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    【儀器使用技巧】自相關儀的工作原理和調節方法(1)

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    激光器脈沖寬度一般是指脈沖的半高全寬,顧名思義,就是脈沖高度為最大值的50%的全脈沖寬度(FWHM)。

    隨著1960年激光器的問世,脈沖激光器由于峰值功率高而獲得廣泛的應用,目前在化學反應動力學、非線性光學、激光加工、激光測距等科技領域都采用脈沖激光器作為光源。而隨著鎖模激光器的發展,脈沖激光器的輸出脈沖寬度已經由ns量級縮短為ps和fs量級。

    對于一般的ns脈沖激光器,可以用一個快速響應的光電二極管(如EOT系列,升降時間小于1ns)將光信號轉換成電信號,并將之在一臺帶寬很大的示波器(比如,帶寬大于350MHz)上顯示出來,這樣可以直接讀出該待測脈沖脈寬。但是,對于ps或fs如此之短的脈沖,已經超出光電二極管的響應時間,故只能用條紋相機,掃描自相關儀進行測量。當然,Frog和Spider也可以對超短脈沖的脈寬和相位進行測量,但兩者的光路和后期數據處理較自相關儀復雜,這里就不再贅述了。

    單次自相關儀是近十多年來發展的專門用于測量脈沖寬度的新型儀器,具有高分辮率、高靈敏度和使用方便等優點。目前已出現多種型號的自相關儀可用于探測超短光學脈沖的瞬時寬度,提供最佳的靈敏度和分辮率,適于測量鎖模染料或藍寶石激光器的fs脈沖和脈沖半導體激光器或Nd-YAG/YLF激光器的ps脈沖。

    圖55.jpg

    相干公司(Coherent Inc.)自相關儀


    這里基于相干公司(Coherent Inc.)針對800nm波長的自相關儀,闡述其工作原理和調節方法。如下圖1是自相關儀的光路圖:

    圖56.png圖57.jpg

    圖1. Coherent Inc. 的自相關儀SSA的 (a)光路圖和 (b)實際結構圖


    由上圖1,自相關儀的結構類似于邁克爾遜干涉儀。按照其非線性的匹配形式可分為共線結構或非共線結構,由于非共線的形式可使測得的和頻信號和原始基頻信號自然分開,從而消除背景基頻光,達到較高的測量精度。本例中的自相關儀SSA即為非共線結構。

    注意,這里使用了分束片BS1對輸入光進行分束,即透射光a和反射光b,透射光a入射到延時器DL上,反射光b經反射鏡M2后必須再經過一個與前面BS1相同的分束片BS2,用來補償反射光b相對于透射光a的色散和啁啾。這里的半波片是用來改變入射光的偏振,從而調節待測光經過非線性晶體BBO后產生的和頻信號的強度。

    初始入射光I(t)(這里以800nm中心波長為例)經過如圖1(a)中的BS1后分成兩束I(t)和I(t-τ),經由反射鏡M5后以非共線形式注入到非線性晶體BBO中,通過調節延時器DL和BBO晶體的角度,使透射光a和反射光b經過晶體后產生二者的和頻信號S(τ),即一條藍色的亮線,如圖2. (b)。每束光單獨注入BBO晶體時則無二次諧波產生。和頻光信號S(τ)僅與兩束入射光的強度有關:


    圖58.png

    所產生的和頻信號S(τ)由光電倍增管接受并記錄,可以顯示在示波器上,如圖2. (a)所示。


    圖59.jpg圖60.png

    圖2. (a)示波器顯示電脈沖; (b)非線性晶體后的和頻信號


    這樣,示波器上顯示的脈沖寬度(FWHM)即與實際光脈沖的寬度(FWHM)是一個確定的線性關系。即:

    圖61.png


    由此可見,利用光脈沖強度相關法測量脈沖寬度,實質上就是把不可見時間的測量轉換成可見的長度的測量,把光脈沖形狀的測量轉換成相關函數S(τ)波形的測量,其半寬度(FWHM)的時間間隔即為脈沖寬度(FWHM)。

    該比例系數a針對不同類型的自相關儀是不同的,具體參見儀器的使用說明書。但是即使是同一臺儀器,根據調節光路或倍頻狀態的不同,其比例系數均有小的調整,需要及時標定。

    其比例系數a可以由以下方法確定:

    如圖1. (a),當移動延時線DL時,可以在和頻晶體后看到和頻后的藍線上下移動,同時在示波器上顯示的自相關信號在時間軸上相應的移動。例如延時線移動0.24mm時(該路光光程移動?1=0.48mm),示波器上顯示的脈沖在時間線上移動5.406ms,

    即移動延時器造成的實際時間變化為:


    圖62.png

    示波器上顯示脈沖在時間上的位移為:

    圖63.png


    實際脈沖寬度還要考慮激光脈沖的波形,假設這里我們輸入的光脈沖是高斯型,則需要再乘以一個變換系數k=0.707

    則比例系數a

    圖64.png

    如果在示波器上測得脈沖的半高寬為τ_scope=152.4μs,即其對應脈寬為

    圖65.png


    附,如果激光脈沖波形是高斯型、雙曲線正割型、單邊指數型,其變換系數分別為0.707、0.648、0.5.

    基于自相關儀的基本原理,其結構也可以采取不同的方式。除了共線結構和非共線結構外,延時器也可以采用不同的結構,如可移動的一對互為直角的反射鏡,可移動的直角棱鏡,轉動玻璃平板等。其分光結構也可依據待測光的能量和脈寬等參數分為用分束片分光和在空間上分光等。探測器也可以采用不同類型,如光電探頭,CCD探測器等。

    至于自相關儀的光路調節,我們會在下一期中詳細介紹。



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