宽波长范围的多色脉冲光学自相关测量.pdf

基于 光电二极管和 光电二极管的双光子吸收特性，设计了 宽带波长测量范围的简易自相关仪实验装置利用该装置测量了克尔透镜锁模钛宝石激光、掺镱光纤锁模激光和掺铒光纤放大脉冲激光的脉宽；通过引入额外群延迟色散和增加自相位调制效应调控脉冲的净啁啾，研究了自相关曲线变化特性结果表明：该自相关仪实验装置能够有效测量由净啁啾改变导致的自相关曲线变化特性，能够满足不同波长脉冲激光实验教学应用场合的需求关键词：自相关仪；双光子吸收；飞秒脉冲激光；啁啾中图分类号：；文献标识码：超短脉冲激光（）因具有持续时间短、峰值功率高和相干宽谱范围等优点而被广泛应用于激光光谱学、相干精密测量、材料微加工以及生物诊断等重要研究领域 在超短脉冲激光实时测量的研究与应用中，脉冲宽度是评判超短脉冲激光质量的关键指标之一，目前主要的脉冲宽度测量方法包括自相关法、频率分辨光学快门法和光谱相位相干电场重构法，其中自相关法具有高分辨率、高灵敏度等优点，技术发展最为成熟，由此研发的自相关仪已成为超快激光实验必备的测量工具经典的自相关仪基于非线性二次谐波的自相关测量，装置结构是在迈克耳孙干涉仪或者马赫曾德尔干涉仪中插入块倍频晶体，通过调整干涉仪两路径的光程差得到不同强度的二次谐波信号，从而推算出超短脉冲的宽度然而由于倍频晶体长度和相位匹配角都是严格确定的参量，不仅要求输入的脉冲功率（能量）较高，而且对输入波长、激光偏振方向以及光束指向性的要求都较为苛刻由于现有的高效超短脉冲激光器，例如染料锁模激光、掺钛蓝宝石飞秒激光和光纤锁模激光，其波长范围主要集中在近红外一区（）到近红外二区（）波段，因此在实际的教学实验场合，要想测量多种不同波段脉冲激光，则需要反复调整准直光路的结构，置换不同规格的晶体和改变探测器来实现，从而导致实验操作繁琐、光路系统复杂，限制了该仪器在激光实验教学中的推广为此，本文设计制作了基于光电二极管双光子吸收效应的简易自相关仪实验装置该装置利用扬声器来改变干涉仪两臂光程差，并采用成本较低的 光电二极管和 光电二极管，极大简化了光路结构，降低了实验操作难度，而且在实验中成功测量了克尔透镜锁模钛宝石激光、掺镱光纤锁模激光以及掺铒光纤放大脉冲激光的脉宽，同时通过引入额外的群延迟色散（，）和自相位调制（，）作用改变激光脉冲的啁啾量，研究分析了对应自相关曲线的变化特性结果表明：该自相关仪实验装置能够实现波长 的脉冲脉宽测量，能够满足不同应用场合的教学需求自相关仪的工作机制自相关仪的工作机制以迈克耳孙干涉结构来描述如图所示，干涉仪由分光镜和个反射镜构成，其中一路反射镜安装在机械振子上构成动臂，用于提供时间延迟；另一路则为静臂假设待测脉冲激光经分光镜分束后，路脉冲激光电场分别表示为犈（狋）犃（狋）狋（狋），犈（狋）犃（狋）狋（狋），经过双臂后再次合波，由于动臂做周期性往复运动使束光产生光程差，表现为动臂中的脉冲电场获得时间延迟，可得合波后的脉冲电场为犈（狋，）犃（狋）（狋）（狋）犃（狋）狋（狋），进一步聚焦在光电二极管上，通过双光子吸收效应产生的二次谐波信号光强是输入光强的平方，因此测得的自相关信号表示为 犐（）犐（狋）犐（狋）狋犐（狋）犐（狋）犈（狋）犈（狋）狋 