3.6.2 超短脉冲的测量

相关测量法
应用较广，间接测量。利用相关函数的测试，－测出的相关函数 曲线不是脉冲的实际宽度，要通过换算，才能得到脉宽的近似值。 (1)相关函数－2阶强度相关函数为 E 2 (t ) E 2 (t ) I (t ) I (t ) G 2 ( ) 2 4
I (t ) E (t )

2W2 K [1 2G (2) ( )]
2W2 E 4 (t )dt E 4 (t )dt――背景光 而

当移动全反棱镜时，则第二束光到达倍频晶体的时间在改变， S ( ) 在变 G( ) 1 3
22

频率分辨光学开关法
（Frog, frequency-resolved optical gating）
自参考光谱相位相干电场重 构法
（Spider, spectral phase interferometry for direct electricfield reconstruction）
E2 (t ) E t cos t 2
E2 (t ) K[E1 (t ) E2 (t )]2
光电探测器接收到的不是瞬时光强，而是积分强度。
S ( ) [ E2 (t )]2 dt


K [ E1 (t ) E2 (t )]4 dt
m 1 E(t ) Ac cos(ct m cos mt ) m Ac m Ac Ac cos ct cos[(c m )t ] cos[(c m )t ] 2 2 被动锁模：在腔中加染料（上能级寿命< 2L / c）
涨落理论： ①线性放大阶段 染料 增益未饱和 －频谱宽－窄 ②非线性吸收 强脉冲使染料饱和 ③非线性放大 锁模激光器的设计 1.标准具效应。 2.调制器的位置和尺寸。3.失谐 脉宽的测量 1.直接测量－条纹照相机 2.相关测量-- 强度相关测量（二阶相关函数） ①双光子荧光法 ②二次谐波法
输出特性：①脉冲间隔 c 固定的脉冲序列。相当于腔内只有 一个脉冲在振荡。 1 1 g ② 2N+1↑ ↑ 小 ③ Pmax (2N 1)2 E 20
(2 N 1) q g
2N+பைடு நூலகம்大 Pmax 大
④锁模的结果使各模不再独立，发生功率耦合。
二.锁模方法 主动锁模： AM调制： 1 腔内加一振幅调制器，结果使腔内的损耗周期性变化 f m q ， m q 损耗最小时通过调制器的光波才能保存下来。 2 0 增益大先振荡，振幅受到调制（时间域） E(t ) Ac (1 m cos mt )cos 0t 调制的结果激发边频 0 q， 1, 1 开始振荡，受到调制，激发新的边 频，直到所有的模式被耦合。 FM调制： 利用电光相位调制器，在晶体上加调制信号，使晶体的折射率变化，这样 相当于改变了谐振腔的光学长度，位相变－频率变，但不同时刻频率变化 不同，相位调制器相当于－移频器，调制器的频率 m q
F ( ) F (0)
I 2 (t )dt
2F
'
＝0
两束光完全重合

A ――产生的背景光－是两束光分别产生的荧光强度。
完全重叠与完全不重叠的荧光强度之比3∶1 在实验中测得了荧光波形的宽度 （或G ( ) 宽度），是荧光 p 波形实际空间距离，然后换算成脉冲宽度。经验证，设脉宽 则 p z n zn
E2 (t ) E(t ) (t ) (t )] cos[
F ( ) A I f dt A [ E1 (t ) E2 (t )]4 dt

I f [E1 (t ) E2 (t )]
4
E 4 t dt E 4 t dt 4 E 2 t E 2 t dt F A
要熟悉的知识要点
多模激光器的输出特性、同步泵浦锁模激光器原理
要求了解的知识点
最新的锁模进展和水平
一.锁模的原理 纵模锁定：当相邻两个纵模的相位固定即 q1 q 常数，各模 相干，总光波场振幅受到调制
1 sin[ (2 N 1)t ] 2 A(t ) E0 E(t ) A(t )cos 0t 1 sin t 2 2L
2



