第九讲 超短脉冲强度和相位测量
超短脉冲强度测量

超短脉冲激光特点
高峰值功率
超短脉冲激光具有极高的峰值功率,可产生强烈的电 场和磁场。
宽光谱范围
超短脉冲激光覆盖了从紫外到中红外等宽广的光谱范 围。
短脉冲宽度
超短脉冲激光的脉冲宽度通常在皮秒甚至飞秒量级, 具有极高的时间分辨率。
超短脉冲激光应用
科学研究
超短脉冲激光可用于物理、 化学、生物等领域的基础 研究,如高能物理、量子 计算、生物
国际上在超短脉冲强度测量领域的基础研究已经相当成熟,研究 团队在理论建模、实验验证等方面取得了重要突破。
应用研究
国际上在超短脉冲激光技术应用方面也取得了显著进展,广泛应用 于物理、化学、生物医学等领域。
技术水平
国际上超短脉冲强度测量技术水平处于领先地位,技术发展相对成 熟。
在实验过程中,我们记录了不同超短 脉冲的强度数据,包括脉冲宽度、峰 值功率、脉冲能量等。
实验误差分析
我们对实验数据进行了误差分析,包 括系统误差和随机误差,并计算了误 差范围。
结果分析
数据分析
我们对实验结果进行了统计分析,包括平均值、标准差等,并对数据分布进行了拟合。
结果对比
我们将实验结果与理论值进行了对比,发现实验结果与理论值基本一致,验证了实验的 准确性。
光束质量
超短脉冲激光具有较高的光束质量, 能够保证测量的准确性和稳定性。
峰值功率和能量
通过功率放大器对脉冲激光进行放大, 提高其峰值功率和能量,从而提高测 量精度和范围。
重复频率
脉冲发生器的重复频率决定了测量速 度和精度,高重复频率能够提高测量 效率。
06
超短脉冲强度测量实验结果与分析
实验结果
实验数据记录
04
超短脉冲强度测量技术发展现状
超短脉冲技术

E q ( t ) = E q c o s (ω q t + q )
q不是纵模序数
qc =νq 2L
而是腔内振荡纵模个数
①定义处于增益曲线中心频率的纵模q=0,因此在腔内参与振 荡的模式个数共2N+1个,
∵ ν q = c 2L ωq = 2π c 2L
∴ ωq = ω0 + qωq = ω0 + qω (各模间隔相同)
2L 1 t= 2N+1=5时,对于 tg ( ωt ) = 0 t=0 c 2 1 1 2L 2L tg[ (2 N + 1)ωt ] = 0 t = 0, 2 2N +1 c c 对于各极值点是否极大或极小,则用A”(t) 的值判定。 当A”(t) <0时,则A(t)在取得极大值。 当A”(t) >0时,则A(t)在取得极小值。 在0~ 2L/c周期内有2N+1个极值点,极值点在两零点之间 3 L 5 L L 2 N + 3 L 4N 1 L 2L t = 0, , , , 2N +1 c 2N +1 c c 2N +1 c 2N +1 c c
q q q q
c = ν 2L 2L
式中 ωq和 q分别是第q模的角频率和相位,Eq -第q模的电场振幅,q -激 光器内2N+1个振荡模中第q个纵模数,而不是 qc νq = 纵模序数。 2L
π
1.激光器输出特性
①各振荡模的振幅和相位无规则分布
Eq ---中心频率处的振幅大,远离中心小,且它们之间变化
1 2L 2 2L 、 2N +1 c 2N +1 c
、
2L c
是一周期 t =
2 N 2L 2N +1 c
用SHG—FROG方法测量超短光脉冲的振幅和相位

能够 严 格 、 面地 测量 脉 冲 的振 幅 和 相 位 , 全 目前 , 已经 可 以用 来测 量 各种 波 长 和 能量 的脉 冲 l . 1 F G包 括 实验 和 算 法 . 验部 分 是 将 待 测 Ro 实 脉 冲经分 束 器后 形 成 的两 个 具有 相 对 时 间延 迟 的 脉冲 在非 线性 介 质 中混 合 , 互 作 用 产 生 一 个 在 相
重 要 . 是 传统 的 自相 关 技 术无 法 全 面和 准 确地 但 测 量 超短 脉 法 中 , 于 时 频 技 术 的 频 率 分 辨 光 学 快 基
门(rq e c eovdo t a g t g 简 称 F O ) f u n yrsle p i l ai , e c n R G
摘
要
介 绍 了二 次谐 波振 荡一 率 分辨 光 学快 门( HG F OG) 频 S —R 测量 超 短 脉 冲 的 实验 系统 和
