飞秒激光脉冲测量的方案
飞秒激光脉冲测量方案
Baltuska, Pshenichnikov, and Weirsma, J. Quant. Electron., 35, 459 (1999).
超短脉冲测量Ⅲ： SPIDER
Outlines:
What is SPIDER?
How SPIDER works?
SPIDER apparatus X-SPIDER
超短脉冲的测量Ⅰ：自相关法
Outlines
Intensity Autocorrelation Single-shot autocorrelation Third-order Autocorrelation
Intensity Cross-Correlation
Interferometric Autocorrelation
光电子技术 精品课程
飞秒脉冲的测量方案 电子科学与技术 (Measurement of an ultrashort pulse) 精密仪器与光电子工程学院
Outlines
为什么测量超短脉冲是一项挑战? 为什么 要对超短脉冲进行测量? 对超短脉冲的全面描述需要那些测量量？ 光谱仪与Michelson 干涉仪 自相关法 频率分辨光学开关法 (FROG) 光谱相位干涉直接电场重构法 (SPIDER)
强度自相关器
Crossing beams in an SHG crystal, varying the delay between them, and measuring the second-harmonic (SH) pulse energy vs. delay yields the Intensity Autocorrelation:
用频率分辨光学开关法测量飞秒激光脉冲
第35卷，增刊、，b1．35Su pp l e m e n t红外与激光工程I n行ar ed a11d L a ser E ngi nee r i I l g2006年l O月O ct．2006用频率分辨光学开关法测量飞秒激光脉冲王卫京1，李华军2，刘文军2，曲士良2(1．威海职业学院，山东威海264200；2．哈尔滨工业大学光电科学系(威海)，山东威海264209)摘要：飞秒脉冲的测量在飞秒激光的应用中起着关键性作用．文中阐述了频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的原理和再现算法，构建了一台用于飞秒脉冲测量的二次谐波．频率分辨光学开关装置，利用该装置对谐振腔输出的飞秒脉冲进行了测量。
利用二次谐波．频率分辨光学开关法测量得到了描迹图信号，对信号分布进行计算机迭代处理，得到了飞秒脉冲的时间宽度及光谱宽度、电场及其位相在时域和频域的详细信息。
谐振腔直接输出脉冲的时间宽度为56f s，光谱宽度为27nm，时间带宽积为O．686，算法中的最小误差为0．001792。
实验结果表明二次谐波．频率分辨光学开关法是一种有效的飞秒脉冲测量方法。
关键词：飞秒激光脉冲；测量；频率分辨光学开关法；迭代计算中图分类号：TN247文献标识码：A文章编号：l007．2276(2006)增C．0012．05 M：easur em ent of f em t osecond pul s e w i t h f r equency—r es ol vedopt i cal gat i ngw A N G w ei-j iI l91，L I H ua_j un2，LI U w e n-j uI l2，Q u s hi-l i锄92(1．W e ihai C o l l e g e，w e iha i2“200，c lI i舱；2．D epa舳∞t of opt i cs柚d El咖lI ics Sci e溉s，H arbi n I粥t i t l I t e of T echll ol o盱砒w ei l l ai，w ei l l a i2“209，C hi豫)A bst r act：T he m eas l l r em ent of f em t os eco nd pul s es pl a ys an i m ponan t r o l e i n t he a ppl i ca t i on of f em t os econd l aser．II l t hi s pa pe r，t he bas i c concept under l yi ng t h e疔equen cy—r esol V ed opt i ca l ga t j ng(FRO G)pul s e char ac t cr i Zat i on t ecl l I l i que aI l d di s cuss pul se r e t r i eV a l al gor i tl l I l l s ar e r evi ew e d．The t em p or al and spect r a l puI se w i d t h and el ect r i c f i el d c锄be re t r i e V e d f沁m FR O G t r a ce by ut i l i zi ng t he gene ra l i z ed proj ect i ons al gor i t啪．M easu“ng f em t os econd pul s e s by usi I l g a hom e—m ade SH G—FR O G deV i ce．T he t em po r al w i d t h of a f em t os econd pul se c om i ng丘om r es o na n t ca V时di r ec t l y is56f s；t he spec t r a l w i dt h i s27nm；t he t i rI l e-bandw i dt h pm duc t is0．686；t h e m i ni m um er r o r is O．O O1792．T he ex per i m ent al r e sul t s i I l d i cat e廿l at仃equency-r es ol V ed opt i ca l gat i I l g m e t hod i s ef f ec t i V e i Il m e asl l r i I l g f-em t oseco nd pul ses．