吳 磊，陰萬(wàn)宏，俞 兵，董再天，薛媛元，陳 娟，于東鈺，吳 沛

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065)

引言

自20世紀(jì)60年代末70年代初提出激光鎖模技術(shù)以來(lái), 激光技術(shù)進(jìn)入了超短脈沖時(shí)代, 激光脈寬經(jīng)歷了納秒(ns, 10-9s)、皮秒(ps, 10-12s)、飛秒(fs, 10-15s)量級(jí)，甚至阿秒(as, 10-18s)量級(jí)。

飛秒激光器包括染料飛秒激光器、鈦寶石飛秒激光器和光纖飛秒激光器等，波長(zhǎng)范圍覆蓋紫外、可見和近紅外波段。目前最成熟的鈦寶石飛秒激光器脈寬為(10～1 000)fs，波長(zhǎng)范圍為(700～1 000)nm，倍頻后波長(zhǎng)范圍為(350～500)nm，通過參量振蕩技術(shù)，可將波長(zhǎng)拓展至1.6 μm。飛秒激光振蕩器輸出的平均功率為μW至mW量級(jí)，單脈沖能量為pJ至nJ量級(jí)，重復(fù)頻率為幾十kHz至于幾百M(fèi)Hz；飛秒激光放大器單脈沖能量為pJ至mJ量級(jí)。飛秒激光放大器峰值功率可高達(dá)拍瓦(1015W)量級(jí)，聚焦后的功率密度達(dá)到1021W/cm2。

飛秒激光在激光核聚變、衛(wèi)星精密測(cè)距、激光微加工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，同時(shí)也是產(chǎn)生太赫茲波的主要泵浦源[1-5]。飛秒激光計(jì)量技術(shù)是目前光學(xué)計(jì)量的前沿技術(shù)之一。飛秒激光計(jì)量技術(shù)包括時(shí)域脈寬、波長(zhǎng)、相位和功率能量等參數(shù)的計(jì)量技術(shù)，其中，脈沖寬度、脈沖波形是飛秒激光器及其應(yīng)用最重要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。隨著飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)飛秒激光時(shí)域參數(shù)的測(cè)試要求越來(lái)越高，需開展相關(guān)測(cè)試方法、標(biāo)校方法和溯源方法的研究。

1 飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試方法

國(guó)內(nèi)外主要采用自相關(guān)法(autocorrrelation， AC)、頻率分辨光學(xué)快門法(frequency-resolved optical gating，F(xiàn)ROG)、光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法(spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)等方法來(lái)測(cè)量飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形[5-18]。

自相關(guān)法通過測(cè)量飛秒光脈沖自掃描相關(guān)二次諧波曲線(自相關(guān)曲線)的半寬度來(lái)獲得飛秒激光的脈寬。自相關(guān)儀是采用自相關(guān)法測(cè)量飛秒激光脈沖寬度的設(shè)備，自相關(guān)儀按光路形式可分為非共線(強(qiáng)度自相關(guān))和共線(干涉自相關(guān)或條紋自相關(guān))兩種。自相關(guān)儀波長(zhǎng)范圍覆蓋紫外至于近紅外波段，脈寬掃描范圍10 fs～15 ps，延遲精度(1～4)fs。強(qiáng)度自相關(guān)儀工作原理圖見圖1所示。

圖1 強(qiáng)度自相關(guān)工作原理圖Fig.1 Working principle of intensity autocorrelation

強(qiáng)度自相關(guān)儀工作原理：待測(cè)飛秒脈沖激光經(jīng)分束器后分為強(qiáng)度相同的2束激光，在2束光之間引入一定的時(shí)間延遲后聚焦到非線性晶體產(chǎn)生二階非線性效應(yīng)，通過掃描調(diào)整光路延遲可得到二階非線性響應(yīng)信號(hào)隨時(shí)間延遲量變化的曲線，即強(qiáng)度自相關(guān)曲線，通過測(cè)量強(qiáng)度自相關(guān)曲線的半寬度可得到被測(cè)飛秒激光的脈寬。

干涉自相關(guān)儀工作原理圖見圖2所示。干涉自相關(guān)儀工作原理：干涉自相關(guān)儀采用共線工作方式，待測(cè)飛秒脈沖激光經(jīng)分束器后分為振幅相同的2束激光，其中一束激光延遲一定時(shí)間后與另一束激光合并入射到非線性晶體，通過掃描調(diào)整光路延遲可得到兩束激光振幅疊加的干涉自相關(guān)曲線。干涉自相關(guān)曲線為時(shí)間延遲量的周期振蕩曲線，并且振蕩條紋的周期對(duì)于一定中心波長(zhǎng)的激光是固定的，通過測(cè)量干涉自相關(guān)曲線的包絡(luò)半寬度可得到被測(cè)飛秒激光的脈寬。

