（光学专业论文）双光子自相关皮秒脉冲检测研究.pdf

摘要 摘要 随着激光锁模技术的不断发展，激光脉冲的宽度越来越窄，从而得到了越来 越广泛的应用，这就要求脉冲测量手段不断提高。为了准确研究超短脉冲，长期 以来，人们已经形成了二阶自相关法、频率分辨光学开关法( f r o g ) 、自参考光谱 位相相干电场重建法( s p i d e r ) 等测量方法，并各具特点。 本文详细阐述了超短脉冲的常用测量技术，对其优缺点进行了比较分析。针 对常用方法的不足，结合近些年来双光子效应的研究成果，我们采用双光子探测 器取代常用的非线性晶体，并首次利用光纤延迟取代空间光路延迟，综合了非线 性光纤光学、光无源器件的应用、光电转换、模拟电路、单片机等知识，设计出 了一套全光纤超短脉冲测量系统。本系统的主要原理是：把入射光分为两束，让 其中一束光通过一个可调光纤延迟线，再把这两束具有相同幅度并延时重合的光 合路后送进双光子探测器，该探测器同时吸收两个光子发生双光子效应从而产生 电流信号，且其大小与双光子自相关信号的强度成正比。调节延迟时间，自相关 信号以及电流信号的大小都将随之而改变，从而得到自相关曲线。对自相关曲线 进行必要的处理与计算便可得到对应的脉冲宽度。 与传统的测量方法和仪器相比，本系统采用全光纤结构延迟，使其结构更加 紧凑；采用双光子探测器，使其应用更加便捷，并能测量更低功率脉冲的脉宽。 本文内容主要做以下编排： ( 1 ) 在第一章和第二章系统地介绍了超短脉冲常用的几种测量技术，并对这 些测量技术的优缺点进行了对比分析； ( 2 ) 在第三章到七章阐述了双光子自相关皮秒脉冲检测系统的基本原理，并 对系统方案进行了详细的分析和设计； ( 3 ) 在最后一部分对实验结果进行了深入的讨论，对实验误差进行了详尽的 分析，并提出了进一步的改进方案。 关键词：双光子，自相关，皮秒，非线性效应 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e - l o c k e dl a s e r ，t h ep u l s e sw i d t hb e c o m e sn a r r o w e r a n dn a r r o w e r ，a n de x h i b i t sm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s o b v i o u s l y ，t h e s e d e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n sd e m a n di m p r o v e m e n t so fm e a s u r e m e n to fp u l s e i n o r d e rt os t u d yo nu l t r as h o r tp u l s ep r e c i s e l y ，s o m em e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ee s t a b l i s h e d ， s u c ha ss e c o n do r d e ra u t o c o r r e l a t l o n ，f r e q u e n c y r e s o l v e do p t i c a lg a t i n g ( f r o g ) ， s e l f - - r e f e r e n c i n gs p e c t r a lp h a s ei n t e r f e r o m e t r y f o rd i r e c te l e c t r i cr e c o n s t r u c t i o n ( s p i d e r ) s o m eu s u a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ea l s oa n a l y z e di nd e t a i l i nv i e wo ft h ed e f e c t so ft h eu s u a lm e t h o d s a n dt h el a t e s td e v e l o p m e n t si nb i p h o t o ne f f e c t ，a na l l - f i b e r - m e a s u r e m e n ts y s t e mf o r u l t r as h o r tp u l s ew a sd e s i g n e di nt h i sw o r k ，b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fn o n l i n e a rf i b e r o p t i c s ，a p p l i c a t i o no fp a s s i v eo p t i ca p p a r a t u s ，o p t i c e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，a