K ey w or ds：Fem t o seco nd l aSer pul se；M easur em ent；Frequency—r esol V ed opt i ca l gat i ng；Pul s e r e廿i eva l al gori吐l m s收稿日期：2006-08．02作者简介：王卫京(19“一)，男，山东威海人，讲师，主要从事飞秒激光测量面的研究工作．增刊王卫京等：用频率分辨光学开关法测量飞秒激光脉冲13 0引言由于飞秒激光脉冲的时间宽度极短而瞬间强度极高，因而被广泛应用于物理、化学和生物学等领域进行探测和分辨超快过程l l qJ，如电子的跃迁、揭示和控制化学生物反应，在这些应用中必须准确了解所用飞秒脉冲的各种特性，通过对比入射飞秒激光脉冲和出射脉冲的变化，可以更好地理解和研究物质的特性。
飞秒激光测量技术2012.5.22
自相关测量方法
频率分辨光学开关法（Frequency-Resolved
Optical Gating，简称FORG） 自参考光谱位相相干电场重建法（Selfreferencing Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Reconstruction，简称 SPIDER）
光谱相干
波长相同，传播方向不同的两束光的波矢分别是K,R，
它们混合后产生正弦调制的干涉条纹，条纹周期为： 2 / K X R X
t K ,t R, X
两个不同时刻到达同一点的脉冲会在合成的光谱上产
生干涉条纹，条纹的频率间隔与延时成反比：
2 /
相干叠加的光强： I ( )
2
[ E 1 ( t ) E 2 ( t )] d t
经过倍频晶体，相关信号：
S ( )
2
{ [ E 1 ( t ) E 2 ( t )] } d t
2
倍频自相关信号：
S ( ) A ( ) R e{4 B ( ) e
结果：干涉条纹对比度下降，明暗条纹变得模糊。
当光源线度b增大到某一限度时：
结果：干涉条纹消失，光程差为 / 2 。
= S S 1 S S 1 b sin / 2 / 2
'
b
相干孔径角
小结
光的干涉要满足： 同频率 同振动方向 相位差恒定 光程差： L （相干长度） 光源线度： b
它不含有给出脉冲的位相、脉冲的 形状等信息。
干涉自相关
E1 (t ) E 0 1 (t ) e
频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲_刘文军[1]
![频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲_刘文军[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/822f09383968011ca300912d.png)
频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＦｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄＬａｓｅｒＰｕｌｓｅｗｉｔｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ－ＲｅｓｏｌｖｅｄＯｐｔｉｃａｌＧａｔｉｎｇ刘文军１王卫京２戴恩文３周常河３１哈尔滨工业大学威海校区光电科学系，威海２６４２０９２威海职业学院，威海２６４２００３中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学实验室，上海２０１８０!"""""""#$%%%%%%%&０ＬＩＵＷｅｎｊｕｎ１ＷＡＮＧＷｅｉｊｉｎｇ２ＤＡＩＥｎｗｅｎ３ＺＨＯＵＣｈａｎｇｈｅ３１ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔＷｅｉｈａｉ，Ｗｅｉｈａｉ２６４２０９２ＷｅｉｈａｉＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｗｅｉｈａｉ２６４２００３ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＯｐｔｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０!"""""""""""#$%%%%%%%%%%%&０摘要阐述了频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的原理，详细分析了模式尺寸效应和非线性效应对飞秒脉冲测量的影响。
构建了一台用于飞秒脉冲测量的二次谐波－频率分辨光学开关装置，利用该装置对谐振腔输出的飞秒脉冲及压缩后的脉冲进行了测量。
得到了飞秒脉冲的时间宽度及光谱宽度、电场及其相位在时域和频域的详细信息。
谐振腔直接输出脉冲的时间宽度为５６ｆｓ，光谱宽度为２７ｎｍ，时间带宽积为０．６８６，算法中的最小误差为０．００１７９２。
脉冲压缩后的测量结果为２７ｆｓ，光谱宽度为９２ｎｍ，时间带宽积为１．２７，算法误差为０．００９３２８９。
自相关仪超快飞秒脉冲激光测量
超快飞秒脉冲激光测量一、超快激光是什么？我们所说的超快激光器，一般是指脉冲宽度达到皮秒量级的脉冲激光器。
其具有一下特点：（1）具有极短的激光脉冲。
脉冲持续时间只有几个皮秒或飞秒。
（2）具有极高的峰值功率。
其电场远远强于原子内库仑场，具有极高的电场强度，足以使任何材料发生电离。
近十几年来，由于啁啾脉冲放大(chirped pulseamplification, 简称CPA)技术的提出和应用，宽带激光晶体材料（如掺钛蓝宝石）的出现，以及克尔透镜锁模技术的发明，使超强超快激光技术得到迅猛发展。
小型化飞秒太瓦（1012瓦）甚至更高数量级的超强超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。
