自相关法测量超短激光脉冲

【大恒学院】自相关法测量超短激光脉冲

一、激光脉宽的测量方法

脉冲激光器的光输出形式是脉冲形的，即每间隔一定时间输出一道激光，这个持续时间就是激光器的脉宽。在对超短脉冲激光的特性研究中，人们探究了许多脉宽测量方法，简单说可以分为直接测量和间接测量两类。

可用于直接测量皮秒级脉冲宽度的方法和设备主要有两种，一种是高速示波器+高速光电探测器组合，可以直接在示波器上观察出激光脉冲信号的时间域参数信息，当然它的分辨率要高于激光脉冲的分辨率，当前该方法可以对100ps以上的激光脉冲宽度进行测量。详细方法可以参考大恒光学院：光电探测器DH-GDT。

光电探测器

另一种可以直接观测皮秒激光脉冲的设备是高速条纹相机，可以测到100ps以下的激光脉冲宽度。但上述两种直接测量的方法和设备，受极限分辨率所限，也只能测到百皮秒上下，更短的飞秒脉冲宽度就无法企及了，而且这个级别的设备自身成本高昂，也根本无法普及使用。

目前较为有效的间接测量方法主要是自相关法，形象一点的比喻就是用超短激光脉冲“自己去度量自己”。该方法是通过一个经改进的迈克尔逊干涉光路（见下图），待测激光被一分为二后，将其中一束引入延迟，再将两束激光合并，用经过延迟的这束激光对未经延迟的那束激光进行扫描。合并后的激光束借助倍频晶体产生二阶非线性效应。均匀改变相对延迟量，即可得到强度变化的二阶相关信号以及脉冲自相关结果。

通俗一点讲就是利用光速，将极短的无法测到的脉冲时间量转化成不那么短并且可以测到的空间延迟距离量，这样就可以测量到皮秒激光脉冲宽度，甚至是更短的飞秒激光脉冲宽度了。因此自相关法是当前主流的皮秒、飞秒激光脉宽的测量方法，自相关仪就是利用自相关法测量超短脉冲激光脉宽的测量仪器。

自相关法光路示意图

自相关函数波形

自相关过程

二、自相关仪的分类与选择

根据工作方式的不同，脉冲自相关技术可分为强度自相关和干涉自相关，强度自相关又可分为有背景（共线）和无背景（非共线）测量。由于强度自相关法基于入射光的强度表达式推导出的自相关信号平均强度信息，因此往往采用步进电机位移台推动光学延迟线逐点获取自相关信号。

干涉自相关法基于入射光的波动（电场）表达式推导出包含相位信息的自相关信号，因此往往采用扫描速度更快的音圈或压电扫描台来推动光学延迟线。根据上述区分，也会把强度自相关仪称为“慢扫自相关仪”，干涉自相关仪称为“快扫自相关仪”。

自相关仪结构示意图

强度自相关仪Scorpio-ps

无论何种自相关仪，基础的光路构架都是“迈克尔逊干涉”光路，内部器件的位置及扫描运动全程的导光姿态，都在仪器生产过程中调校完毕，使用者只需要将待测激光束导入自相关仪的入光口，且从指定的限位口出射就可以。当然待测光束自身强弱不等，适当的衰减以及符合仪器要求的入射偏振方向是必须做到的。剩下的就可以交给仪器的软硬件系统，通过内部的扫描过程，得到测量结果。

测量结果

除了可以获得最直接的脉宽测量信息外，还有一种脉冲情况会被自相关仪“诊断”出来，那就是组合脉冲。如下图典型的激光“双脉冲”输出，在直接测量的高速探测器+高速示波器上是完全无法分辨出两个脉冲，而自相关仪就可以扫描“诊断”，并且可以得出双脉冲之间的时间间隔。

双脉冲测量结果

无论是强度自相关仪还是干涉自相关仪，只适用于测量高重复频率激光脉冲，如MHz或KHz，对于低重复频率，如10Hz甚至是单次超短激光脉冲就无法测量了。面对这种低重频测量需求，要使用单次自相关仪，也就是第三种自相关仪的类型。被分成两束的飞秒脉冲抵达倍频晶体的微小时间差通过两个脉冲在空间中叠加部分的“相关性”强弱体现出来，重塑出了时间尺度的脉冲宽度信息。

原理示意图

测量结果

S01-015飞秒单次自相关仪

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