n a l o g c i r c u i t ，m i c r oc h i pu n i t ( m c u ) a n d s oo n t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h i ss y s t e mi sa s f o l l o w s d i v i d et h ei n c i d e n tb e a mi n t ot w ob e a m s ，o n eo fw h i c hp a s s i n gt h r o u g hv a r i a b l e o p t i c a ld e l a y ( v o d ) ，t h e nc o m b i n a t i o no f t h et w ob e a m sw i t ht h es a m ea m p l i t u d ea n d d e l a y s u p e r p o s i t i o ni ss e n tt ob i p h o t o nd e t e c t o ra n dt r a n s f o r m e di n t oc u r r e n ts i g n a l s ， w h o s ei n t e n s i t yi sp r o p o r t i o n a lt ot h ei n t e n s i t yo fb i p h o t o na u t o c o r r e l a t i o ns i g n a l s m o d i f i c a t i o no ft h ed e l a yt i m em a yl i k e w i s ea l t e rt h ei n t e n s i f i e so fc u r r e n ta n d a u t o c o r r e l a t i o ns i g n a l s ，a n dt h e nr e s u l ti na u t o c o r r e l a t i o nc u r v e t h e r e f o r e ，t h ew i d t ho f t h ep u l s ec a nb eo b t a i n e dt h r o u g hc a l c u l a t i o n sa n dt r e a t m e n t s c o m p a r e dw i t ht h eu s u a l m e t h o d s ，t h i ss y s t e mi sc o m p a c ta n dc o n v e n i e n t ，a n da p p l i c a b l et ot h ep u l s e sw i t hl o w p o w e r t h ea r r a n g e m e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o m i n o nm e a s u r e m e n t sa r ei n t r o d u c e ds y s t e m i c a l l ya n dc o m p a r e di nd e t a i l ， i n c l u d i n gs e c o n do r d e ra u t o c o r r e l a t i o n ，f r o ga n ds p i d e ri nc h a p t e r la n d c h a p t e r 2 ( 2 ) t h ep r i n c i p l e so fb i p h o t o na u t o c o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n to ft h ew i d t ho ft h e p i c o s e c o n dp u l s e sa r ed e s c r i b e da n dt h es c h e m e sb a s e do nt h ep r i n c i p l e sa r e t 1 a b s t r a c t d e s i g n e da n da n a l y z e di nc h a p t e r s3 - 7 ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ee r r o r sa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d ，a n dt h e p o s s i b l ep l a n sf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h es y s t e ma r ea l s op r e s e n t e di nt h el a s t p a r t k e y w o r d ：b i p h o t o n ，a u t o c o r r e l a t i o n , p i c o s e c o n d ，n o n l i n e a re f f e c t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：越壑三日期：砂嘭年月z 。