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 pulse
amplification, 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。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放
大各自的优点，是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。
OPCPA原理目前还处于中等功率层次上的预研阶段，但却蕴涵着强大的生命力。此外，超强超快
激光光束质量的优化、时空轮廓的整形与控制，周期脉宽小于10飞秒的超短激光脉冲的产生、有效
放大与性能优化，也是今后持续创新发展的主要方向。
二、测试方法 由于超短脉冲的脉冲宽度极短，与之相比，普通的电子类器件反应速度相对较慢，根本无法直接
测量超短脉冲的特性参数。这给对激光特性的研究提出了新的课题。于是人们提出了许多间接的
测量方法，并获得了很大的突破。通常人们采用的方法是白相关法，这种方法可以准确地测量出
超短激光的脉冲宽度。
在某些情况下，对于脉冲宽度小于lOfs的周期脉冲，人们还要求知道飞秒脉冲的相位信息，如果
不知道相位信息就无法得到完整的脉冲信息。因此更加能够完整地描述飞秒脉冲特性的方法被提
出。目前，测量飞秒脉冲的方法有基于自相关法的频率分辨光学快门法(FROG)光谱位相相干直接
电场重构法(SPIDER)。其中FROG法已经成为了测量超短脉冲的标准方法 1）自相关仪
自相关仪是采用迈克尔逊的光路把两束光自己相关实现超快激光的脉宽检测的。而Femtochrome
Research 公司的自相关仪使用的是旋转平
行镜实现光线的延迟。FR-103系列采用平行
平面反射镜绕中心轴旋转的迈克尔逊干涉
仪，其总体结构图如图4所示。入射激光脉
冲入射到分束片上，其反射部分经转动平面
反射镜和参考平面反射镜M3，按原路返回；
投射部分，则经反射棱镜M1和角锥反射镜后，
产生一横向位移；两光束为凹面反射镜M2聚
焦于非线性晶体上，产生的二次谐波，通过
光孔和滤光片射入到光电倍增管PMT上。 图4、自相关仪光路图
这种延迟机构可以产生延迟范围为0.1~3毫秒，定标因子为32ps/ms。 2）FROG-Mesaphotonics
FROG是frequency-resolved optical
gating的简称，中文为频率分辨光
学门。图5为其光学原理图，可见
它与自相关仪光路是一致的，唯一
不同在于自相关仪的信号使用探
测器来探测而FROG是采用光谱仪
来检测的，通过采集不同延迟时间
的光谱数据，经过算法的分析，就
能得到脉冲激光的脉宽，相位，光
谱，波形的测试。 图5、FROG光路图
可见FROG比自相关仪的功能更强，得到的信息更多。
实物图
两束混合光经聚焦镜反射到SHG CRYSTAL 后将SHG crystal 作为瞬间响应非线性光学门开关
将其作为门函数得出其乘积。 FROG系统通过SHG Crystal 来控制测试的波长
以450nm —1800nm为例， 需采用三块晶体和两个光谱仪来覆盖整个波段。 1. SHG Crystal , thin55 degree BBO 20 microns thick for 440 nm - 550 nm