二 维 相位 恢 复 算 法 , 种 方 法 可 以 实现 对 超 短 脉 冲振 幅 和 相 位 的 完全 测 量 . 用 矩 阵 方 法 这 利 数值 模 拟 了几种 常 见超 短 脉 冲 的 S HG- R G 迹 线 , 用 主元 素 广 义投 影 算 法( C P 从 这 FO 并 P G A) 些无噪 音 的 S - R HG F O 迹 线 中恢 复 了脉 冲 的振 幅 和 相 位 , 差接 近 收 敛 的 标 准 . 究结 果 G 误 研
E ( , ) E( ) ( — r tr = tE t ) () 1
系列 时 间段 内频 率 分 辨 的信 号 脉 冲 , 光 谱 仪 和 用 C D将 其记 录 为 强 度 随 频 率 和 时 间 延 迟 变 化 的 C
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
超短脉冲光纤激光器工作原理及其测量

Pr inc iple and m ea surem en t of ultra short pulse f iber la ser
YU H ua, X IN G M ei2shu, YAN G W en2ku i, W AN G R u i
(The 23rd Research In stitute, CETC, Shangha i 200437, Ch ina) Abstract: T he ba sic concep t of fem to second fiber la ser is described b riefly. T he p rincip le of m ode2lock is ana2 lyzed. T he p rocess of genera ting fem to second p u lses ba sed on the p a ssive m ode2locked fiber la ser is described. A l2 so , the m ea su rem en t of fem to second p u lses is in troduced. Key words: fiber la ser; u ltra sho rt p u lse; m ode2lock; non linea rity; m ea su rem en t
·5·
工作, 它们具有相同的幅度: Em = E 0, 它们间的相位
值
为零, E ( t) 2= (2M + 1) E 20。
锁模是发生在各种纵模的相位同步的情况下。
此时, 在任意两个相邻模式间的相位差被锁定为一
常数 <, 即 <m - <m - 1= <。这样, 相位关系可表达为 <m
超短脉冲测量技术

F O E R GS作原理是首先将入射光脉冲分为两束,其中一束作为探测光,另一束作为开关光,并将 开关 . 光束引入一个 时间延迟 T这两个脉冲 以一定的偏振方 向和入射角在非线性介质巾相互作用,实现 频率上转 ,
换, 由这个过程形成光学开关或称 时间开关, 开关时间为脉冲 自身宽度量级,所形成的信 号场 再成像于 并 其
I 一 . 1 2
企/ 勺 R G算法叶, ㈣ 止 1 FO I…√ 吃
计算出 E t1 (), l 方法是 3 的。每次迭代后 ,口以得 J 。
到 蜓接 近频 、相 位 有 关 的 解 , 见. 3 图 。
Io =二 e( ̄l ‘ v( l R )』 o ()pi t 4 x一) a ) d
记录强度相 关曲线 , 而不能提供脉冲 内任何相位或 啁啾变化的信息,不能给 出脉冲形状 的信息 。 2 世纪 在 O 9 O年代发展了一种 新的脉冲测量技术即频率分辨光栅 ( R G)技术【_】 FO 1 ,频率分辨光栅不仅能测量脉冲 6
形状 ,而且 能提供光相位和频率啁啾沿脉冲变化的信息。F O R G算法是在普通 自相关算法的基础 上,测量 光谱分辨 的 自相关函数,即脉冲 的瞬时频率作为时间函数的二维谱图,并能同时得 出脉冲宽度、光谱 宽度 、 电场形状 、光谱形状 以及相应 的相位等信息的一种新型飞秒脉冲诊断技术。
维普资讯
电
子
工
程
重庆三峡学院 学报——J U N LO H N QN H E O G S N V R IY O R A F O G IGT R E R E IE ST C G U
20 0 6年 第 3期 第 2 2卷 o 0 6 VL 2 2 0 o 2 3
一种超短激光脉冲测量方法及测量系统[发明专利]