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁兰塑主导师签名：窒重型皴 日期：d6 年j 月j 汐日 第一章引言 1 1 超短脉冲概述 第一章引言 自上世纪六十年代激光问世之后，激光技术与应用迅猛发展。超短脉冲激光 由于其脉冲宽度极窄，只有几个皮秒甚至达到飞秒量级，可以得到极高的峰值功 率密度，所以在物理学、生物学、化学、光通讯等领域中得到了广泛应用1 】1 2 【3 1 。 它们具有快速和分辨率高等特性，从而形成了多种时间分辨光谱技术和泵浦探测 技术，在快速化学反应动力学研究、高分辨医学诊断、医学相干成像和生物活体 检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点，起到了不可替代的作 用，并且开创了一些全新的研究领域，如量子控制化学、半导体相干光谱等。当 脉冲宽度窄至飞秒量级时，飞秒脉冲与纳米显微技术的结合使高功率飞秒激光在 原子物理学、医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发 展前景。物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、 固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离予体可以辐射出各种射线的激光。 高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，可用于实现激光受 控核聚变的快速点火，这将为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。综上所 述，超短光脉冲尤其是飞秒激光作为揭示物质内部微观动力学的有力工具正在推 动着基础研究和新技术的发展( 4 j 口】。 由电磁场在时域和频域的傅立叶变换关系可知，要想获得短的时域脉冲必须 使光脉冲具有很宽的光谱，同时这些光谱成分之间的位相必须被锁定，即锁模 ( m o d e - - l o c k e d ) 。 作为获得超短超强脉冲的重要手段，锁模技术在过去4 0 多年中获得了长足的 发展( 如图1 1 所示) 。早期的飞秒锁模激光器是碰撞锁模( c p m ) 激光器，1 9 8 5 年美国的v a l d m a n i s 等人采用有机染料r h o d a m i n e 6 g ( r h 6 g ) 为增益介质，在腔 内加入低损耗布儒斯特棱镜对来补偿色散，可以输出中心波长6 2 0 n m ，脉冲宽度 为2 7 f s 的激光脉冲【l 】。1 9 8 7 年福克( r l f o r k ) 等人通过运用光纤棱镜一光栅对压 缩技术对碰撞锁模染料激光器的输出脉冲进一步压缩后获得了脉冲宽度为6 f s 的 极窄脉冲 2 】。但是由于染料激光器结构复杂，调节困难，不利于飞秒激光器的小型 化和实用化。1 9 8 0 年代成功获得了人工生长的以钛宝石晶体为代表的多种性能优 电子科技大学硕士学位论文 良的固体激光晶体，为飞秒激光器的固体化、小型化和实用化奠定了基础。钛宝 石晶体具有很宽的荧光光谱宽度( 6 0 0 n m m 2 0 0 n m ) $ 口较大的增益截面面积f 约3 1 0 1 9 c m 2 ) 是一种理想的飞秒激光增益介质。 up s 考p 至 扣n 虿 妄 1n 二! i ! ：ii 竖圣! ! 兰三! ：l，l 匕翌兰銎 9 8 01 9 2 , 3 0 0 0 8 01 0 02 u u 0 f 图1 - 1 超短激光脉冲的进展 1 9 9 1 年d e s p e n c e 等人发现了钛宝石激光器中的自锁模现象，并用8 w 左右 的氩离子激光器全线泵浦，在腔内用s f l 4 棱镜对补偿色散，首次获得了6 0 f s 的超 短脉冲输出口j 。随后美国m i t 的h a u s e 提出的克尔透镜锁模( k e r rl e n sm o d e - - l o c k i n g ，k l m ) 理论揭示了钛宝石激光器的锁模机理【4 】。飞秒钛宝石激光器中由 于非线性克尔效应的作用使光束在钛宝石中产生自聚焦现象，与腔内的光阑结合 构成了一个等价于快饱和吸收体的自振幅调制器，同时在腔内引入负色散器件来 补偿腔内其他器件带来的色散，从而实现多纵模的位相锁定，获得超短脉冲。对 钛宝石激光器锁模机理研究的不断深入表明假设二阶色散与激光频率无关的情况 下，脉冲宽度与二阶色散成正比，然而当脉冲宽度小于3 0 r s 后，高阶色散的影响 变得重要起来，控制高阶色散成为获得更窄脉冲的关键，随着多种色散补偿方法 和辅助锁模装置被用于钛宝石飞秒锁模激光器中，飞秒脉冲宽度极限不断被打破。 1 9 9 3 年m t a s a k i 等人在掺钛蓝宝石激光器中采用的石英棱镜对进行色散补偿， 获得了1 0 9 f s 的激光脉冲1 5 j 。