2. SHG Crystal, thin.34 degree BBO 30 micron thick for 550 nm - 1000 nm.
3. SHG Crystal, standard BBO crystal, mounted. 100um thick or thicker. Any angle, Used in the
IR(1000nm - 1800nm)
所测脉宽越短时，其SHG晶体则需越薄，为的是减少它在SHG中的迟滞时间。
晶体是波长越长厚度越厚，波长越短厚度越薄。
光谱仪 HR2000+ 450nm-1200 nm
HR2000+ 1200nm-1800nm
图中的伺服是用来控制光路的delay时间τ，系统中其所采用的算是为
计算出信号Esig ( t ,τ) ,对其求傅里叶变换得到频域信号Esig (ω, τ) , 然后用实验测得的I FROG(ω,τ) 代替信号Esig (ω,τ) 的幅度得到新的Esig (ω,τ) ,经反傅里叶变换得到新的
Esig ( t ,τ)应用一定的限定条件,由新的Esig ( t ,τ) 计算出新的E( t) 作为下一次迭代的初值。
重复这个过程,直到FROG图形误差达到一个可以接受的值。
自相关仪原理简介
⾃相关仪原理简介
⾃相关仪原理简介
脉冲宽度是脉冲激光器的重要性能指标，利⽤扫描⾃相仪可以测量ps和fs的脉冲宽度。随着激光器的问世脉冲激光器由于峰值功率⾼⽽获得⼴泛的应⽤，⽬前在化学反应动⼒学、⾮线性光学、光语分析、激光加⼯、激光测距等科技领域都采⽤脉冲激光器作为光源。脉冲激光器的脉冲
宽度已从毫秒和纳秒提⾼到⽪秒和飞秒。
关于脉冲激光器脉冲宽度的定义，对于单纵模输出，其脉冲宽度定义为脉冲⾼度50%的全脉冲宽度（FWHM）；对于多模输出，其脉冲宽度为最佳拟合包络脉冲的FWHM。对于⼀般脉冲激光器，通
常可以利⽤⼀台带宽⼤于350MHz的⽰波器，和快速光电⼆极管（升降时间⼩于1ns）进⾏测量。对于ps和fs脉冲激光器，则只能使⽤条纹相机，或扫描⾃相关仪进⾏测量。扫描⾃相关仪是近⼗多年来发
展的专门⽤于测量脉冲宽度的新型仪器，具有⾼分辫率、⾼灵敏度和使⽤⽅便等优点。⽬前已出现多
种型号的⾃相关仪可⽤于探测超短光学脉冲的瞬时宽度，提供最佳的灵敏度和分辫率，适于测量锁
模染料或蓝宝⽯激光器的fs脉冲和脉冲半导体激光器或Nd-YAG/YLF激光器的ps脉冲。
利⽤测量激光的脉冲宽度，整套系统应包括光学系统和⽤于控制与显⽰的计算机系统。⾃
相关仪的光学系统类似于迈克尔逊⼲涉仪的结构，可以有两种形式共线的和⾮共线的，如图所⽰。图中⼊射光脉冲经分束⽚分为两束光，然后分别经两棱镜反射后再次共轴输出，即为共线型。
By guruntech
显然，调节棱镜的位置可以使两束光分别有不同的光程，连续改变棱镜的位置可以形成⼀个脉冲序列对另⼀脉冲序列的扫描，形成相关函数的波形。选择倍频晶体的⽅向使输⼊光E(t)和E(t-τ)⼀两束
光的波⽮量都稍偏离相位匹配⽅向，因⽽在单独⼊射时不产⽣⼆次谐波，当两束光同时⼊射时因合成
⽮量满⾜相位匹配条件则产⽣⼆次信频其信号与两束光强的乘积有关，由于倍频光信号仅与两束光强度的乘积项有关：
因此所产⽣的⼆次谐波，由光电倍增管接收并予记录。图所⽰则是⽬前应⽤⽐较⼴泛的⾮共线相
用频率分辨光学开关法测量飞秒激光脉冲
第35卷，增刊
、，b1．35
Supplement红外与激光工程
In行areda11dLaser
EngineeriIlg2006年lO月
Oct．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56fs，光谱宽度为27nm，时间带宽积为O．686，算法中的最小误差为0．001
792。
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：easurementoffemtosecond
pulsewith
frequency—resolved
opticalgating
wANG
wei-jiIl91，LIHua_jun2，LIUwen-juIl2，Qushi-li锄92
(1．WeihaiCollege，weihai2“200，clIi舱；
2．Depa舳∞t
ofoptics柚dEl咖lIics
Scie溉s，HarbinI粥titlIteofTechllolo盱砒weillai，weillai2“209，Chi豫)
Abstract：Themeasllrementoffemtosecond
pulsesplaysanimponantroleinthe
飞秒脉冲测量技术的新进展
・综述・
飞秒脉冲测量技术的新进展 光电子・激光第１３卷第６期２００２年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ（）ｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ・Ｌａｓｅｒ Ｖｏ１．１ ３ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２００２