![一种超短激光脉冲测量方法及测量系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e9f3db34240c844768eaee7b.png)
专利名称:一种超短激光脉冲测量方法及测量系统专利类型:发明专利
发明人:曹伟,莫云龙,孙雪纯,张庆斌,陆培祥
申请号:CN202011414393.2
申请日:20201203
公开号:CN112595425A
公开日:
20210402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明属于超快激光脉冲测量领域,具体公开一种超短激光脉冲测量方法及测量系统,方法包括:采用利用非线性晶体产生二次谐波过程来测量超短激光脉冲的装置,测量待测超短激光脉冲经非线性晶体所产生的二次谐波频谱,其中通过旋转非线性晶体,来改变非线性晶体的光轴和光线传播方向的夹角,监测每个夹角下非线性晶体所产生的二次谐波频谱谱宽,确定用于分析待测超短激光脉冲全部信息的谱宽所对应的夹角;采集该夹角下的超短激光脉冲行迹图并从该行迹图中提取待测超短激光脉冲的脉冲信息。
本发明通过旋转非线性晶体的相位匹配角度,来监测并采集出能够用于分析出待测超短激光脉冲全部信息的行迹图,避免了现有测量方法对非线性晶体要求苛刻的问题。
申请人:华中科技大学
地址:430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
国籍:CN
代理机构:华中科技大学专利中心
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相位法和脉冲法

相位法和脉冲法
相位法和脉冲法是两种常见的测量方法,通常用于电子学和信号处理领域。
相位法是一种基于相位差的测量方法。
它通过比较两个信号的相位差异来测量某个物理量。
在相位法中,通常会使用一个参考信号和一个待测信号。
待测信号与参考信号之间的相位差可以通过比较它们的波形或使用专门的相位检测仪器来测量。
相位法常用于测量频率、相位差、距离和速度等物理量。
脉冲法是一种基于脉冲信号的测量方法。
它通过发送一个短时间的脉冲信号,并测量该信号在传输过程中的特性来获取信息。
在脉冲法中,可以测量脉冲信号的传播时间、反射时间、脉冲宽度、脉冲幅度等参数。
这些测量结果可以用于确定距离、速度、材料特性等。
脉冲法常用于雷达、超声检测、激光测距和通信系统等领域。
总的来说,相位法和脉冲法都是常见的测量方法,它们各有特点和适用范围。
选择使用哪种方法取决于具体的应用需求和测量对象的特性。
在实际应用中,常常会根据具体情况结合使用这两种方法以获得更准确和全面的测量结果。
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g(t- )
g(t- ) contributes only intensity, not phase (i.e., color), to the signal pulse.
E(t) g(t-)
0
time
The spectrogram tells the color and intensity of E(t) at the time .
There are a few ambiguities, but they are “trivial.”
The gate need not be—and should not be—significantly shorter than E(t).
Suppose we use a delta-function gate pulse:
Perhaps it’s time to ask how researchers in other fields deal with their waveforms…
Consider, for example, acoustic waveforms.
Most people think of acoustic waves in terms of a musical score.
2
E(t ) (t ) exp( i t ) dt
E ( ) exp( i )
2
2
E( ) = The Intensity.
No phase information!
The spectrogram resolves the dilemma! It doesn’t need the shorter event!