1 9 9 4 年j r z h o u 等人采用2 m m 的钛宝石晶体和双石 英棱镜对获得了8 5 f s 的激光脉冲】。1 9 9 5 年a s t i n g l 等人利用啁啾介质反射镜作 为钛宝石激光器的腔镜来补偿色散，获得了8 f s 的脉冲输出 7 1 。1 9 9 7 年i d j u n g 等 同时使用啁啾镜和棱镜对补偿色散，得到了6 5 f s 的脉冲输出【。同年，瑞士联邦 工业大学的u k e l l e r 等人将s e s a m 应用于钛宝石激光器中来启动k l m 锁模，并 第一章引言 用双啁啾镜补偿色散得到了小于6 5 f s 的自启动飞秒锁模脉冲输出唧。 此外将飞秒脉冲种子光通过中空光纤或者多孔光纤进行光谱展宽后再用光栅 对或者s l m 等装置对光谱位相的畸变进行纠正可以获得更短的脉冲宽度，张志刚 等在日本将飞秒脉冲通过充满氩气的中空光纤产生超连续光谱，然后用s l m 对光 谱位相进行校正，得到了3 4 f s 的脉冲输出【l0 1 ，这是迄今为止得到的最短的脉冲输 出。 一些物理、化学实验需要脉冲具有极高的峰值功率，飞秒激光振荡级的输出 功率通常只有几亳瓦到几百毫瓦，重复频率1 0 0 m h z 左右，每脉冲能量大约只有 几十个p j 到几个n j ，峰值功率远远不能满足这些实验的需求，这就需要对振荡级 输出的脉冲进行放大。但是由于飞秒脉冲宽度极窄，直接对振荡级输出的脉冲进 行放大会损伤光学器件，并产生增益饱和效应而降低激光脉冲的放大效率。1 9 8 5 年m i c h i g a n 大学的g m o u r o u 等提出了啁啾脉冲放大( c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ， c p a ) 技术l l ”，即将振荡级输出的超短脉冲通过展宽器展宽后由放大器放大，经 过脉冲选择后的种子脉冲在放大增益介质中充分抽取能量，将放大后的脉冲通过 压缩器压缩到较窄的脉冲宽度，这样使整个放大系统的效率得到了很大的提高， 而且不会造成光学元器件的损伤。通过啁啾脉冲放大后脉冲的峰值功率得到了极 大的提高，近几年，已经有多家1 0 0 t w ( 1 t w = 1 0 1 2 w ) 量级的高功率激光放大 器投入运行【1 2 1 1 3 【1 4 。c p a 放大后的脉冲重复频率为了适应一定实验的需求一般会 降至几h z 到几k h z ，脉冲宽度通常会比振荡级的脉冲要宽。 1 2 超短脉冲的测量 得到了超短激光脉冲，相应的脉冲测量手段就显得尤为重要。无论是在时域 还是在空域，对于任意快的时间变化过程或者是任意小的空间尺度的测量，部需 要更快更短的时空尺度来衡量。而现有的最快的光电探测器和宽带示波器的响应 时间只能达到几十个皮秒的量级，因此对于超短激光脉冲来说，仅利用光电二极 管结合示波器进行测量就显得无能为力，唯一的办法只能利用超短脉冲激光本身。 长期以来，为了准确研究超短脉冲，人们已经形成了二阶自相关法、频率分辨光 学开关法( f r o g ) 、自参考光谱位相相干电场重建法( s p i d e r ) 等测量方法。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 课题来源及所做的主要工作 本课题来源于某军用大型工程的前端系统，需要对其脉冲进行脉宽测量，主 要技术指标如下： 工作波长：1 0 5 3 r a n 输入脉冲宽度：o 1 p s l o p s 步进精度：0 0 1 p s 工作温度：1 0 。c 一3 0 。c 输入光峰值功率： 1 0 r o w 重复频率：1 0 m h z 一5 0 m h z 步进范围：2 0 4 8 步 储存温度：0 。c - 4 0 。c 本论文所做的主要工作内容包括： ( 1 ) 系统地介绍了超短脉冲常用的几种测量技术，包括二阶自相关法、频率分辨 光学开关法( f r o g ) 、自参考光谱位相相干电场重建法( s p i d e p d ，并对这些 测量技术进行了对比分析； ( 2 ) 系统地阐述了双光子自相关皮秒脉冲检测系统的基本原理，并对系统方案进 行了详细的分析和设计，包括光路部分和电路部分，主要涉及到光纤的选型 考虑即非线性效应和色散展宽的分析，光无源器件的应用，光电转换电路， 放大电路以及单片机控制与通信等多方面的内容； ( 3 ) 对实验结果进行了深入的讨论，对实验误差进行了详尽的分析，并提出了进 一步的改进方案。 第二章超短脉冲常用测量技术 第二章超短脉冲常用测量技术 常用的脉冲测量技术包括二阶自相关法、频率分辨光学开关法( f r o g ) 、自参 考光谱位相相干电场重建法( s p i d e r ) ，下面分别予以介绍。 2 1 二阶自相关法 二阶自相关法的实质是将时间的测量转化为空间的测量，该方法主要是以迈 克耳逊干涉仪为基本框架结构 3 7 】 3 8 11 3 9 ，如图2 1 所示。把入射光分为两束，让其 中一束光通过一个延迟线，再把这两束幅度上同等大小、时间上延迟的光合并后 经过透镜聚焦，一同入射n - - 倍频非线性晶体上。