自相关器

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自相关器

定义:测量光的强度或者电场自相关函数的装置,通常可测量超短脉冲的长度。

光学自相干器具有很多用涂,尤其是测量皮秒或飞秒长度的超短脉冲的长度,这种情况下采用电子装置会太慢(例如,光电二极管)。

自相关器测量脉冲长度的基本原理在后面会有描述。分束器使入射光束变成相同的两束。这两束光进入非线性介质并叠加一起,如果在时间上有重叠会发生非线性相互作用。


目录

强度自相关器

图1:自相关器装置图。BS=分束器

如图1所示的强度自相关器中,分束器将入射脉冲分成两个脉冲,然后聚焦进入具有二阶非线性的晶体中。臂长差值以及两束脉冲之间的时间间隔可以采用可变延迟线来调节。(可以采用不同的延迟线,例如,采用旋转玻璃块或者安置在扩音器上的反射镜。)如果臂长差很小,两脉冲在非线性晶体中会相遇,发生和频产生过程,得到更短波长的输出光。如果相对时间延迟增大,晶体中两脉冲的交叠减小,非线性变弱。

在测量脉冲长度时,混合积的功率记录为臂长差值的函数(可采用计算机控制,用电动平移台移动延迟线或者用扩音器移动角形反射器)。自相关信号与时间延迟之间的关系为:

Zxgq002.png

图2显示的为 sech2形状脉冲的自相关信号。水平轴是根据臂长差计算得到的时间延迟。

Zxgq003.png

图2:长度为150fs的 sech2形状脉冲的强度自相关函数图像。将延迟线移动15μm,对应的时间延迟为100fs。

对于sech2形状的脉冲,其脉冲长度约等于自相关信号宽度的0.65倍,但是转化因子与脉冲形状有关。根据脉冲形状可以给出粗略的估计。将记录的自相关信号与理论得到的曲线对比可以进行合理性检查,但是并不是非常严格。需要注意的是,自相关总是关于中心对称的,几十脉冲形状是非对称的。(但是,非对准的自相关器可以得到非对称的自相关形状。)

不采用快速的光电探测器也可以测量很短的脉冲长度:探测器只能测量平均功率(假设入射到自相关器的为普通的脉冲列),而不能得到脉冲的功率变化。对于非常短的脉冲(例如,<20 fs),存在很多困难:分束器具有有限的带宽,并且其衬底和其它光学元件会引入反常色散。另外,如果波束角很大,几何弥散效应会使测量的脉冲长度偏大,并且群速度失配会限制相位匹配带宽。在这时采用非常薄的非线性晶体,有时其厚度小于10 μm。

强度自相关测量的共线装置可以利用晶体的第二类相位匹配。这时两个相同的脉冲具有不同的偏振方向,而不是具有不同的传播方向。这样就可以避免几何弥散效应。

强度自相关通常是无背景噪声的,因为当时间延迟很大时信号会消失。这与下面要描述的干涉型自相关器是不同的。

大多数情况下,需要测量不同脉冲在不同时间延迟的情况来得到自相关轨迹。但是,也可以采用单个脉冲测量得到整个自相关轨迹,前提是脉冲需要具有足够高的脉冲能量。在单脉冲自相关器中,脉冲聚焦到非线性晶体中是利用的椭球棱镜,转化得到的信号由摄像机收集记录。晶体不同位置对应了不同的时间延迟。


干涉型自相关器

图3:干涉型自相关器的装置图。BS=分束器

干涉型自相关器(图3)的装置中包含了一个迈克尔逊干涉仪,其臂长差是可调的。两个叠加的脉冲在非线性晶体中共线传播(经过透镜或者曲面激光反射镜的聚焦后),并且偏振方向相同。

通过记录倍频信号的平均功率可以得到干涉型自相关函数:

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这种自相关轨迹在半个波长范围内快速振荡。当经过分束器得到的两个脉冲经历理想的相消干涉后可以得到峰值信号(如图4),是单个脉冲情况下幅值的两倍,强度是该情况下的四倍,经过倍频过程后是强度的16倍。当臂长差较大时,脉冲不会再非线性晶体中交叠,这时的强度仅仅是单脉冲情况的两倍。因此只要干涉仪经过合适的对准,得到的峰值信号总是背景信号的8倍。

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图4:长度为15 fs的sech2形状啁啾脉冲的干涉型自相关曲线。

干涉型自相干效应对啁啾非常敏感,原理上可以从脉冲中获取更多的信息。但是,如果采用自相干信号的宽度得到的啁啾脉冲的长度偏小(如图5)。一种改进的方法为干涉自相关修正光谱方法(MOSAIC)[12]也是基于干涉自相关效应,采用后续的数值过程从而能够更容易分析啁啾。


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图5:长度为15 fs的sech2形状啁啾脉冲的干涉型自相关曲线。尽管脉冲长度与图4中的相同,这里的信号具有更小的宽度。

对于较长的脉冲,干涉型自相关轨迹中的振荡可以通过平均消除掉。这时,峰值信号是背景信号的3倍(不是4倍,由于振荡是非正弦的)。

干涉型自相关器由于具有更加简单的装置比强度自相关器更加适用于测量很小的脉冲长度(几飞秒)。尤其是,可以避免我们以上提到的几何效应。但是,在小于10 fs时,其它的脉冲表征方法(例如,FROG或者SPIDER)更加精确。


非线性晶体选择

选取合适的非线性晶体和晶体厚度需要考虑很多因素,尤其是在飞秒情况下需要考虑群速度失配。薄的KDP晶体非常适合脉冲长度短至几个飞秒时。碘酸锂(LiIO3)也很常见,主要是因为它具有很宽的相位匹配带宽


基于双光子吸收的自相关器

采用很大带隙的光电二极管可以制作非常小的、简单的自相关器,其中光电二极管中只有双光子吸收对光电流有贡献,由于光子能量小而不存在线性响应。这种双光子探测器有时可以实现很宽的光学测量带宽


参考文献

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参阅:脉冲超短脉冲脉冲长度脉冲特性