9. Measuring Ultrashort Laser Pulses II: FROG
The Musical Score and the Spectrogram Frequency-Resolved Optical Gating (FROG) 1D vs. 2D Phase Retrieval FROG as a 2D Phase-retrieval Problem
It’s a plot of frequency vs. time, with information on top about the intensity. The musical score lives in the “time-frequency domain.”
A mathematically rigorous form of a muscial score is the 搒 Spectrogram .
IFROG ( , )
and
2
? (t, W ) exp(i t iW ) dt dW E si g
So we must invert this integral equation and solve for Esig(t,W). This integral-inversion problem is the 2D phase-retrieval problem, for which the solution exists and is unique. Stark, Image Recovery, And simple algorithms exist for finding it.
These results are related to the Fundamental Theorem of Algebra.
Phase Retrieval and the Fundamental Theorem of Algebra
The Fundamental Theorem of Algebra states that all polynomials can be factored:
Frequency-Resolved Optical Gating Esig(t,) E(t) |E(t-)|
E(t)
E(t) contributes phase (i.e., color), to the signal pulse.
2
Signal pulse
E(t-)
|E(t- )|2 contributes only intensity, not phase (i.e., color), to the signal pulse.
Delay
FROG Traces for More Complex Pulses
Frequency
Time
Frequency Frequency
Delay Delay
Intensity
The FROG trace is a spectrogram of E(t).
Substituting for Esig(t,) in the expression for the FROG trace:
Esig(t,) E(t) |E(t–)|2
IFROG ( , )
yields:
2
Esi g (t , ) exp(i t ) dt
2
IFROG ( , )
where:
E( t ) g( t ) exp(i t ) dt
g(t–) |E(t–)|2
Second-harmonic-generation (SHG) FROG (and other geometries)
Measuring the shortest event ever created Single-shot FROG, XFROG, and TREEFROG
Autocorrelation and related techniques yield little information about the pulse.
The Spectrogram of a waveform E(t)
We must compute the spectrum of the product: E(t) g(t- ) E(t)
E(t) contributes phase (i.e., color), to the signal pulse.
If Esig(t,), is the 1D Fourier transform with respect to delay of some new signal field, Esig(t,W), then:
The input pulse, E(t), is easily obtained from Esig(t,W): E(t) Esig(t,)
fN-1 zN-1 + fN-2 zN-2 + … + f1 z + f0 =
fN-1 (z–z1 ) (z–z2 ) … (z–zN–1)
The Fundamental Theorem of Algebra fails for polynomials of two variables. Only a set of measure zero can be factored. fN-1,M-1 yN-1 zM-1 + fN-1,M-2 yN-1 zM-2 + … + f0,0 = ? Why does this matter? The existence of the 1D Fundamental Theorem of Algebra implies that 1D phase retrieval is impossible.
Stark, Image Recovery, Academic Press, 1987.
Given S(kx,ky), there is essentially one solution for E(x,y) . !!! It turns out that it’s possible to retrieve the 2D spectral phase!
The Fourier transform {F0 , … , FN-1} of a discrete 1D data set, { f0 , …, fN-1}, is:
Fk
m0
N 1
fmቤተ መጻሕፍቲ ባይዱe
imk
m 0
N 1
fm z
m
where z = e–ik polynomial!
The Fundamental Theorem of Algebra states that any polynomial, fN-1zN-1 + … + f0 , can be factored to yield: fN-1 (z–z1 ) (z–z2 ) … (z–zN–1) So the magnitude of the Fourier transform of our data can be written:
We assume that E(t) and E(x,y) are of finite extent.
2D Phase Retrieval: Suppose we measure S(kx,ky) and desire E(x,y):
S (k x , k y )
2
E ( x, y ) exp( ik x x ik y y) dxdy
0
/3
time
The signal pulse reflects the color of the gated pulse, E(t), at the time 2/3.
FROG Traces for Linearly Chirped Pulses
Frequency
Time Frequency