犈（狋）犈（狋）狋犐（狋）犐（狋）狋，（）其中，犐（狋）犈（狋）犈（狋），式（）右边第项为自相关信号中的直流背景项；第项和第项则为交流振荡项，对应的振荡频率分别是光谱载波和，表示束光电场相干结果；最后一项表示强度自相关项，为束光强度干涉的结果自相关信号在延迟为时，取得极大值犐（）；在延迟远端，得到背景信号强度犐（）图自相关仪原理图理想状态下分光镜会将脉冲激光分成强度相等的束，即犃（狋）犃（狋）如果使用的光电探测器响应较慢，则无法探测到交流振荡项，此时将得到强度自相关曲线，即当时间延迟时，两脉冲完全重叠，自相关信号为犐（）犃（狋）狋，（）当时间延迟时，束脉冲完全分离，自相关信号为犐（）犃（狋）狋，（）进而得到强度自相关的极大值与背景项之比为犐（）犐（）（）同理，如果在实验中使用的光电探测器频率响应足够快，则能够探测到交流振荡项，并将得到干涉条纹自相关结果同上，很容易计算得到自相关信号极大值与背景项之比为犐（）犐（）（）图为典型干涉条纹自相关结果，其横坐标表示自相关仪静臂和动臂行走的激光电场之间的时间延迟，纵坐标为自相关信号强度干涉条纹自相关结果具有周期振荡结构，振荡周期狋与输入光脉冲的中心波长有关，满足关系 狋犮，（）其中，犮为真空中的光速通过读取半高全宽处条纹数犖，再由振荡周期能够获取干涉自相关条纹包络的半高全宽，即表示为（犖）犮（）由于脉冲宽度与 之间还满足一定的比例关系，在实际测量中，需要假设输入脉冲波形来获得对应的脉冲宽度，例如高斯形和双曲正割形脉冲宽度犜与 之间的比例系数犽分别为 和 第期杨超凡，等：宽波长范围的多色脉冲光学自相关测量图干涉条纹自相关曲线自相关仪实验装置图所示为具有宽带波长测量范围的简易自相关仪实验装置示意图反射镜镀保护银反射膜，在 具有 以上反射率分束器 采用 玻璃材料制成，通光波长范围为 ，分光比接近，厚度仅，由折射率方程和通光长度估算得到 波长所对应的群延迟色散量的绝对值均小于 ，即 引入色散量很小，对实际脉宽测量的影响可忽略图自制的自相关仪装置示意图反射镜和 构成迈克耳孙干涉结构，其中待测激光经 分束的反射光经反射镜作用返回构成静臂，而透射光经固定在扬声器上的反射镜作用构成动臂，此处还增加了位移平台便于灵活调节通过双臂后的激光由 合束，然后再由反射镜（）反射、透镜（）聚焦至（）光电二极管，由双光子吸收效应产生二次谐波信号，然后输出至示波器，即测量得到自相关曲线装置选取的 光电二极管（型号为 ）的 波 长 接 收 范 围 为 ，作为双光子吸收作用能够适合 基波波长脉冲；而 光电二极管（型号为 ）的波长接收范围为 ，适合双光子吸收作用的基波波长为 脉冲 由于不受非线性晶体的角度、相位匹配等条件的限制，因此只需要利用折叠镜架将反射镜进行简单翻转，就能够改变光束指向至不同的光电二极管，从而实现该自相关仪实验装置灵活切换和测量近红外一区（）到 近 红 外 二 区 波 段（）的脉冲脉宽，进而简化了光路结构实验过程中，脉冲激光经干涉仪的静臂和动臂合束后要遵循严格的空间重叠使用个光阑（和）对干涉仪两臂激光光路进行平行校准具体实验步骤如下：）粗略调节空间重叠，即在移动动臂位移平台情况下，通过反复调节入射反射镜以及干涉仪中反射镜的俯仰角度，确保对应动臂位移平台不同位置时，光阑后端合波光束始终保持空间重叠）将动臂位移平台固定在某一位置，并利用后端反射镜和透镜，将激光指向和聚焦至光电二极管，通过监测静臂、动臂光束激光转换的电平大小，再精细调节反射镜的俯仰角度，最终当两臂激光分别对应的电平值最高且相同时，可认为双臂光路已经严格空间重叠并聚焦至探测器）微调动臂位移平台至双臂长等距位置，利用信号发生器提供频率为 左右的正弦信号来驱动扬声器，使得动臂做周期性往复运动，即通过调整干涉仪两臂的光程差得到不同强度的二次谐波信号来获得自相关曲线实验结果为了检验自制的宽带自相关仪装置测量效果，选取了种典型的高效超短脉冲激光光源，分别为克尔透镜锁模钛宝石激光（）、掺镱光纤锁模激光（）以及掺铒光纤放大脉冲激光（）图为种典型高效脉冲激光的强度归一化光谱，在不同波段脉冲测量实验中，通过改变物理实验第 