只有当两脉冲在时间上重叠时， 才会在晶体内传输二次谐波信号。二次谐波信号的大小随延迟时间的变化而变化。 该二次谐波信号随脉冲延迟变化，对应于脉冲的二阶自相关函数。通过测量时延 函数的二次谐波功率，就会产生自相关曲线，其宽度与初始脉冲宽度有关【l “。测 得二阶自相关曲线的半值全宽度a r 后，激光脉冲的宽度出根据下式得出 a t = a r k ( 2 1 ) 其中，k 与激光器输出的光脉冲时间轮廓的形状有关。对于高斯型，k = 2 ：而对 于双曲正割型，k = 2 4 7 0 。若事先知道或能间接地推知出脉冲形状，自相关曲线 就能精确测量脉冲宽度。 m p u t e l u 吒。 1 p r o b e l r 树 l i ，n沙 图2 - 1 二阶自相关原理图 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 二阶自相关的基本原理 设两束光的场强分别为e ，( ) = 爿。( f k m 和：( f ) = 4 ：( f k 一“，在同方向共线传 播情况下，在一束光中加入一个匀速的可变延迟r ，这两束光的相干叠加后的场强： ，、( ，) _ e 陋，( f r ) + 玛( f ) 晶o r ) + 岛( f ) + d t ( 2 - 2 ) 让这个场强通过一块倍频晶体，得到的二阶非线性信号的强度为： 也圹毒安m ) s i ( 半 = r ( w ，三弦( 2 ( r )( 2 - 3 ) 其中r ( w ，三) 为与倍频晶体厚度和光频率有关的调制因子，sc 2 ( r ) 为倍频自相 关信号。 4 0 ) = e k 0 一r ) + 啦肋 丑0 ) = 4 n o 一砒：o c - ) = 2 皿，o r ) + l 0 ) 已o ) e ? 0 d ( ) = f e ；0 ) 耳2 0 一r ) 出+ c c ( 2 - 9 ) r 2 一l o ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 爿0 ) 为相关信号中的直流背景项，产生的倍频信号是单柬光自己的倍频信号。 第二章超短脉冲常用测量技术 b ( r ) 为强度相关项，是两束光强度干涉的结果。c ( f ) 和d ( f ) 为交流振荡项，振荡 频率分别为w 和2 w ，是两束光电场位相相干的结果。 通常自相关装置将两束光分成强度相等的两份，即4 。o ) = a 2 0 ) 。所获得的相 关信号s ( 2 ) p ) 当f = 0 时有极大值： ( o ) = 1 6 ；：a 4 ( t ) d t ( 2 - 1 3 ) 当f = o o 时脉冲间隔超出了相关时间，此时信号中只有各束光自己的倍频信 号： s 2 扣) = 2e 一? ( f 如( 2 - 1 4 ) 由上可知，相关信号的极大值与背景的比值为8 ：1 ，故干涉相关法测量的脉冲 相关曲线也叫8 ：1 曲线。 当探测器的响应时间较慢，此时探测器无法响应相关函数中的位相相干项， 相关信号仅剩下一( r ) 和b ( r ) 两项与强度相关的项。获得的相关曲线为强度相关曲 线。在强度相关曲线中极大值与背景的比值为3 ：1 ，故强度相关曲线也称为3 ：1 相 关曲线。 采取非共线倍频来获取相关信号时，所获得的相关函数中仅剩下两束光的强 度干涉项b ( f ) ，当f = o 。时获得的相关信号为0 ，这种方法被称为无背景强度自相 关法【4 0 】【4 ”。 由傅立叶变换可知，脉冲时域半高宽和频域半高宽的乘积( 时间带宽积) 必须大 于等于一个常数k ，即： t 。- a v k( 2 1 5 ) k 依脉冲波形而异，但总是1 左右的常数。 2 1 2 自相关仪 根据二阶自相关测量方法的原理，国内外许多厂商制成了自相关仪，专用于 测量超短脉冲的脉宽。自相关仪测量系统包括光学系统和用于控制和显示的计算 机系统。德国a p e 公司是世界上最大的超快附件生产商，它生产的自相关仪是世界 上最有竞争力的产品，以它为例，它生产的自相关仪分为四种系列，分别是m i c r o 、 m i n i 、p u l s ec h e c k 和p u l s es c o p e 。下面分别予以简要介绍。 ( 1 ) m i c r o 是体积最小、价格最便宜的一类，适于测量高重复率飞秒脉冲，如钛 电子科技大学硕士学位论文 宝石或其它飞秒振荡器。 ( 2 ) m i n i 是标准自相关仪，最常用的飞秒c p a 和o p a 的脉冲宽度测量装置。测 量可从小于2 0 f s 至l j 3 5 p s ，波长4 2 0 n m 至0 1 6 0 0 n m 可选。 ( 3 ) p u l s ec h e c k 是适用性最广的自相关仪，它波长选择最广，可覆盖2 6 0 n m 至0 2 0 0 0 r i m 的范围，而且能测任意低的重复频率，能测从小于2 0 飞秒到大于 6 0 p s 的任意超短脉冲宽度。另) b a e e 还推出超快光通讯的专用自相关仪 p u l s ec h e c kt c ，灵敏度可达1 0 。7 w 2 。 ( 4 ) p u l s es c o p e 是p u l s ec h e c k 和一个光谱仪的集成，在监测脉冲宽度的同时， 又能监测光谱。 