圖2 干涉自相關(guān)工作原理圖Fig.2 Working principle of interference autocorrelation

頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(FROG)是在強(qiáng)度自相關(guān)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)量方法。FROG波長(zhǎng)范圍覆蓋紫外至于近紅外波段，脈寬測(cè)量范圍10 fs～500 ps，時(shí)間分辨率(2～4)fs。頻率分辨光學(xué)開關(guān)法工作原理見圖3所示。頻率分辨光學(xué)開關(guān)法工作原理：將入射飛秒脈沖激光通過分束器分為兩束光，其中一束作為探測(cè)光，另一束作為開關(guān)光并同時(shí)引入一定延遲時(shí)間量，兩束光通過聚焦透鏡聚焦到非線性介質(zhì)上發(fā)生非線性效應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)光，通過光譜儀將不同頻率(波長(zhǎng))成分的信號(hào)光分辨出來(lái)，使用CCD采集信號(hào)光隨頻率和時(shí)間變化的跡線，利用迭代算法獲取入射光脈沖信息。SPIDER波長(zhǎng)范圍通常為可見至于近紅外波段，脈寬測(cè)量范圍為10 fs～500 ps，時(shí)間分辨率精度(2～4)fs。

圖3 頻率分辨光學(xué)開關(guān)法工作原理圖Fig.3 Working principle of FROG

光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法(SPIDER)是基于光譜剪切相干原理，通過光譜剪切相干獲取飛秒激光頻率信息和相位信息，再通過脈沖波形重構(gòu)得到脈沖寬度。光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法工作原理圖見圖4所示。

圖4 SPIDER工作原理圖Fig.4 Working principle of SPIDER

光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法測(cè)量原理：待測(cè)飛秒脈沖激光經(jīng)分束器后分為2束激光,其中一束光通過色散器展寬為啁啾脈沖,另一束光經(jīng)邁克爾遜干涉儀分為2個(gè)具有一定時(shí)間延遲的脈沖對(duì),然后再聚焦到非線性晶體進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換；2束激光脈沖由于存在時(shí)間延遲,非線性和頻后它們的中心頻率就出現(xiàn)了微小的變化量，這個(gè)頻率差稱為光譜剪切量；由光譜儀記錄和頻脈沖對(duì)的光譜干涉條紋, 利用反演算法可得到被測(cè)飛秒激光脈沖的脈沖寬度、脈沖波形和相位。

2 飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試方法比較

自相關(guān)法、頻率分辨光學(xué)快門法、光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法等超短激光脈寬測(cè)試方法主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 超短激光脈寬測(cè)試方法比較Table 1 Comparison of ultrashort laser pulse width measurement methods

續(xù)表

從表1可知，基于光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法的超短激光脈寬測(cè)試儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，脈寬測(cè)量范圍和波長(zhǎng)響應(yīng)范圍依賴于非線性晶體厚度和切割角等相位匹配參數(shù)，不適合飛秒至亞皮秒大量程范圍激光脈沖寬度快速測(cè)量。

自相關(guān)法脈寬測(cè)量范圍廣、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前最常用、最簡(jiǎn)便的超短激光脈沖寬度測(cè)試方法?？紤]到自相關(guān)法不具備脈沖波形測(cè)試能力，為提高對(duì)復(fù)雜脈沖波形激光脈寬的測(cè)試精度，采用二次諧波頻率分辨光學(xué)快門法(SHG-FROG)進(jìn)行脈沖波形測(cè)試。

3 飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀研制

飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀主要由主機(jī)(光學(xué)頭)、控制盒、光電探測(cè)組件以及測(cè)試軟件等組成，系統(tǒng)組成圖如圖5所示。飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀光學(xué)頭主要由相位延遲單元、倍頻單元、光路自校準(zhǔn)單元、數(shù)據(jù)接口單元等構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)角反射鏡位置可方便實(shí)現(xiàn)非共線和共線兩種工作模式的切換，用于獲取待測(cè)超短激光脈沖的強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)(非共線和工線兩種工作模式)或干涉自相關(guān)信號(hào)。

圖5 飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀系統(tǒng)組成圖Fig.5 Composition block diagram of femto-second laser pulse width and waveform measurement device

光電探測(cè)組件主要由光電倍增管(PMT)探測(cè)模塊、雪崩光電二極管(APD)探測(cè)模塊、FROG脈沖波形測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)接口單元等組成，針對(duì)不同波長(zhǎng)和不同重復(fù)頻率超短脈沖激光，可方便更換不同的探測(cè)模塊(PMT/APD探測(cè)模塊)，實(shí)現(xiàn)(600～1 600)nm波長(zhǎng)響應(yīng)范圍、(10～3 500)fs范圍超短激光脈寬測(cè)量。FROG模塊采用二次諧波頻率分辨光學(xué)快門法(SHG-FROG)實(shí)現(xiàn)脈沖波形測(cè)試功能。

