快速掃描頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)裝置測(cè)量超短激光脈沖*

文錦輝 胡婷 吳琴菲

(中山大學(xué)物理學(xué)院,廣州 510275)

1 引 言

超短激光脈沖在光化學(xué)、量子相干控制、顯微成像、光通信、微加工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用[1?4].頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法(frequency-resolved optical gating,FROG)是目前測(cè)量超短脈沖的主流方法之一[5?7],因?qū)嶒?yàn)裝置簡(jiǎn)單、適用范圍廣等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用.其中二次諧波頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法(SHG-FROG)[8?11]與其他利用三階非線性效應(yīng)的FROG系統(tǒng)相比靈敏度高出很多,因而用途最廣.現(xiàn)有 SHG-FROG 系統(tǒng)可分成 3 大類.1)標(biāo)準(zhǔn)SHG-FROG: 由強(qiáng)度自相關(guān)儀改裝而成,延遲線走一步拍攝一個(gè)一維自相關(guān)信號(hào)光譜,然后將這些光譜按延時(shí)順序整合成一個(gè)二維譜圖(稱為FROG跡線).其優(yōu)點(diǎn)是適用范圍最廣,靈敏度高,可測(cè)量不同波段、帶寬和脈寬的超短脈沖,尤其適用于各種高重復(fù)頻率的鎖模激光振蕩器; 缺點(diǎn)是測(cè)量速度較慢,FROG譜圖的陣列數(shù)越大拍攝時(shí)間越長(zhǎng).2)單發(fā)SHG-FROG[12,13]: 將脈沖光擴(kuò)束之后分成兩束并以特定角度用柱透鏡聚焦到倍頻晶體上,形成延時(shí)與空間坐標(biāo)的線性關(guān)系,用面陣相機(jī)可一次性獲得二維FROG跡線.由于不需要掃描延時(shí),因而測(cè)量速度很快; 缺點(diǎn)是靈敏度比標(biāo)準(zhǔn)SHG-FROG低約 2個(gè)數(shù)量級(jí),主要適用于重復(fù)率較低(1—1000 Hz)的脈沖放大器輸出的超短脈沖.3) GRENOUILLE (grating-eliminated no-nonsense observation of ultrafast incident laser light E-fields)[14,15]: 它實(shí)際上是一種特殊結(jié)構(gòu)的單發(fā)SHG-FROG,僅由5個(gè)元件組成,結(jié)構(gòu)緊湊且不需調(diào)整,選用厚晶體因而靈敏度高; 缺點(diǎn)是適用范圍較窄,每臺(tái)GRENOUILLE只能測(cè)量限定的帶寬、脈寬和波長(zhǎng)范圍內(nèi)的超短脈沖.

根據(jù)FROG脈沖重構(gòu)算法的原理,重構(gòu)出來(lái)的脈沖的強(qiáng)度包絡(luò)I(t)和相位曲線f(t)的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)與FROG跡線的陣列數(shù)N密切相關(guān),N越大則脈沖結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)將越清晰.如要準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜(包括色散大的)的脈沖,需要記錄大矩陣FROG跡線圖 (如 512×512,甚至 2048×2048).而隨著數(shù)字成像技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,數(shù)百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)像素的面陣電荷耦合器/金屬氧化物半導(dǎo)體(CCD/CMOS)相機(jī)日漸普及.例如目前 2048×2048 像素的面陣CCD相機(jī)的刷新速度可達(dá)10 fps以上;相同像素的CMOS相機(jī)速度可達(dá)90 fps以上.

單發(fā)SHG-FROG和GRENOUILLE能夠利用面陣相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝FROG譜圖,但其適用范圍相對(duì)較窄; 而標(biāo)準(zhǔn)SHG-FROG需拍攝很多幅一維譜圖然后整合處理,因而速度較慢.為此,本文參照國(guó)際上一些實(shí)時(shí)自相關(guān)方法[16?19],提出一種快速掃描FROG裝置,可在標(biāo)準(zhǔn)SHG-FROG上使用面陣相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝FROG譜圖.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

