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      脈沖測量儀器Wizzler原理及使用技巧

      圖19.jpg

      圖一: Wizzler內部光路設計


      一、Wizzler基本原理

      1. 交叉偏振濾波

      要理解Wizzler的基本原理,就不得不先闡釋一下交叉偏振濾波(XPW)技術,因為此技術是Wizzler光學部分的重要知識點。

      交叉偏振波產生基于簡并的四波混頻三階非線性原理,如圖二所示,在具有非對稱三階極化特性的氟化鋇晶體中,入射激光偏振發生旋轉,因此在正交檢偏器的輸出方向會有一定量的輸出。由于XPW是三階非線性過程,因此轉化效率嚴重依賴于入射激光的強度,也正是這種強烈的強度依賴效應,脈沖結構中的噪聲會被檢偏器極大的抑制,因此XPW技術最早用來提高超強激光的對比度,目前已經是商品化TW/PW激光的必備技術。

      除此之外,XPW還具有展寬光譜、空間濾波和改善光譜相位的作用。

      圖20.png

      圖二: 基于非線性旋轉原理的XPW技術(圖片來源于維基百科)


      2. Wizzler內部光路設計

      圖21.jpg

      圖三:Wizzler內部光路設計


      如圖三所示,入射激光脈沖首先經過定位光闌,作為Alignment的基準。波片和P1-P4偏振片起到偏振旋轉、能量衰減和偏振凈化的作用。雙折射片用于產生和入射脈沖延時固定、偏振垂直的待測脈沖。脈沖然后經M1聚焦到XPW晶體BaF2上,此時XPW效應被觸發,產生一個偏振垂直,但是和主脈沖沒有延時的小脈沖(標記為XPW脈沖)。偏振片P5的偏振方向與P1-P4正交,三個脈沖經過P5之后主脈沖被阻止進入光譜儀,只剩下具有固定延時的待測脈沖和XPW脈沖,二者發生光譜干涉。

      3. 脈沖測量算法

      圖22.jpg
      圖四:自參考光譜干涉提取頻率域電場和光譜相位


      在得到光譜干涉信息以后,就可以對此進行處理,以得到完備的光譜強度和相位信息。

      1. 如圖四所示,首先對光譜干涉圖樣進行反傅里葉變換,得到中心主脈沖和兩個旁瓣脈沖,對旁瓣脈沖進行濾波,并且延時到中心零點后再做傅里葉變換,即可得到參與干涉兩個脈沖的相位之差:?1(?)- ?2(?)和電場的乘積:E1(?)* E1(?)。

      2. 對中心主脈沖進行傅里葉變換,可以得到電場的平方和E12(?)+E22(?)。

      至此,我們可以得到待測脈沖的完整電場幅度信息,只剩下待測脈沖的相位信息需要計算。接下來就需要因此XPW的另外一個效應,也就是圖五左方的相位平坦效應,也就是說XPW脈沖的光譜相位?2(?)接近為零,因此也就知道了?1(?)的值。

      3. 但是XPW脈沖的光譜相位為零假設是否成立呢?就需要引入一個迭代的算法進行修正,如圖5右方所示,經過得到多次循環可以對光譜相位進行修正,最終得到收斂的準確相位信息。 

      圖23.jpg
      圖五:參考脈沖的光譜相位獲取及準確性修正



      二、Wizzler使用技巧

      由于是完全共線設計,Wizzler內部光路調節非常簡單,尤其是掌握了以上原理以后,就算把所有的元件都拆裝一遍也不會花費很長的時間。下面就簡單描述一下Wizzler調節方法以及使用技巧。

      1. 光路調節

      1) 移除XPW晶體,使用入射光闌和廠家提供的輔助小孔進行光路的對準。驗證是否對準的方法是看光譜儀上的強度是否最強。注意:廠家提供的小孔背面貼有四分之一波片,因此需要旋轉波片使得初始強度合適。

      2) 移除小孔,此時由于偏振元件的正交性,光譜儀上應該沒有信號,或者非常之微弱。如果有較強的信號,說明偏振片的方向有所旋轉,需要校正一下。如果發現有微弱的信號,并且有光譜干涉的現象,說明雙折射片的角度不正確,需要旋轉一下,祛除干涉條紋。

      3) 放入XPW晶體,此時光譜儀上應該有一個相對光滑的光譜出現。當然,這是建立在脈沖比較優化的前提下。如果信號較弱,需要調節一下激光系統中的脈沖壓縮器直到獲得最強的光譜強度信號和最寬的光譜寬度。

      4) 最后一步是利用雙折射片產生待測信號,適當旋轉雙折射片的角度,產生一個調制深度適中(筆者的經驗大約在30%)的干涉圖樣。

      5) 此時,Wizzler界面上應該會給出一個詳細的脈沖寬度數值和相位信息。圖24.jpg

      圖六:Wizzler典型測量界面


      2. 與Dazzler進行反饋

      圖25.jpg

      圖七: Wizzler-Dazzler主動反饋系統

      Wizzler的一個重要優點是可以和Dazzler形成反饋系統,最終得到嚴格的傅里葉轉換極限脈沖。

      進行此項功能操作的要點就是將Dazzler和Wizzler的軟件安裝在同一個電腦上,或者安裝在不同電腦上,使用遠程控制建立起通訊。

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      參考文獻:

      1. A. Jullien et al., Opt. Express, vol. 14, pp. 2760–2769 (2006)

      2. “Self-referenced spectral interferometry,” Oksenhendler, T., Coudreau, S., Forget, N. et al. Appl. Phys. B (2010) 99: 7.



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