卷泵浦功率以及引入额外色散的方式来调控脉冲的啁啾量，即监测啁啾量对脉冲脉宽的影响最后将测量结果与商用自相关仪进行对比，验证了该自制装置的可行性和准确性图种典型高效脉冲激光的强度归一化光谱 克尔透镜锁模钛宝石激光器的脉宽测量采用的商用克尔透镜锁模钛宝石激光中心波长可以连续调节，范围为 ，选取中心波长为 ，输出平均功率为 ，重复频率为 的锁模脉冲状态由于单脉冲能量较高，采用半波片和偏振分束器（）结合进行功率衰减实际输入至自相关仪的功率约为，实验中该波长适合 光电二极管双光子吸收，因此通过翻转反射镜来改变光路指向，即可实现测量图为通过自相关仪测量得到的自相关信号图形，横坐标为束脉冲的时间延迟，纵坐标为自相关信号强度，犜为通过自相关条纹包络半高全宽 换算的脉冲脉宽，脉冲波形假设为高斯型（下文相同）图（）为初始的脉冲自相关条纹曲线，其信号极大值与背景项之比达到了 ，干涉条纹包络的两翼至远端明显凸起，说明此时脉冲携带一定啁啾量，测得脉冲脉宽约为 在此基础上，通过在自相关仪输入端插入块状 引入额外正色散图（）（）分别对应插入个和个 的脉冲测量结果，由 引入的 大小分别为 和 ，此时自相关曲线包络逐渐变宽，包络两翼至远端凸起明显变大，说明脉冲携带的啁啾量越来越大，测得条纹自相关曲线极大值与背景项之比分别为 和 ；对应脉冲脉宽分别为 和 脉宽得到迅速展开，这是由于不断增加正 的过程中，脉冲积累了更多的正啁啾使脉冲前后沿频率差增大，由脉冲前后沿不同传输速度导致脉冲脉宽发生展宽；同时，由于脉宽变宽，脉冲激光的峰值功率随之减小，从而引起光电二极管双光子吸收效应减弱，使得自相关信号极大值与背景项之比有所降低（）未插入 （）插入个 （）插入个 图克尔透镜锁模钛宝石激光自相关信号 掺镱光纤锁模激光器的脉宽测量同上，继续使用 光电二极管探测，选第期杨超凡，等：宽波长范围的多色脉冲光学自相关测量取中心波长为 ，重复频率为 的掺镱锁模光纤激光进行脉宽测量通过改变泵浦功率，来调控锁模激光器腔内脉冲的非线性相移，即利用 作用引入正啁啾来调控输出脉冲啁啾总量，实现脉冲脉宽变化，如图（）所示调节泵浦，在输出激光功率分别为 ，时，测量到干涉自相关曲线包络逐渐变窄，测得脉冲脉宽分别为 ，曲线包络两翼至远端凸起也随之变小，直至接近平坦，表明脉冲啁啾量逐渐减小并接近零啁啾以上过程可解释为：在输出脉冲激光功率小于 时，脉冲携带的净啁啾量为负，因此通过增加泵浦功率，利用 作用引入正啁啾，能够实现有效补偿，促使净啁啾逐渐变小，即获得越来越窄的脉宽脉冲当在实验中继续增加泵浦至输出功率为 时，脉宽从最窄又逐渐增宽，该过程很可能是由于 效应过载导致脉冲净啁啾变为正啁啾，促使脉宽又发生了展宽固定输出功率为 ，即脉冲净啁啾为正时，在自相关仪输入端增加对透射光栅引入额外负色散进行补偿，由于光栅插入损耗，实际输入至自相关仪的功率约为 通过调控光栅间距分别为 ，时，对应引入 的大小分别为 ，如图（）所示，可见此时干涉自相关曲线包络重新变窄，且曲线包络两翼至远端凸起变小，测得脉冲脉宽分别为 ，该过程是由透射光栅提供额外负啁啾进行了有效补偿，实现了脉冲脉宽的压窄以上结果表明：自制自相关仪能够有效测量由净啁啾变化导致的自相关曲线变化特性（），的输出功率（）引入额外 ，的 图掺镱光纤锁模激光自相关信号 掺铒光纤放大脉冲激光的脉宽测量为进一步验证自制宽带自相关仪在长波长脉冲测量的可行性，选取了商用掺铒光纤放大脉冲激光 进 行 检 验，该 放 大 器 脉 