柴 路，高 峰 ，王清月，张志刚 （天津大学精仪学院超快激光研究室，教育部光电信息技术与科学重点实验室，天津３０００７２；１．天津大学理学院，天津 ３ＯＯＯ７２） 摘要：本文综述了超快激光领域中测量技术的最新发展，特别详细地论述了目前国际上公认的测量脉冲 位相的２种标准方法；ＦＲＯＧ和ＳＰＩＤＥＲ的基本原理、实验构成和性能比较。 关键词：飞秒脉冲测量；频率分辨光学开关法（ＦＲＯＧ）；光谱位相相干电场重构法（ＳＰＩＤＥＲ） 中图分类号：ＴＮ２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—００８６（２００２）０６ ０６ ４７－０５ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｕｌｓｅｓ ＣＨＡＩ Ｉ ｕ，ＧＡＯ Ｆｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｙｕｅ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ （Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｌａｓｅｒ Ｌａｂ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ８ ．（）ｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ— ｔｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ（）ｐｔ。ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ＥＭＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ； １．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｉｓ ｒｅ— ｖｉｅｗｅｄ．ｗｉｔｈ ａ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｉｎｇ（ＦＲＯＧ）ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（ＳＰＩＤＥＲ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｉｎｇ（ＦＲＯＧ）；Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（ＳＰＩＤＥＲ）
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://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/822f09383968011ca300912d.webp)
Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．３Ｍａｒ．２００７Ｒｅｖｉｅｗ
中国光学期刊网ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ测量与计量
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。关键词飞秒激光；脉冲测量；频率分辨光学开关法ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｒｅｓｏｌｖｅｄｏｐｔｉｃａｌｇａｔｉｎｇ（ＦＲＯＧ）ｐｕｌｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｏｄｅ－ｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｆｆｅｃｔｏｆｓｅｃｏｎｄ－ｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｄｉｕｍｏｎｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＡｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃＦＲＯＧｉｓｓｅｔｕｐｔｏｍｅａｓｕｒｅｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｓ．Ｔｈｅｗｉｄｔｈ，ｆｉｅｌｄａｎｄｐｈａｓｅｉｎｔｅｍｐｏｒａｌａｎｄｓｐｅｃｔｒａｌｄｏｍａｉｎｓａｒｅｒｅｔｒｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｔｅｍｐｏｒａｌｗｉｄｔｈｏｆａｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｃｏｍｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙｄｉｒｅｃｔｌｙｉｓ５６ｆｓ，ｗｉｔｈｓｐｅｃｔｒａｌｗｉｄｔｈ２７ｎｍ，ｔｉｍｅ－ｂａｎｄｗｉｄｔｈｐｒｏｄｕｃｔ０．６８６，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｅｒｒｏｒ０．００１７９２．Ｔｈｅｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｉｓｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｂｙａｐｒｉｓｍｐａｉｒ，ｗｉｔｈｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎ２７ｆｓ，ｂａｎｄｗｉｄｔｈ９２ｎｍ，ｔｉｍｅ－ｂａｎｄｗｉｄｔｈｐｒｏｄｕｃｔ１．２７，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｅｒｒｏｒ０．００９３２８９．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ；ｐｕｌｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｒｅｓｏｌｖｅｄｏｐｔｉｃａｌｇａｔｉｎｇ中图分类号Ｏ４３９
飞秒脉冲干涉自相关修正光谱特性与啁啾检测
・１２・ 嘉兴学院学报 第１９卷第６期２００７年１１月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＪｉａｘｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．１９‘Ｎｏ．６ ２０Ｏ７。．１１。
