fs。



图3. 14飞秒激光脉冲的光谱和其相应的条纹分辨的二阶自相关函数曲线。

    所谓二阶自相关法就是让待测的激光脉冲通过一个Michelson干涉仪一样的装置使同一脉冲分为幅度上同等大小、时间上有个延迟的两个脉冲。这样的两个脉冲通过一个二倍频的非线性晶体产生二次谐波信号。根据延迟时间的不同，二次谐波信号的大小也不同。该二次谐波信号随着脉冲延迟的变化即对应于脉冲的二阶自关函数。通常情况下，由于一个入射脉冲只对应于某一个延迟时间，换句话说，也就是只对二阶自关函数曲线上的一点有贡献，因此，一条完整的二阶自关函数对应于许多个脉冲。从这一意义上来说，二阶自相关函数实际上也可看作是一种光学的自采样法。

    在实际使用的二次自相关仪中，如果基频光和倍频光是共线的，则得到的是带背景的二次自相关函数；如果基频光和倍频光是非共线的，则得到的是无背景的二次自相关函数；根据二次谐波探测系统的时间响应特性的不同，二次自相关函数又分为条纹分辨的二次自相关函数和强度自相关函数。事实上两者都是光强的自相关函数，只是分辨率不同而已。前者分辨了不同光波周期间的相干和相消叠加（如图3中照片所示），而后者则平滑掉了这种叠加。

    除了测量重复频率脉冲的自相关函数之外，也可以专门测量单个脉冲的自相关函数，相应的仪器称为单脉冲自相关仪。在单脉冲自相关仪中，待测脉冲也是先分成两个同等幅度的脉冲，然后再在以一定的角度合到一起，利用两脉冲在空间上的重叠特性得到二阶自相关函数。

    值得指出的是激光脉冲的二阶自关函数曲线与所测脉冲间并没有一一对应的关系。使用这种方法要求事先假定脉冲的形状才能够得出脉宽大小。换句话说，由二阶自相关函数导出的脉宽具有一定的不确定性。

    通常情况下，在给出脉冲的自相关函数曲线的同时，人们一般还要给出脉冲的光谱曲线。衡量超短激光脉冲质量的一个重要指标为脉冲的频谱宽度与脉冲的宽度之积，或简称带宽脉宽积。由于理想脉冲的时间特性与其频谱特性间满足付里叶变换的关系，也就是说一种给定的脉冲形状有着确定的带宽脉宽积。如对理想的高斯型的激光脉冲，其带宽脉宽积为0.442，理想的双曲正割函数的激光脉冲，其带宽脉宽积为0.312等等。如果一个所测脉冲的带宽脉宽积等于或非常接近其相应的理想值，则称这一脉冲为带宽受限的脉冲，或达到付里叶变换极限的脉冲。如果一个所测脉冲的带宽脉宽积大于其相应的理想值，则说明脉冲的光谱中有冗余成份存在。

    对于小于10飞秒激光脉冲的测量，通常的二阶自相关法一般已不能满足精度上的要求。在这样短的时间尺度上，实际上人们更需要的是能够准确的确定脉冲的形状和相位。这往往涉及到更多的计算机后处理工作。最后所得结果是在实验测量的基础上通过反复的模拟和叠带以及与预设判据的比较而给出的。在这一思路下工作的两种重要的测量方法为：频率域分辨的光学门(Frequency resolved optical gate) 简称FROG("青蛙")法; 另一种方法为：频域相位干涉图直接重建电场(Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction) 简称Spider("蜘蛛")法.