資源描述：
《Frog超短脈沖測量系統(tǒng)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、超短脈沖測量系統(tǒng)?前言由于電子元件響應(yīng)速度只能達到納秒量級，因此對于納秒量級以下的測試是無能為力的。然而，隨著調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)的發(fā)展，以及業(yè)界對超短脈沖激光器的要求，超快激光的脈寬不斷壓縮，飛秒級別的激光器以及制作出來，而阿秒級別的激光器也在實驗室研究當中。如何測試飛秒級別的激光器，使用自相關(guān)技術(shù)是業(yè)界的標準。然而，脈寬測試只是超短脈沖激光一方面的特性，涉及到相位，啁啾，脈沖波形等物理量的研究，需要使用到20世紀90年代發(fā)展起來的頻率分辨光學開關(guān)方法（FROG）。本文就FROG的測試做一個研究與探討。1）?自相關(guān)技術(shù)自相
2、關(guān)技術(shù)源自上世紀80年代。一束脈沖激光可以表示成如下式：?由于脈沖寬度很短，我們只能通過激光本身去測試它自己。如何測試？自相關(guān)法是一個很直接的技術(shù)。如下圖所示，兩束完全一樣的光剛疊加時，就會從一開始有一點很低的強度，當它們完全重合時，強度將升至最大，然后接著將會慢慢下降至零。假設(shè)脈沖底部寬度為T，整個過程實際上相遇的時間為2T。如何測試這個時間，通過脈沖的移動。自相關(guān)技術(shù)的核心部件一個是延時機構(gòu)，另一個則是使兩束激光相乘的倍頻晶體。以下是其中一款自相關(guān)儀的光路圖，脈沖激光經(jīng)過分束器分成兩部分，一束通過固定光程光路，另一束通
3、過可變光程的延時光束，兩束激光會在倍頻晶體（紅色）出交會重合，通過測試產(chǎn)生的倍頻信號直接測出脈沖寬度。不同廠商的光路都相差不大，比較大差別就是延時機構(gòu)不同，其中，美國Femtochrome公司采用的旋轉(zhuǎn)平行鏡比較有特色，免去了步進電機在機電方面的不可靠性，從而實現(xiàn)更優(yōu)良的測試性能。下圖是實物光路圖，可見其光路簡單，調(diào)節(jié)方面只需要調(diào)整M3的方位，即可實現(xiàn)光束的移動，倍頻晶體通過調(diào)整螺旋測微器即可實現(xiàn)倍頻晶體傾斜角的調(diào)節(jié)。由于其調(diào)試方便，維護簡單，，其產(chǎn)品已被科研與產(chǎn)業(yè)界承認。上圖是自相關(guān)示波器的信號，其是一束高斯脈沖經(jīng)過自相
4、關(guān)儀后得到的信號，通過測試該信號的半高寬，乘以自相關(guān)因數(shù)和波形因子，即可得到脈沖信號的脈寬。但是，自相關(guān)儀得到的只是一個大概的脈寬數(shù)據(jù)，它只能大概估算簡單脈沖波形的形狀，而對于復(fù)雜的波形，自相關(guān)儀的測試可能就會出現(xiàn)偏差。如下圖兩個脈沖。兩束脈沖的形狀是不一樣的，但是，脈沖波形卻一致。自相關(guān)儀的局限性，迫使另一種超快激光測量技術(shù)的發(fā)展——FROG。2）FROG測試超快脈沖皮秒量級以下的超快脈沖都是通過鎖模技術(shù)實現(xiàn)的，對激光模式的鎖定，實際上就是對激光頻率與相位的鎖定，科研界與產(chǎn)業(yè)界對超快脈沖的研究除了脈寬，還有頻率與相位。這
5、兩者是進十幾年的研究趨勢。鎖模激光器的產(chǎn)生：A）?一個激光頻率產(chǎn)生的光波：E(t)=I(t)*sin(t)圖像：??鎖模后，多個頻率產(chǎn)生的光波：E(t)=I(t)*[sin(t+0.2)+sin(2t+0.1)?+sin(3t+0.5)+sin(4t+0.5)+sin(5t+0.8)+sin(6t+0.7)+sin(7t+0.4)+sin(8t+0.1)+sin(9t+0.5)+sin(10t+0.6)+sin(11t+0.9)]圖像：?通過鎖模技術(shù)后，產(chǎn)生了巨型脈沖。（by廣州固潤光電科技有限公司）FROG技術(shù)，就是為了
6、解決相位分布而產(chǎn)生的。FROG光路與自相關(guān)儀差不多，但是FROG的核心是頻率分辨，即需要測試光的頻率，所以FROG的接收端由自相關(guān)儀的光電傳感器改為光譜儀，除此以外，光路圖是一樣的。下圖是MesaPhotonics公司的FROGscanUltra?產(chǎn)品光路圖，可以看到，延時機構(gòu)改為音圈電機，其他的都一樣。FROG除了使用光譜儀探測倍頻信號，它還使用數(shù)學方法，把脈沖激光的相位與波形還原出來，也即數(shù)學上的二維相位恢復(fù)算法。具體來說就是迭代，通過傅里葉變換，把脈沖波形變成頻率上的分布，并估算其相位，得出來的FROG蹤跡圖與測試圖
7、對比，通過不斷的迭代，最終使兩者差值最小，實現(xiàn)脈沖激光的相位測試。FROG方法涉及到一套核心算法（廣義投影算法），其發(fā)明人為DanielJ.Kane，其為MesaPhotonics公司創(chuàng)始人，這套算法影響了很多FROG職責廠商，包括SwampOptics公司的產(chǎn)品，也是兼容Mesaphotonics公司的軟件的。下圖是測試與還原FROG蹤跡對比：??????????????????????測試的FROG蹤跡圖??????????????????????????還原的FROG蹤跡圖上圖橫坐標是延時（fs），縱坐標是頻率（PH
8、z??1015）經(jīng)過算法的迭代，兩者之間的差距已低于3%，因此可以確認測出來的波形與相位分布了。下圖是還原出來的時域與頻域圖譜。(By廣州市固潤光電科技有限公司)?可見，經(jīng)過算法還原，脈沖在時域與頻域上的分布都能測出。因為算法恢復(fù)的唯一性，所以這個值是準確的[1][2][3]?？偨Y(jié)：由于引進光譜儀以及二
