FROG超短脉冲表征技术
2017-02-06 15:59:25   来源:   评论:0 点击:

测量超快激光,你必须做到更快。——Rick Trebino,频率分辨光学门控技术(FROG)的开创者。一、引言理想状况下,激光脉冲的各光谱部分在时间上一致,此时脉宽最小。然而,光学材料的色散效应通常会使脉冲的光谱
FROG超短脉冲表征技术

“测量超快激光,你必须做到更快。”——Rick Trebino,频率分辨光学门控技术(FROG)的开创者。

 

一、引言

理想状况下,激光脉冲的各光谱部分在时间上一致,此时脉宽最小。

然而,光学材料的色散效应通常会使脉冲的光谱相位关系产生改变,在时间方向上体现为红光和蓝光成分的相位差别,如下图所示。该效应称为脉冲啁啾,会导致超短脉冲的展宽。自相关仪可以测量超短脉冲的脉宽,但受制于光电探头的局限性,无法表征不同波长光谱之间的相位关系,因此不能对脉冲进行完整的表征。

 

测量脉冲光谱随时间的变化,需要重构电场。频率分辨光学门控(FROG)技术便是一种简单易行的解决方案,有下列多种衍生的搭建方式,分别适用于不同的脉冲表征:


 

每一种架构各有优劣,在选择时应综合考虑需要测量的激光脉冲属性。本文着重研究适用于放大器输出光的自衍射FROGSD FROG)和适用于振荡器输出光的二次谐波FROGSHG FROG)。前者保留了脉冲在时域中的演化这一光路实时调节很重要的特性;而且其光路与长行程自相关仪完全一致,只是用<200 µm的薄玻璃片替代了非线性介质。因此,自衍射FROG性价比高,而且易于搭建。但是它的局限性也很大,即需要振荡器无法提供的高峰值功率,所以只能用于放大器输出系统。对于振荡器输出光,唯一可行的选项是二次谐波FROG。它可以理解为光谱分辨的自相关仪。

 

二、二次谐波FROG

二次谐波FROG光路图如下。输入脉冲E(t)通过超快分光镜分成两束,一束固定,通过扫描另一束,以产生时间延迟τ。为避免透镜的色散效应,两束光通过一块凹面镜汇聚于非线性晶体(BBO)上产生二次谐波信号。

BBO后方的二次谐波信号位于两束入射光之间。用光阑实现滤波,并照射到光谱仪上。光强随频率和时间的演化可由下述方程表征。此方程仅包含光强E2项,因此无法获取光谱相位的符号

我们用20 fs600 nm的激光脉冲和一块群色散468 fs2、三级色散282 fs3的介质来演示二次谐波FROG。初始脉宽20 fs,变换极限脉宽(图a),穿过介质后展宽到129 fs(图b)。啁啾脉冲仍然时间对称,因为该过程只有光强发生变化。群色散和三级色散对啁啾脉冲的影响分别显示在图c和图d。群色散导致脉冲展宽,而三级色散在时域上扭曲频率,形成马蹄型图案。

 

与长程自相关仪不同,为降低色散效应,二次谐波FROG装置中仅有的色散来源是3 mm的超快分光镜或5 µm的薄膜分光片。如果在光谱仪前方安装光电探测器,即可将二次谐波FROG装置转化为低色散自相关仪。

 

三、自衍射FROG

自衍射FROG的光路与二次谐波FROG类似(见下图)。为减小分光不对称导致的色散效应,应当尽量使用5 µm的薄膜分光片。由于振荡器输出光重复频率较高,需要极高的平均功率才能产生非线性反应需要的脉冲能量,从而会损伤光学元件,因此自衍射FROG不适用于振荡器。

 

该装置与二次谐波FROG的不同点在于非线性介质的选择——硼硅酸盐玻璃,大约200 µm厚,可产生自衍射信号。光谱仪收集的便是经光阑过滤的自衍射信号

与二次谐波FROG不同,该公式包含电场的一次项,因而保留了相位符号,可以通过逆变换获取完整的光谱相位信息。

 

 

上图展示的自衍射FROG光谱与二次谐波FROG类似,但介质的色散导致脉冲不对称(图b)。群延迟色散产生脉冲展宽,其中低频信号先于高频信号被采集(图c),而象征三次啁啾的三级色散产生马蹄型FROG图案,但脉冲仅在T0之前发生扭曲。

 

四、数据处理

上文列举的两个公式并没有标准解,需要运用二维相位检索算法。“FROG 3.0”软件便是完美的解决方案。关于软件的安装与使用本文不予赘述,有兴趣的读者可以点击阅读原文详细查看。

 

五、FROG光路的搭建

Newport供应FROG套件,可自行搭建。FROG的光学元件和配件,如下图所示。

 

上述子系统准备完毕,并用两面反射镜精确定位输入光路后,便可按照下方示意图搭建FROG光路。

 

 

二次谐波FROG光路近似于长程自相关仪。如果在光谱仪前方**一个光电探测器,即可将该装置用作自相关仪。如需搭建自衍射FROG,也可先按照上述光路搭建二次谐波FROG,再用薄玻璃替代BBO晶体,并在其前方安装一个光阑用来降低光强产生白光。

 

参考文献

Rick Trebino, “Frequency-Resolved Optical Grating: The Measurement of Ultrafast Laser Pulses”, (Norwell, MA, Kluwer Academic Publishers, 2000)

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