光学经典导读之十 Ultrafast Lasers 第十章脉冲宽度测量

2022-10-24 18:02

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。