图1、100飞秒激光器时域分布最近，更短脉冲和更高功率的激光输出，如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲，小型化飞秒100太瓦级超强超快激光系统，以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦（1015瓦）级激光输出已有报道，激光功率密度达到1019～1020瓦 /厘米2的超强超快激光与物质相互作用研究也已开始进行。
传统的激光放大采用直接的行波放大，而对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，其峰值功率将很快增加，并出现各种非线性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。
图2、脉冲序列分布CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成所谓的啁啾脉冲。
这样，在放大过程中，即使激光脉冲的能量增加很快，其峰值功率也可以维持在较低水平，从而避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量的稳定增长。
当能量达到饱和放大可获得的能量之后，借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度，即可使峰值功率大大提高。
为了突破CPA技术的一些局限性，目前国际上正在积极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方法，如啁啾脉冲光学参量放大（OPCPA）原理，目标是创造更强更快的强场超快极端物理条件，特别是图3、钛蓝宝石超快激光器获得大于（等于）1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。
飞秒激光脉冲宽度测量研究
飞秒激光脉冲宽度测量研究于洪【摘要】To measure the pulse width of femtosecond laser rapidly and accurately , a measurement system was designed based on the second order autocorrelation principle .The results show that pulse width of the seed laser at 800nm was 199.51fs tested by the independently designed measurement system and was 217.6fs tested by the single pulse autocorrelation instrument of Coherent company .The error is only0.43%.The results proved that this independent measurement system can test the femtosecond pulse width precisely .% 为了快速准确地测量飞秒激光脉冲宽度，采用二阶自相关方法，设计了用于测量飞秒激光脉冲宽度的测量系统。
结果表明，通过自主设计的系统测得800nm种子激光脉冲宽度为217.6fs，而利用Coherent 公司生产的单脉冲自相关仪测得脉冲宽度为199.51fs，两者误差仅为0.43％。
由此可见，自主设计的测试系统可以对飞秒激光脉冲宽度进行准确测量。
【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】3页(P679-681)【关键词】测量与计量;飞秒激光;脉冲宽度;二阶自相关;倍频晶体【作者】于洪【作者单位】琼州学院电子信息工程学院，三亚572022【正文语种】中文【中图分类】O437自20世纪60年代激光问世之后，激光技术与应用得到迅猛发展，例如在遥感测量、探索微观领域、高分辨率光谱学等方面。
飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术
（西安应用光学研究所，陕西 西安７１００６５）
摘 要：飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工 等 领 域 具 有 重 要 的 应 用 前 景，同 时 也 是产生太赫兹波的主要泵浦 源。 介 绍 了 国 内 外 飞 秒 激 光 脉 冲 宽 度 和 脉 冲 波 形 的 测 试 方 法 ，比 较 了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接 电场 重 构 法 的 优 缺 点。 自 相 关 法 具 有 脉 宽 测量范围广、结构简单等特点，但不具备脉冲波形测试 能力。 光 谱 相 位 相 干 直 接 电 场 重 构 法 对 待 测激光光束质量要求较高，不适合大量程范围 激 光 脉 宽 快 速 测 量。 为 满 足 １０ｆｓ～５ｐｓ大 量 程 范 围超短激光脉冲宽度和脉冲波形 的 测 试 需 求，采 用 自 相 关 法 及 二 次 谐 波 频 率 分 辨 光 学 开 关 法 研 制 飞 秒 激 光 脉 冲 宽 度 和 脉 冲 波 形 测 试 仪 ，时 间 分 辨 率 优 于 ２ｆｓ。 关 键 词 ：飞 秒 激 光 ；脉 冲 宽 度 ；脉 冲 波 形 ；测 试
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飞秒脉冲的测量方案 电子科学与技术 (Measurement of an ultrashort pulse) 精密仪器与光电子工程学院
Outlines
为什么测量超短脉冲是一项挑战? 为什么 要对超短脉冲进行测量? 对超短脉冲的全面描述需要那些测量量？ 光谱仪与Michelson 干涉仪 自相关法 频率分辨光学开关法 (FROG) 光谱相位干涉直接电场重构法 (SPIDER)
What if we use a collinear beam geometry, and allow the autocorrelator signal light to interfere with the SHG from each individual beam?