飞秒脉冲干涉自相关修正光谱特性与啁啾检测
陈碧芳
（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴３１４００１）
摘要：讨论了一种测量飞秒激光脉冲啁啾的简单方法的可行性，采用对干涉自相关（ＩＡＣ）做频谱修
正，得到干涉自相关修正光谱（ＭＯＳＡＩＣ），利用该修正光谱对啁啾有很高灵敏度的特性，检测到了略偏离
变换极限的飞秒激光脉冲中含有的微小啁啾。ＭＯＳＡＩＣ能够精确地测量飞秒激光脉冲的微小啁啾量。
关键词：飞秒脉冲测量；干涉自相关修正光谱；啁啾；包络中图分类号：ＴＮ７８
Ｃｈａ￣ａｃｔｅｒｉｓｌｉｃ ｏｆ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｕｔｏ—ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｒｐ
， ＣＨＥＮ Ｂｉ—ｆａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｊｉａｘｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｊｉａｘｉｎｇ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３ １４００１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈｉｒｐ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｍｏｄｉｆｉｅｄ
ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｕｔｏｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（ＭＯＳＡＩＣ）ｕｓｅｓ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（ＩＡＣ）
ｔｏ ｒｅｎｄｅｒ ａ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｔｈａｔ ｉｓ ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｃｈｉｒｐ．Ｃｈｉｒｐ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｈｏｗｎ ｖｉｓｕａｌｌｙ ｉｎ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓ—
如何用自相关仪测试飞秒脉冲
飞秒(fs)脉冲测量
通常采用扫描自相关仪来测量飞秒脉冲宽度。传统的自相关仪一般采用单向位移扫描方式, 即采用电动机带动反射镜在一维方向移动; 也有采用往返振动扫描方式, 即用一扬声器带动反射镜在一维方向发生振动提供时延。随着自相关测量方法的不断改进, 目前多数采用旋转位移扫描方式, 即采用电动机带动一石英块转动, 根据光束在石英块中传播的路径不等,
给两臂光束提供时延。采用这种方式克服了单向位移扫描的间断测量问题, 也避免了往返振动扫描的非线性时延, 能够周而复始地线性实时读出显示, 并具有良好的稳定性。
利用自相关仪测量激光的脉冲宽度, 整套系统应包括光学系统和用于控制和显示的计算机系统。强度自相关仪的光学系统类似于迈克尔逊干涉仪的结构, 如下图 所示。下图 (a)
为共线型相关测量法, 入射光脉冲经分束片分为两束光, 然后分别经两棱镜反射后再次共轴输出。下图 (b) 为非共线相关测量法, 通过调节棱镜的位置可以改变两束光的光程, 选择倍频晶体的方向使两束光都偏离相位匹配方向,从而在单独入射时不产生二次谐波。当两束光同时入射时因合成波矢量满足相位匹配条件而产生倍频, 倍频光信号S (S) 仅与两束光信号的乘积项有关, 即S (S)∝ E 2 ( t) E 2 ( t− S) dt+ ∞− ∞ 产生二次谐波。连续改变棱镜位置就可以形成一个脉冲序列对另一脉冲序列的扫描。形成相关函数的波形, 由光电倍增管接收并记录。非共线相关测量法因能消除背景光而具有较高的测量精度。
相关函数S (S) 波形的半宽度的时间间隔即为脉冲宽度。根据激光脉冲宽度的定义, 如果将自相关仪接入示波器, 在屏幕上显示出自相关曲线的波形,按设定的示波器时间基A, 可以读出其半宽度格值X , 而其实际值必须考虑定标因子T t (p) , 即X ·(T ö t)。这里T 为延迟时间, t 为扫描时间。T (t)对于不同类型的仪器是不同的, 具体参见仪器的说明书。最后, 实际的脉冲宽度还要考虑激光脉冲的波
利用光谱法测量飞秒激光脉冲宽度研究
第３３卷第１期 ２０１０年３月 长春理工大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ ＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３３ Ｎ０．１
Ｍａｒ．２０１０
利用光谱法测量飞秒激光脉冲宽度研究
董光焰 ，郭凯敏 一，高勋
（１．中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州４５００４７；２．长春理工大学理学院，长春１３００２２；
３．包头师范学院物理科学与技术院，包头０１４０３０）
摘要：基于光谱法对飞秒激光振荡器的脉冲宽度进行了测量，并与自相关仪的测量进行对比。研究结果表明光谱
法与自相关仪测量的脉冲宽度值相吻合，建立一种实验室内飞秒激光脉冲宽度的测量方法。
关键词：飞秒激光；脉冲宽度；激光光谱
中图分类号：０５６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９８７０（２０１０）０１—００３９～０２