冲 中 心 波 长 为 ，重复频率为 ，此时反射镜反射光束，利用 光电二极管进行双光子吸收效应测量同，通过改变放大器泵浦电流，调控脉冲 效应来改变脉冲净啁啾，并进行脉冲脉宽监测，如图所示，放大器输出功率分别为 ，测量到自相关曲线包络逐渐变窄，但曲线包络两翼至远端凸起却随之变大，测得脉冲脉宽分别为 ，此过程很可能是由于放大器中 效应不仅产生了线性正啁啾，并且还可能产生了较大的高阶非线性啁啾，其中线性正啁啾对初始脉冲啁啾量进行了很好的补偿，因此能够观察到自相关曲线包络逐渐变窄，但随着高阶非线性啁啾的增加，也使得曲线包络两翼旁瓣变大，且两翼至远端凸起随之变大因此，后续可以考虑采用专门设计的高阶色散补偿器件（例如定制的棱镜对或者啁啾镜）实现精细补偿最后为了检验自制的宽带自相关仪测量的准确性，在相同的掺铒光纤放大脉冲激光输出条件下，利用商用自相关仪（）进行了实时测量，如图所示对比自制的宽带自相关仪和商用自相关仪结果，随着激光输出功率从 提升至，测得脉冲脉宽结果趋势逐渐减小，这是由于 效应引入的线性正啁啾补偿脉冲，使得线性净啁啾量逐渐减小，脉宽得到有效压窄对比种自相关仪测得的脉宽物理实验第 卷结果，其最大偏差小于 ，进一步表明自制的自相关仪装置结果准确可靠此外，还监测了自制自相关仪测量的稳定性，即相隔，在同等泵浦功率条件下，测量的脉冲脉宽结果与之前结果基本一致（）输出功率为 （）输出功率为 （）输出功率为 图掺铒光纤激光自相关信号图脉冲宽度测量结果对比受实验室合适光源缺乏的限制，未测量更长波长脉冲的自相关曲线，但是根据上述 光电二极管的响应特性，可以预估波长延伸至 的超短脉冲脉宽的条件下，同样能够基于双光子吸收效应获得准确测量，并且能够完全显示由净啁啾变化导致的自相关曲线变化特性结束语本文设计了具有宽带波长测量范围的简易自相关仪装置，测量了克尔透镜锁模钛宝石激光、掺镱锁模光纤激光以及掺铒光纤放大脉冲激光的脉宽，通过引入额外群延迟色散和自相位调制作用改变脉冲净啁啾，分析了自相关曲线的变化特性该自相关仪实验装置具有结构简单、操作方便、成本低廉、测量准确等优点，能够有效测量 波长范围的超短脉冲脉宽，可满足不同教学应用场合需求，并将有助于培养学生的动手实践能力，加强学生对迈克耳孙干涉仪原理以及超快激光光学等学科知识的理解参考文献：刘一州，乔文超，高空，等高功率超快光纤激光技术发展研究中国激光，（）：谈宜东，徐欣，张书练激光干涉精密测量与应用中国激光，（）：，：，：，（）：，第期杨超凡，等：宽波长范围的多色脉冲光学自相关测量 ，（）：，（），（）：，（）：，（）：包学诚，周志尧，秦莉娟激光脉冲宽度的测量：浅谈扫描自相关仪的结构原理与应用上海计量测试，（）：王少伟，雷铭近红外二区激发多光子荧光成像激光与光电子学进展，（）：，：钟伟彬，廖睿，刘智刚，等飞秒激光脉冲的测量与诊断中山大学学报（自然科学版），（）：张志刚飞秒激光技术北京：科学出版社，：，（）：赵江山，张志刚，柴路，等基于半导体光二极管 的实时自相关仪光子学报，（）：犗 狆 狋 犻 犮 犪 犾 犪 狌 狋 狅 犮 狅 狉 狉 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 犿 犲 狀 狋 狅 犳犿 狌 犾 狋 犻 犮 狅 犾 狅 狌 狉狆 狌 犾 狊 犲 狊狅 狏 犲 狉犪狑 犻 犱 犲狑 犪 狏 犲 犾 犲 狀 犵 狋 犺狉 犪 狀 犵 犲 ，（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；编辑：龙玉梅物理实验第 卷