Michelson Interferometer
SHG-FROG and other geometries
XFROG, Single-shot FROG and GRENOILLE
频率分辨光学开关法 (FROG)
FROG： 用复制的可延迟的脉冲与原脉冲在非线性介质中的瞬时相 互作用作为光学开关；对开关脉冲随时间的变化进行光谱分辨。
Pulse to be measured
Nonlinear medium (glass)
Esig(t,) = E(t) |E(t-)|2
Use any ultrafast nonlinearity: Second-harmonic generation, etc.
SHG FROG Measurements of a 4.5-fs Pulse!
“Polarization Gate” Geometry
Beam splitter E(t-)
I FROG ( , )
45° polarization rotation
2
Esig (t , ) exp( i t ) dt
Camera
Variable delay,
E (t )
Iaconis and Walmsley, JQE 35, 501 (1999).
SPIDER apparatus
Delay Line M BS Delay Line
Focusing Lens
Lens
Spectrometer
SHG crystal
Filter Aperture
BS
Pulse Stretcher
This pulse sums with the blue part of the chirped pulums with the green part of the chirped pulse.
t
t
SFG
Performing SI on these two pulses yields the difference in spectral phase at nearby frequencies (separated by ). This yields the spectral phase.
Michelson Interferometer
Grating
Input
BS
BS
Grating
~ ~ ~ ~ S ( , ) | Etest ( 1 ) |2 | Etest ( 2 ) |2 | Etest ( 1 ) || Etest ( 2 ) | cos[ test ( 1 ) test ( 2 ) ]
How SPIDER works
Input pulses
Chirped pulse t
Output pulses Two replicas of the pulse are produced, each frequency shifted by a different amount.
0
Input pulse
E(t)
SHG Lens crystal Filter
Slow detector
2
Developed by J-C Diels
Diels and Rudolph, Ultrashort Laser Pulse Phenomena, Academic Press, 1996.
Mirror
By guruntech
超短脉冲的测量Ⅰ：自相关法
Outlines
Intensity Autocorrelation Single-shot autocorrelation Third-order Autocorrelation
Intensity Cross-Correlation
Interferometric Autocorrelation
Beamsplitter E(t–)
E(t ) E (t )
(2)
[ E(t) E(t )]
Delay
Mirror New terms
IA ( )
[E (t ) E (t )]
2 2
dt
IA ( )
(2)
E (t ) E (t ) 2 E(t )E(t ) dt
Mirrors
E(t–) Delay
Lens ES H(t, ) E(t)E(t ) IS H(t, ) I (t) I(t )
The Intensity Autocorrelation:
A(2) ( )
I (t )I (t ) dt
干涉自相关器
2 2
2
Usual Autocorrelation term
Also called the “Fringe-Resolved Autocorrelation”
超短脉冲测量Ⅱ：频率分辨光开关法
Outlines:
The Musical Score and the Spectrogram
Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)
Baltuska, Pshenichnikov, and Weirsma, J. Quant. Electron., 35, 459 (1999).
超短脉冲测量Ⅲ： SPIDER
Outlines:
What is SPIDER?
How SPIDER works?
SPIDER apparatus X-SPIDER
强度自相关器
Crossing beams in an SHG crystal, varying the delay between them, and measuring the second-harmonic (SH) pulse energy vs. delay yields the Intensity Autocorrelation:
Input pulse Mirror Beam-splitter E(t) Aperture eliminates input pulses and also any SH created by the individual input beams. SHG crystal Slow detector Vd et( ) A (2) ( )