以p u l s ec h e c k 为例，其内部结构如图2 2 所示。 图2 2p u l s ec h e c k 自相关仪内部结构图 2 2 频率分辨光学开关法( f r o g ) 频率分辨光学开关法( f r e q u e n c y r e s o l v e do p t i c a lg a t i n g ) 最早是由d a n i e l j k a n e 和r j c kt r e b i n o 提出的【“ ，它能给出如光谱带宽、脉冲宽度、相位等比较详细的脉 冲信息。f r o g 包括实验和算法两部分。实验测量系统建立在传统自相关仪的基础 上，用光谱仪和c c d 取代光电探测器，其结构如图2 3 所示7 。将入射光脉冲分为 两束，一束作为探测光，一束作为光开关，并且让作为开关的光束引入一个时间 延迟f ，然后再让两束光通过非线性介质产生相瓦作用，经光谱仪进行光谱展开后， 第二章超短脉冲常用测量技术 用c c d 进行测量，得到相互作用后的光强信息，将其记录为强度随频率和时间延 迟变化的空间图形，称f r o g 迹线。利用脉冲迭代算法能够得到入射光脉冲比较 详细的信息【1 8 】 。 i n p u te ( t ) ， b s p r o b e 2 2 1 脉冲迭代算法 b s ：b e a ms p l i t t e r d l ：d e l a y1 i n e 图2 3f r o g 实验装置图 s p e c t r o m e t e r a n dc c d 在频率分辨光学开关法中，脉冲迭代算法的目的就是找到入射光脉冲的电场 e ( t ) ，以得到脉冲的详细信息。在实验中，将入射光分为探测光e ( t ) 和光开关 g ( t r ) ，探测光与光开关相互干涉产生信号光e 。( f ，f ) ，有 e 。0 ，f ) = k e ( t ) g ( t f ) ( 2 1 6 ) 做傅立叶变换后，有 1 2 i f r o g ( w , r ) 2l i _ + 2 e s i g ( “) e x p ( 一i w ) a t i ( 2 - 1 7 ) 此即为实际探测到的信号光强度分布，可以看出这是一个与时间和频率有关 的二维函数，对此结果的迭代运算即可同时得出脉冲的宽度和光谱信息。 上面的方程给了我们两个约束条件：( 2 - 1 6 ) 式和( 2 1 7 ) 式。在相位迭代算法 中，如果已知开关函数g ( 卜f ) ，我们可以先假定一一个脉冲电场e ( t ) ，利用约束条 件( 2 1 6 ) 式得到信号场，将信号场代入约束条件( 2 一1 7 ) 式，可以算出强度分布 ，。( w ，f ) ，然后再与实验测量到的强度分布l ( w ，f ) 比较。修改由计算得到的强度 分布，一( w ，f ) 。修改有多种方法，比如，可以用l i ( w ，f ) 一，。( w ，f ) 1 2 代替 。( w ，f ) ：再将修改后得到的信号值做反傅立叶变换，得到一个新的脉冲电场 电子科技大学硕士学位论文 e ( t ) ，完成一次迭代( 傅立叶变换得到的实部为强度值，虚部为相位值) ；然后再将 新得到的电场代入约束条件( 2 一1 6 ) 式中，重复上述步骤，直到计算出的强度分布 与测量得到的强度分布之间的均方根误差小到能使人接受的程度( 如1 0 _ 4 ) 。如此经 过多次迭代，最终能得到一个非常接近实际脉冲形状的电场2 0 1 2 1 1 2 2 1 。整个迭代算 法流程如图2 4 所示。 2 2 2 光开关函数 图24 迭代算法的流程图 由上面的分析可以看出，光开关函数g ( t f ) 起着非常重要的作用，对于不同 的设计方案，光开关函数有不同的形式，下面简单介绍几种设计方案。 ( 1 ) 偏振光开关法 偏振光开关法是将探测光通过正交偏振片，同时让开关光通过一个波片，将 其偏振方向改变4 5 0 ，然后开关光与探测光在非线性光学介质中交叠。由于光学克 尔效应，开关光会在介质中引起双折射，当开关光与探测光在时间上重合时，这 种效应会使得探测光的偏振方向发生改变，这样就会有一部分光通过正交的偏振 片，此即为信号。其实验装置如i 璺j 25 ( a ) 所示。 待测光入射到半透半反镜t ，分为两柬，其中一束光通过延迟线，作为开关 光，另一束光作为探测光；在开关光的光路上置一波片，将其旋转4 5 0 ，在探测光 的光路 ：置一对正交的偏振片，然后将两束光晕叠在非线性介质上；当它们在时 r h j 致时，由于非线性效应使得探测光的偏振方向发生了改变，在它通过正交 第二章超短脉冲常用测量技术 偏振片时，就会有少量的光透出，当它们在时间上不一致时，就没有光通过。用 光谱仪, i c c d 探测透过的光，即可得到光强分布信息，再用迭代程序就能得到关 于脉冲的比较详细的信息。在这种方案中，开关函数为 g ( t ，力= 旧( f r ) f ( 2 1 8 ) 光开关函数是一个实函数，没有附加的相位信息，它能给出比较真实的脉冲 信息。 