E (t ) E
2
(t )dt


I (t ) I (t )dt



I 2 (t )dt
a.当
F (0) G (2) ( ) 1 3A ' 2F I 2 (t )dt (2) b. 两束光完全不重叠： G ( ) 0 F ( )
飞秒脉冲测量技术
主要采用间接测量法：双光子荧光法、条纹相机等测量技 术受时间、空间分辨率的限制已经无法适用，仅有相关测 量法延用至今 强度自相关测量法和干涉自相关测量法
现在国际上公认的用于飞秒脉冲测量的方法主要是基于干 涉自相关测量法上发展起来的频率分辨光学开关法（Frog） 和自参考光谱相位相干电场重构法（Spider）
2、间接测量法（主要采用相关法）
二次谐波（SHG）法：利用非线性晶体通过自相关产生二 次谐波 双光子效应（TPF）法：利用双光子荧光效应 基本思想：将待测光脉冲分裂为强度相等的两束，让它们 经过不同的光程之后，汇合于能够产生双光子荧光或者二 次谐波的物质上，两个波包的重叠程度决定了SHG或TPF 信号的强度。改变两个脉冲的相对延迟时间，同时测量 SHG或TPF信号，可以获得二阶自相关函数，由此推算出 脉冲宽度。
②二次谐波法 根据非线性光学原理，当两束光频率为的光通过非线性晶体 时，如果满足一定的相位匹配条件，产生频率为2 的倍频 光，产生的倍频光的强度与入射光的强度的平方成正比，因 此通过一定的装置（迈克尔逊干涉仪）把光分成相等的两束 光，使之改变两束光的重合程度，从而接收到不同强度的倍 频光－相关测量。 设两束光的电场强度 E1 (t ) E t cos t 1
S ( ) 在 0 ~ T 之间变化时， 2 在1～3之间变化。 2 因此移动全反棱镜I2，则输出的倍频光不同，把输出送到函数记 S ( ) 录仪中，同时测出 ，通过多点测量可以大致确定I(t)的形状 2 2 和脉宽，因此把对时间的测量转变成对长度 l0 的测量。 2l0 2l0 Tp T 而 T p c c T Tp G(2) ( ) －脉宽 ， －波形函数与同 特点：测量的精度高,分辨力高,处理数据方便，结构复杂并需逐点测量。 上述的倍频即第一类角度相位匹配（共线）存在背景光造成测量误差。 如果采用①第二类共线匹配 o+e→e这时无背景光 ②非共线匹配第Ⅰ类可以实现无背景光，只要改变入射两光相交的角 度，即可对多种波长进行测试。
皮秒脉冲测量技术
1、直接测量法
高速示波器：如 美国Tek公司的采样示波器——利用上升 时间小于72皮秒的光电二极管做采样探头，可直接观察波 形，高速示波器的时间分辨率可以达到的数量级为 ~100ps
高速条纹相机：如 日本浜松光电公司的C2908系列—— 高压扫描、偏转放大被测光脉冲信号，得到光脉冲的条纹 图象，摄得的条纹长度与脉冲宽度有关，而条纹的反差代 表光脉冲强度的变化，用微密度计读出底片上条纹密度的 变化，就可以得到一根再现出来的光脉冲波形曲线T高速 条纹相机最高时间分辨率为2ps
(2)
洛仑兹形： 1 n－染料的折射率

1 －光脉冲的波形系数，方波： ，高斯形： 2 2



c
而 p
c
，
特点：1.结构简单，适合脉冲激光器。 2.底片的感光度的非线性给测量带来误差－分辨力底。 3.存在背景光，测量的波形不能反映实际的波形。 4.要求实际调整精度高，分析周期长，灵敏度低。
2F E (t )dt E 4 (t )dt
' 4


F ( ) A[2F 4 E 2 (t ) E 2 (t )dt ]
'

F ( ) 2 A[1 ' ' 2F F
1 G ( ) ' F
(2)



E 2 (t ) E 2 (t )dt ] [1 2G (2) ( )] A
3.7 几种典型的锁模激光器
3.7.1 掺钛蓝宝石自锁模激光 3.7.2 半导体锁模激光器 • 增益开关 • 主动锁模
增益开关结构示意图
主动锁模半导体激光器结构示意图
3.7.3 掺铒光纤锁模激光器
主动锁模 被动锁模
掺铒光纤主动锁模激光器示意图
本章的要求
要掌握的知识要点
锁模的基本原理、锁模方法、被动锁模、主动锁模、碰撞 锁模
二阶相关函数测得的脉冲波形对称。因 G(2) ( ) G(2) ( ) ，如果实际波形不 对称，此法测不出。 I (t ) I (t 1 ) I (t n 1 ) G n ( 1 , 2 ,, n 1 ) 高阶相关函数。n阶单延迟相关函数 I n (t ) 由上式看出，相关测试把对脉冲的瞬时测试变成了对具有相对延 迟的两个脉冲乘积的时间积分进行测试，这样大大减少了对于测试仪器和 接收元件时间响应的要求。 目前比较成熟的二阶相关函数测量法是双光子荧光法和二次谐波法。
①双光子荧光法 是利用激光脉冲激发染料的荧光，分析荧光的强度即可获 得激光脉冲二阶相关函数的宽度。a.结构简单。b.适合脉 冲激光器。c.但要求调整精度高。d.对各种不同波长的激 光要选用不同的染料。e.灵敏度低，分析周期长。 例如若丹明6G丙酮溶液，当基态的粒子吸收两光子跃 迁到高能态③，然后无辐射跃迁到能级②，最后由能级② 自发辐射跃迁到能级①发出荧光，其频率等于入射光频率 的2倍。－双光子效应。