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｎ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ、Ｍｄｔｈ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｓｐｅｃｔｒ０ｓｃ０ｐＶ — Ｉ Ｉ．，
ＤＯＮＧ Ｇｕａｎｇｙａｎ ，ＧＵＯ Ｋａｉｍｉｎ 一。ＧＡＯ Ｘｕｎ
（１．Ｔｈｅ ２７ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４７； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００２２； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＰｈｙｓｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０３０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅ—
自相关仪使用指南pdf
自相关仪使用指南
第一部 特别注意事项
1、 使用后主机及时储存到干燥箱或湿度低于40%的环境中。（原因：主机
中有倍频晶体LBO,晶体表面容易潮解，潮解后，这块晶体就没用了）
2、 使用中，进入主机中的光束，功率小于50毫瓦，一般30毫瓦左右为佳，
可通过调整软件的增益GAIN来提高信号，软件中出现饱和或
OVERLOAD，一定要赶紧档光并减小功率或增益。（原因，功率超过标
准会打坏探测信号的元件，还挺灵敏的，自相关仪就坏了）
3、 请勿擅自拆自相关仪，也请勿把外部的45度镜拆下，因为那是经过调试
安装好的，45度镜的旋钮是可以正常操作，方便对光的。
4、 自相关仪外部几个千分尺的数据，请保持在说明书上对应的读数，请勿
大动，可以微调。
5、 要求输入激光的偏振态为水平偏振，请自行调节激光输出偏振态，以满
足测试要求。圆偏振，只要水平偏振的分量够大也可以，如果是竖直偏
振，请转换偏振态，否则无信号响应。
6、 软件安装及软件使用，需要预先调整操作系统的语言设置，需设置为“英语”。通过控制面板设置区域语言完成。
7、 对输入光的要求为：水平等高、发散角越小越好，请预先自行调整一段
范围内的光的状态，大约要求50CM内等高不发散不聚焦。
第二部 使用方法
1、 接好线路，正常开启软件及控制卡。接线如图1和图2所示。
图1
图2
2、 开启软件后，适当增大增益GAIN到能看到噪声信号的范围；将脉宽范
围设置为1.5PS左右（针对飞秒阶段的脉宽）。
3、 开始对光工作。将激光打到45度反射镜中心（有辅助的对光工具卡位
的），再通过45度反射镜反射进入自相关仪内部（有辅助的对光工具卡
位的），再通过自相关仪上的十字叉辅助观察信号（十字叉观察到的信
号是入射光的反射光，与入射光波长相同，如果是红外，请用辅助卡片
观测）。看到十字叉正中有光点，说明对光对好了，若没有光点，说明
还没对正，需要再对一下，如图3所示，可微调45度镜，以调整光点位
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 pulse
amplification, 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
自相关法测量飞秒激光脉冲宽度
第２３卷第２期 ２００７年４月 忻州师范学院学报 Ｊ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩＮＺＨＯＵ ＴＥＡＣＨＥＲＳ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖ０１．２３ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００７
自相关法测量飞秒激光脉冲宽度
高 雁
（忻州师范学院，山西忻州０３４０００；山西大学，山西太原０３０００６）
摘要：利用自相关仪可以测量飞秒激光脉冲宽度，文章简要介绍这种仪器的结构及原理。
关键词－强度自相关；干涉自相关；脉冲
中图分类号：０４３６．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—１４９１（２００７）０２—００２４—０２
１ 引言 随着超短激光技术的发展，光脉冲被压缩的很窄，尤其
自锁模Ｔｉ：Ａ１：０，激光器的出现，推动了飞秒激光在多学科领 域研究中迅速而广泛的应用，同时对于飞秒光脉冲宽度的测 量技术提出了新的要求。要求结构紧凑，调制方便，能实时 显示脉冲宽度。飞秒光脉冲宽度测量通常采用的自相关法， 是基于迈克尔逊干涉仪，通过记录光脉冲自扫描相关二次谐 波曲线来测量其时域宽度。自相关曲线分为强度相关曲线
和干涉相关曲线。强度相关曲线是通过记录脉冲自相关强 度变化来测量脉冲宽度，而忽略了脉冲位相的变化。干涉相 关曲线可显示脉冲自相关过程的每一个光学周期，在记录自 相关强度变化的同时也记录了脉冲位相信息，可更为准确地 给出脉冲宽度及啁啾的变化情况。一般相关器和实时相关 器均可记录脉冲的强度自相关曲线，而干涉相关曲线则需要
光电探测和记录器件对相关器的扫描速度有足够快的响应， 因而实时显示干涉自相关曲线的获得对器件要求较高，是超 短脉冲测量的最佳选择。
２工作原理 自相关测量的实验装置原理如图１所示。该装置以一 台迈克尔逊干涉仪为基础，在迈克尔逊干涉仪出口端加上倍
频晶体和光电探测器等。 假设时刻ｔ经固定反射镜反射到非线性晶体所在平面 的光为Ｅ（ｔ），经可动镜反射到该平面经过时间延迟的光为Ｅ （ｔ—ｒ）。用复数表示为 Ｅ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｅ 一 ‘ （１）