c c d 偏振片 谱仪 鞘光谱仪们，笔言兰j 讯c c d 光阑 光谱仪 吲2 5 几种不】司的实验方法 ( 2 ) 自衍射光开关法 2 3 j 自衍射光开关法是利用两束偏振方向相同的光，让它们在非线性介质中重叠 发生相互作用，产生一个正弦分布的光强，使得介质成为一个光栅，将两束光衍 射。其实验装置与偏振光开关法基本相同。 在实验中没有用波片和偏振片，仅将待测光用5 0 的分束镜分成两束，让其中 一束通过延迟，作为开关光，另一束作为探测光，然后让它们重叠到非线性介质 中，发生相互作用，使介质成为一个光栅，将自身衍射。当两束光在时间上一致 电子科技大学硕士学位论文 时，就有衍射光出现；当两束光在时间上不一致时，就没有衍射光出现。用光谱 仪和c c d 探测衍射光，再经过迭代程序就玎得到关于脉冲的信息。其开关函数为 g ( t - r ) ：e ( t ) e + p r ) ( 2 - 1 9 ) 与偏振光开关法比较而言，自衍射法中不需要偏振片，冈此可用于深紫外区 或者脉宽非常短的脉冲。但是实验中用的非线性介质要很薄，而且两束光之间的 夹角也不能太大，否则会由于两束光之间的相位失配过大而得不到信号。 ( 3 ) 瞬态光栅法口4 l 瞬态光栅法是将入射光分为三束，其中两束光在光学克尔介质上重叠，形成 衍射光栅，如同自衍射法，第三束光经过可变的时间延迟，与前两束光重叠在介 质上，被瞬态光栅所衍射。其实验装置如图25 ( c ) 所示。 在实验中，将待测光等分为三束，让其中两束光先聚焦在光学克尔介质上， 并让它们在时间和空间上重叠，这两束光相互作用形成正弦的光强分布，使介质 成为一个瞬态光栅，这个过程类似于自衍射法。让另外一束光通过介质，当它与 前两束光在时间上一致时，就会被瞬态光栅所衍射，有衍射光出现；当它与前两 束光在时间上不一致时，就不会有衍射光出现。此衍射光即为信号，用光谱仪和 c c d 探测，再经过脉冲迭代程序就可以得到有关脉冲的信息。其开关函数为 g ( t ，f ) = e 2 ( t ) e + 0 一f ) ( 2 2 0 ) 在瞬态光栅法中，不需要偏振片，可以用于脉宽非常短的脉冲，也可以用于 紫外区；而且它不会因非线性介质太厚或者光束之间的夹角过大而引起相位失配。 但是，瞬态光栅法要求三束光在时间和空间上重合，这在调节的过程中是非常困 难的。 ( 4 ) 二次谐波法 2 3 1 2 5 1 在前面几种方法中用的都是三阶非线性效应。另外，还可以利用二阶非线性 效应，其实验装置如图25 ( d ) 所示。 在实验中，将待测光用分束镜等分为两束，让其中一束通过延迟线，与另外 一束同时聚焦到倍频晶体上。当两束光在时间t 不重合时，只能看到两束光各自 的倍频光：当两束光在时问和空间上完全重合时，除了两束光各自的倍频光外， 还有它们相瓦作用而产牛的倍频光，这束倍频光即为信号。用光谱仪和c c d 探测， 经过迭代程序，即可得到关于脉冲的信息。其光开天函数为 g ( t ，r ) = e ( t f ) ( 2 2 1 ) 第二章超短脉冲常用测量技术 二次谐波法调节起来简单，并且具有很高的灵敏度，因而被广泛地采用。但 是，它对e ( o 和e ( 一0 脉冲产生同样的光强分布，也不能够区分脉冲是正啁啾还是负 啁啾。 同时，我们也可以看到：二次谐波法、自衍射光开关法以及前面所介绍的二 阶相关法，它们的实验装置基本相同，但是它们潜在的物理内容是不一样的。二 阶相关法是对一系列脉冲进行扫描来测量脉宽，自衍射光开关法和二次谐波法都 是对单次脉冲进行测量。自衍射光开关法中是将两束光相互作用后的光强分布作 为一种开关，二次谐波法中只是将其中的一束光作为开关信号，从上面的分析中 也可以看到它们的光开关函数是不同的。 ( 5 ) 三次谐波法1 9 】f 2 6 】 还可以利用能产生三次谐波的非线性光学过程来进行脉冲测量，其实验装置 类似于二次谐波法。 将待测光分为两束，在其中一束中加入延迟，然后将两束光聚焦在具有三阶 非线性效应的介质上。当两束光在时间上重合时，就会有三次谐波的产生；当两 束光在时间上不重合时，就不会有三次谐波的产生。此三次谐波就是信号。相应 的光开关函数为 g ( t ，r ) = e ( t ) e ( t f ) ( 2 - 2 2 ) 同其它利用三阶非线性效应的方法一样，三次谐波法也能克服二次谐波法中 在时间上的双值性。它的灵敏度虽然比二次谐波法要弱，但要比其他的三阶非线 性效应( 如自衍射法、瞬态光栅法) 要强，可用于能量较低的脉冲。 2 3 自参考光谱位相相干电场重建法( s pid e r ) 虽然用f r o g 方法测量超短脉冲已经成为一种标准方法，但它的缺陷是计算时 间长，需要多次迭代才能得到与测得的图形相近的解。于是人们又发明了一种新 的方法，这就是自参考光谱相位相干电场重建法【2 7 】吲( s e l f _ _ r e f e r e n c i n gs p e c t r a l p h a s ei m e r f e r o m e t r yf o rd i r e c te l e c t r i cr e c o n s t r u c t i o n ，s p i d e r ) ，它的最大优点是计 算速度快，不需要迭代计算，只要一般的傅立叶变换，而且它的灵敏度很高。 s p i d e r 的基本原理是把待测光脉冲的位相分布通过光谱位相干涉的形式表 现为空间干涉条纹的强度，然后通过对干涉图的计算来得到脉冲的位相分布 2 9 1 。 