Методы измерения длительности импульсов

В фемтофизике измерение длительности ультракоротких импульсов света является ключевой задачей, так как временные характеристики лазерных импульсов определяют возможности их применения в спектроскопии, нелинейной оптике, микромашинировании и изучении сверхбыстрых процессов в материи. Стандартные электрооптические методы, применяемые для наносекундных и пикосекундных импульсов, здесь оказываются недостаточными, и для фемтосекундных временных шкал разработаны специальные подходы, основанные на нелинейной оптике.

1. Автокорреляция

Принцип метода: Автокорреляция (AC, autocorrelation) заключается в том, что один и тот же лазерный импульс пропускается через нелинейный оптический элемент дважды с переменным временным сдвигом, и интенсивность генерируемого второго гармонического сигнала измеряется как функция этого сдвига.

Основные виды:

  1. Интенсивностная автокорреляция

    • Использует нелинейные эффекты второго порядка, например, генерацию второй гармоники (SHG).
    • Измеряется зависимость интенсивности SHG от временного смещения двух копий импульса.
    • Длительность импульса τ определяется через известное отношение между шириной автокорреляционной функции и интенсивностным профилем импульса.

  2. Интерферометрическая автокорреляция

    • Более чувствительный метод, позволяющий также оценить фазовую структуру импульса.
    • Включает интерференцию двух временно смещённых импульсов на фотоприёмнике.
    • Позволяет различать импульсы с одинаковой интенсивностной автокорреляцией, но различной фазовой модуляцией.

Ключевые моменты:

  • Автокорреляция не даёт уникального определения формы импульса без дополнительных предположений.
  • Для гауссовых и sech2 профилей существуют известные коэффициенты преобразования между шириной автокорреляции и длительностью импульса.

2. FROG (Frequency-Resolved Optical Gating)

Принцип метода: FROG позволяет получать полную временную и спектральную характеристику импульса. В отличие от простой автокорреляции, FROG измеряет спектр генерируемого сигнала как функцию временного сдвига.

Особенности:

  • Используется комбинация временной и спектральной информации.
  • Позволяет восстановить амплитуду и фазу импульса методом обратного вычисления (retrieval algorithm).
  • Наиболее распространённые варианты: SHG-FROG, Polarization Gate (PG-FROG), Self-Diffraction FROG.

Преимущества:

  • Дает полную реконструкцию электрического поля.
  • Подходит для импульсов с произвольной фазовой структурой.

Ограничения:

  • Сложность установки и обработки данных.
  • Чувствительность к шуму в спектральных измерениях.

3. SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction)

Принцип метода: SPIDER — интерферометрический метод, который измеряет фазовую разницу между двумя слегка временно и частотно сдвинутыми копиями импульса.

  • Используется нелинейная генерация с частотным смешением (sum-frequency generation).
  • Восстановление фазы и амплитуды проводится аналитически без итеративного алгоритма.

Преимущества:

  • Мгновенное измерение полного электрического поля.
  • Высокая точность для ультракоротких импульсов.

Недостатки:

  • Требует точной настройки временных и спектральных сдвигов.
  • Сложность экспериментальной реализации выше, чем у автокорреляции.

4. Метод временной интерференции с линейной фазовой модуляцией

Принцип метода:

  • Используется линейная временная или спектральная модуляция импульса (chirp).
  • Измеряется интерференционный сигнал между импульсом и его временно смещённой копией.
  • Позволяет косвенно оценивать длительность импульса через спектральное распределение интенсивности.

Применение:

  • Быстрые измерения при ограниченном доступе к сложным нелинейным элементам.
  • Используется также для калибровки других методов.

5. Прямое измерение с помощью детекторов

Для длительностей менее 100 фс прямое измерение с помощью фотодиодов или фотоумножителей невозможно из-за ограниченной временной разрешающей способности.

  • Иногда применяются стробоскопические методы или комбинации высокоскоростных электронных схем и нелинейной оптики для увеличения разрешения.
  • Практически все современные измерения фемтосекундных импульсов опираются на косвенные методы, описанные выше.

6. Особенности выбора метода

  • Длительность импульса: Автокорреляция эффективна для грубой оценки, FROG и SPIDER подходят для точного измерения суб-100 фс импульсов.
  • Форма импульса: Для несимметричных или сильно фазомодулированных импульсов предпочтительны FROG и SPIDER.
  • Сложность установки: Автокорреляция — наименее требовательный метод, SPIDER — наиболее сложный.
  • Нелинейные материалы: Для всех методов с SHG и sum-frequency generation важно подобрать подходящий кристалл с достаточной нелинейной эффективностью.

7. Точность и ограничения

  • Температурная и пространственная стабильность установки критичны для интерферометрических методов.
  • Нелинейные эффекты в оптических материалах могут искажать измерение для очень интенсивных импульсов.
  • Ошибки могут возникнуть при предположении о форме импульса в простых автокорреляционных методах.
Оглавление