Методы измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов
Измерение длительности ультракоротких лазерных импульсов, особенно в пикосекундной и фемтосекундной шкале, не может быть осуществлено при помощи обычных электрооптических приборов (например, фотодиодов или осциллографов), поскольку их временное разрешение недостаточно для захвата столь быстрых процессов. Электронные методы достигают временного разрешения порядка десятков пикосекунд, тогда как фемтосекундные импульсы требуют разрешения на три порядка выше. Поэтому применяются оптические методы, основанные на нелинейных взаимодействиях света с веществом, способных эффективно «засечь» короткие импульсы через их самих или вспомогательные пульсы.
Один из самых широко используемых методов измерения длительности импульса — автокорреляция по интенсивности.
Импульс разделяется на две части, одна из которых проходит через оптическую задержку, а затем обе части фокусируются и пересекаются во временной и пространственной области в нелинейной среде, где происходит генерация второй гармоники (SHG). Мощность этой второй гармоники измеряется как функция временной задержки между двумя копиями импульса. Это даёт автокорреляционную функцию интенсивности:
A(τ) = ∫−∞∞I(t)I(t − τ)dt
где I(t) — временной профиль интенсивности импульса, а τ — временная задержка между копиями.
Автокорреляционная кривая является косвенным измерением длительности импульса. При определённых предположениях о форме импульса (гауссова, гиперболическая секант и др.) можно оценить длительность импульса по ширине автокорреляционной функции, умноженной на коэффициент, зависящий от формы:
В этой модификации автокорреляционного метода обе копии импульса интерферируют в области пересечения. Получающаяся интерференционная структура содержит более детальную информацию, чем обычная автокорреляция интенсивности.
Интерферометрическая автокорреляция позволяет отличить гауссовые импульсы от sech²-импульсов, так как даёт характерные осцилляции.
Метод FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) представляет собой более совершенную технику, позволяющую не только определить длительность, но и восстановить полный временной профиль амплитуды и фазы импульса.
Импульс пересекается с его задержанной копией в нелинейной среде. При каждом значении задержки τ измеряется спектр нелинейного отклика (например, второй гармоники). Это даёт двумерную функцию:
IFROG(ω, τ) = |∫E(t)E(t − τ)e−iωtdt|2
Эта спектроинтерферограмма содержит полную информацию о фазе и амплитуде импульса.
Для восстановления формы импульса используется численный итерационный алгоритм, сопоставляющий измеренный сигнал с модельным сигналом, пока не достигнется совпадение.
В зависимости от типа нелинейного взаимодействия, различают:
Каждый тип имеет свои особенности в чувствительности к фазе, требованиям к фазовому согласованию и динамическому диапазону.
SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction) — это метод, обеспечивающий прямое восстановление фазового профиля импульса в спектральной области.
Две копии импульса, одна из которых подвергается спектральному сдвигу (например, путём суммирования с линейно растянутым опорным импульсом), интерферируют в спектральной области. Получаемое интерферометрическое распределение содержит информацию о разности фаз между соседними спектральными компонентами.
Метод, ограниченный в применении, но всё ещё используемый в пикосекундной шкале. Стрик-камера преобразует временное распределение света в пространственное, отклоняя фотоэлектроны, создаваемые фотокатодом, переменным электрическим полем.
| Метод | Измеряет фазу | Измеряет форму | Сложность | Типичные длительности |
|---|---|---|---|---|
| Автокорреляция интенсивности | Нет | Нет | Низкая | > 10 фс |
| Интерферометрическая автокорреляция | Частично | Частично | Средняя | > 10 фс |
| FROG | Да | Да | Высокая | > 5 фс |
| SPIDER | Да | Да | Высокая | > 5 фс |
| Стрик-камера | Нет | Да | Высокая | > 1 пс |
При измерениях крайне важно учитывать влияние хроматической дисперсии в оптических элементах, особенно при использовании широкополосных фемтосекундных импульсов. Стеклянные элементы, фазовые пластинки, кюветы, а также кристаллы второй гармоники могут вносить временное растяжение, искажающее реальную длительность импульса. Применяются техники компенсации дисперсии (например, с помощью призменных или решётчатых компрессоров) до момента измерения.
При использовании автокорреляционных и FROG-методов критически важно точно калибровать шкалу задержек, особенно при получении абсолютных значений длительности. Используются пьезоэлектрические и микрометрические трансляторы с нанометровой точностью перемещения.
Понимание длительности и формы лазерного импульса критично для:
В зависимости от требований эксперимента и уровня доступной технологии, выбирается соответствующий метод. Оптимальным подходом часто оказывается комбинация методов — например, автокорреляции и FROG — для перекрёстной верификации параметров.