具体方法为：将待测光脉冲分为两束，其中一束经过展宽器展宽后，成为强 电子科技大学硕士学位论文 啁啾脉冲，另外一束通过另一个分束镜，然后形成两个共线的，但却存在一定时 延f 的光脉冲。将展宽脉冲和两个有时延r 的脉冲聚焦到和频晶体里，并让它们在 晶体里重合为一个点，那么在满足位相匹配的条件下，能产生两个超短脉冲与展 宽脉冲的不同频率薄片作用后的和频信号。这两个信号完全相同，但在中一t 3 频率 上产生了一定的移动，光谱仪所记录下的它们的干涉结果 ：鼬。一n)e(说)卜卜一l。丸删一九rwod(wa 2 e ( w o n ) e ( w o ) c o s ( w o ( w a ( 2 2 3 ) = l e ( w 。一n ) l + i e ( ) l + 一 l 。 丸一2 ) 一九 怕6 叫 其中，r 为两共线待测脉冲的时间延迟，q 为由于延迟f 而产生的光谱剪切。 图2 6 为s p i d e r 的原理图。式( 2 2 3 ) 中包含了待测光脉冲的位相信息，经过相对 应的数据处理就可以得到所需要的光谱相对位相分布。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 图2 - 6s p i d e r 原理刚 实验装置光路如图2 7 所示3 0 ，穿过标准具的超短光脉冲分束经过展宽器展宽 后成为啁啾脉冲；另一束经过标准具前后表面反射后，成为具有一定时延的，并 且共线的两个脉冲。经过一系列全反镜后，它们以平行的方向入射到聚焦镜f m 上。 和频晶体s f g 位于f m 的焦点处，于是两束光脉冲在非线性晶体里聚焦为一个点。 在晶体里，两个共线待测光脉冲与展宽脉冲的不同准单色频率薄段发生和频效应， 用光谱仪来接收这两个和频信号的干涉结果。 第二章超短脉冲常用测量技术 2 4 几种方法的比较 s p e c ：光谱仪；a p ：光栅：f m ：聚焦镜： g r - 6 r z ：光栅；e t ：标准具 图2 7s p i d e r 实验装置光路图 综观以上几种超短脉冲测量技术，利用二倍频非线性自相关进行超短脉冲测 量的技术，实验装置较为简单，但不适合低功率脉冲测量。利用f r o g 方法通过 f r o g 图形可以直接定性地分析脉冲所含啁啾的性质，能够直接获得脉冲的宽度信 息。不足之处是：若要获得准确定量的脉冲啁啾信息，f r o g 需要采用迭代算法， 因此耗时较长，不利于实时监测【4 2 1 。s p i d e r 的优点是对脉冲的峰值功率要求不高， 可以直接测量从激光振荡级输出的光脉冲，更重要的是，其重构脉冲位相的反演 算法很简单，运算时间短，适用于实时监测脉冲的位相，这是最获青睐之处。不足之 处是：s p i d e r 不能够直接获得脉冲的宽度信息。但是，通过测量脉冲的光谱，并 与其位相乘积，再进行傅立叶变换，即可重构出脉冲形状及宽度。另外，三种方法 均需要用到非线性晶体，需要进行位相匹配，实现起来较为困难。 为了克服这些困难，近年来，人们提出了基于双光子响应的测量方法口训p ， 该方法采用具有双光子响应的探测器取代非线性晶体，仍然运用二阶自相关的思 路，但省却了繁琐的位相匹配过程。但是，前人均采用空间光路实现内部光延迟， 因而仪器较为庞大、繁杂，不便于携带和使用。为了解决这些问题，本文在传统 自相关仪的基础上，设计了双光子自相关超短脉冲测量系统。采用双光子探测器， 并首次引入光纤进行光路延迟，使得仪器更加紧凑，使用更加便捷。在后面的章 节里，我们将详细阐述双光子自相关皮秒脉冲检测系统的基本原理，以及系统方 案的分析和设计。 电子科技大学硕士学位论文 第三章双光子自相关测量系统的原理 本工作设计的双光子自相关测量系统利用双光子光电探测器的双光子响应配 合可调延时器进行被测脉冲的自相关，通过检测自相关信号输出与延时时问的关 系获得被测脉冲的脉宽信息。双光子倍频为非参量过程，不需要进行位相匹配9 1 1 【3 甜。其原理框图如图3 - 1 所示。 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 i 图3 - 1 双光子自相关系统原理框图 光源发出的光信号经l ：2 的光分路器分路后，a 路直接送进1 ：1 的光合路器， b 路经v o d 调节延时，v o a 调节衰减幅度，使得a 、b 两路光信号幅度相等，延 时重合，经合路器后，送进双光了探测器p d 。探测器单光子响应波长约为4 0 0 n m 7 0 0 r i m ，凶此该探测器对1 0 5 3 n m 的光信号不产生单光子响应，但它能同时吸收两 个光子产生双光子效应从而产生电流信号，该电流信号与自相关信号的强度成正 第三章双光子自相关测量系统的原理 比，将该电流信号送进微偏流低噪声跨阻放大器进行电流电压转换并放大，直至 合适的电压幅度，单片机控制v o d 的延迟时间，该延迟时间与探测器响应的电流 信号存在对应关系。电压信号经过a f d 转换器变成数字信号后，送进单片机处理， 经过单片机处理后的信号结果( 即脉冲宽度) 输入计算机显示出来。 总的来说，本系统综合了光路和电路两个部分的应用和