控制盒主要由主控單元、延遲觸發(fā)掃描控制單元、電源單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)接口單元等組成，用于控制主機(jī)相位延遲單元工作以及采集光電探測(cè)器組件獲取的超短脈沖激光自相關(guān)曲線數(shù)據(jù)(或FROG模塊光譜數(shù)據(jù))，具備同步觸發(fā)控制、參數(shù)設(shè)置、與計(jì)算機(jī)通信等功能。

測(cè)試軟件及計(jì)算機(jī)組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)鍵盤操作、測(cè)試參數(shù)設(shè)置、觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析調(diào)用、測(cè)試結(jié)果顯示等功能。

飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀測(cè)試軟件基于Visual C++系統(tǒng)開發(fā)，在計(jì)算機(jī)(上位機(jī))中運(yùn)行，通過USB或RS232數(shù)據(jù)線與控制盒(下位機(jī))連接，利用既定的通訊協(xié)議和函數(shù)接口與主機(jī)、控制盒進(jìn)行通訊，用于設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)、讀取并存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，以及對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等。

測(cè)試軟件具備測(cè)試參數(shù)設(shè)置、觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)分析調(diào)用、鍵盤操作、顯示等功能，能處理并顯示被測(cè)脈沖激光的自相關(guān)曲線(或脈沖波形曲線)、脈沖寬度值，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)將預(yù)存的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，得到脈沖寬度值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)。

飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀計(jì)算測(cè)試軟件原理框圖如圖6所示，流程圖如圖7所示。

圖6 飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀測(cè)試軟件原理框圖Fig.6 Software schematic diagram of femto-second laser pulse width and waveform measurement device

圖7 飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀測(cè)試軟件工作流程Fig.7 Software flow chart of femto-second laser pulse width and waveform measurement device

飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

1) 超短脈沖超寬光譜倍頻技術(shù)

采用自相關(guān)法及二次諧波頻率分辨快門法測(cè)量飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形，非線性晶體倍頻過程對(duì)脈沖寬度測(cè)量分辨率有著重要的影響。需選擇適當(dāng)?shù)谋额l晶體材料、相位匹配類型，優(yōu)化設(shè)計(jì)晶體厚度、切割角度等參數(shù)，提高脈沖寬度測(cè)試精度。

2) 高光譜分辨率和高時(shí)間分辨率FROG圖譜采集技術(shù)

FROG圖譜是精確重構(gòu)出飛秒激光信號(hào)脈沖波形的基礎(chǔ)，包括二次諧波信號(hào)強(qiáng)度隨延時(shí)時(shí)間和光譜兩個(gè)維度圖譜采集，需對(duì)FROG模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率和高時(shí)間分辨率FROG圖譜采集。

3) 超短脈沖自相關(guān)波形及激光脈沖波形重構(gòu)技術(shù)

飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀具備非共線、共線2種工作模式測(cè)試功能，在準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)激光脈沖強(qiáng)度自相關(guān)曲線和干涉自相關(guān)曲線后，根據(jù)脈沖波形、自相關(guān)曲線波形才能得到待測(cè)激光脈沖寬度。需針對(duì)非共線、共線2種工作模式，對(duì)超短脈沖自相關(guān)曲線及FROG圖譜進(jìn)行反演重構(gòu)，獲取待測(cè)激光脈沖波形、脈沖寬度。

4) 超短激光脈沖寬度測(cè)試儀標(biāo)定及溯源技術(shù)

為保證超短激光脈沖寬度測(cè)試儀的脈沖寬度測(cè)試精度，必須對(duì)超短激光脈沖寬度測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定，主要涉及光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度、掃描延遲時(shí)間、相對(duì)光譜功率等標(biāo)定及溯源。

4 結(jié)論

飛秒激光時(shí)域參數(shù)是飛秒激光器及其應(yīng)用最重要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)參數(shù)之一。國(guó)內(nèi)外飛秒激光脈沖寬度、脈沖波形主要有自相關(guān)法、頻率分辨光學(xué)快門法、光譜相位相干直接電場(chǎng)重構(gòu)法等，自相關(guān)法具有脈寬測(cè)量范圍廣、脈寬測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但不具備脈沖波形測(cè)試能力，為滿足大量程范圍飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形的測(cè)試需求，同時(shí)采用自相關(guān)法及二次諧波頻率分辨光學(xué)開關(guān)法研制飛秒激光脈沖寬度和脈沖波形測(cè)試儀，需解決超短脈沖超寬光譜倍頻技術(shù)、高光譜分辨率和高時(shí)間分辨率FROG圖譜采集技術(shù)、超短脈沖自相關(guān)波形及激光脈沖波形重構(gòu)技術(shù)、超短激光脈沖寬度測(cè)試儀標(biāo)定及溯源技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。