快速掃描FROG裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示.水平偏振的待測(cè)脈沖被分束片分成兩路傳播: 一路透過(guò)分束片后依次被一個(gè)直角反射鏡和一個(gè)反射鏡反射; 另一路被分束片反射后再經(jīng)安裝在音圈電機(jī)滑臺(tái)上的直角反射鏡反射.這兩束光保持平行傳播,隨后被凹面反射鏡聚焦到倍頻晶體上產(chǎn)生倍頻自相關(guān)信號(hào).自相關(guān)信號(hào)脈沖先由透鏡F1準(zhǔn)直為平行光束,再由潛望鏡將其偏振方向由垂直改為水平,然后被反射光柵在水平方向上將光譜展開(kāi),再由透鏡F2和掃描振鏡聚焦反射至面陣相機(jī)的感光面上.此外,信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)也分成兩路,一路被功率放大器放大后用于驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī),使其滑塊負(fù)載著直角反射鏡做快速的往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)兩路光束之間的延時(shí)掃描; 另一路則同步驅(qū)動(dòng)掃描振鏡做小角度上下擺動(dòng).于是自相關(guān)信號(hào)脈沖的光譜將按延時(shí)順序依次照射到面陣相機(jī)感光面的不同位置.而且可用該正弦信號(hào)觸發(fā)面陣相機(jī)在延遲掃描過(guò)程中持續(xù)曝光,即可拍攝到一幅完整的FROG跡線圖.信號(hào)發(fā)生器的掃描頻率一般設(shè)為1—100 Hz,即FROG 譜圖的拍攝時(shí)間可小于1 s,最短可達(dá)10 ms.而該裝置能夠測(cè)量的脈沖寬度范圍主要取決于所選用的音圈電機(jī)的最大行程.例如音圈電機(jī)的行程為25 mm,應(yīng)可測(cè)量脈寬從幾個(gè)fs到60 ps范圍內(nèi)的超短脈沖.

圖1 快速掃描 FROG 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Experimental setup of rapid-scanning FROG device.

為了獲得高質(zhì)量的FROG譜圖,需要對(duì)該裝置進(jìn)行一些優(yōu)化設(shè)置.

1)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出恒定振幅的正弦波形,這樣掃描振鏡反射的自相關(guān)光譜將重復(fù)掃射包括面陣相機(jī)感光面在內(nèi)的固定區(qū)域.為了提高相機(jī)感光面所對(duì)應(yīng)的延時(shí)掃描的線性度,建議選擇振鏡的掃描區(qū)域比相機(jī)感光面大3倍以上.而音圈電機(jī)的振幅決定了延時(shí)掃描的范圍,因此需根據(jù)被測(cè)量脈沖的寬度來(lái)設(shè)定延時(shí)掃描的范圍.可通過(guò)調(diào)節(jié)功率放大器的音量旋鈕改變音圈電機(jī)的振幅,從而設(shè)定延時(shí)掃描的量程.

2)信號(hào)發(fā)生器設(shè)定的正弦信號(hào)頻率必須低于面陣相機(jī)的幀率.在此基礎(chǔ)上,對(duì)于強(qiáng)度較弱的或者脈寬較長(zhǎng)的脈沖,因自相關(guān)信號(hào)較弱,應(yīng)設(shè)定較低的信號(hào)頻率使得自相關(guān)信號(hào)脈沖光譜在面陣相機(jī)上照射較長(zhǎng)時(shí)間從而充分曝光; 而對(duì)于較強(qiáng)的脈沖則可提高信號(hào)頻率使光譜信號(hào)快速掃過(guò)面陣相機(jī).這樣就不必采用衰減片來(lái)調(diào)節(jié)入射FROG裝置的待測(cè)脈沖強(qiáng)度,即可獲取高信噪比的FROG譜圖.本裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以先設(shè)定較大的延時(shí)掃描量程以便快速瀏覽FROG譜圖的全景及亮度分布情況,然后再設(shè)置合適的延時(shí)掃描量程和掃描頻率以便獲得盡可能多的有效數(shù)據(jù)量及較高的圖像對(duì)比度,這將有助于提高脈沖重構(gòu)的精確度.

3)實(shí)際上在信號(hào)發(fā)生器正弦信號(hào)的正半周期和負(fù)半周期內(nèi)各出現(xiàn)一次自相關(guān)信號(hào).由于音圈電機(jī)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)存在相位滯后問(wèn)題,因而這兩個(gè)自相關(guān)信號(hào)的FROG譜圖很難在面陣相機(jī)感光面上完全重合.因此應(yīng)設(shè)定面陣相機(jī)只在其中的半個(gè)正弦周期進(jìn)行拍攝.另外,可將掃描振鏡安裝在手動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上以便調(diào)整振鏡的初始位置,使得掃描延時(shí)的0點(diǎn)剛好對(duì)應(yīng)相機(jī)感光面的中央,這將有助于拍攝到有效數(shù)據(jù)點(diǎn)盡量多的FROG譜圖.

4)合理選定聚焦透鏡F2的焦距,使掃描振鏡中心點(diǎn)對(duì)于面陣相機(jī)的張角 < 6°,以便將 FROG譜圖的延時(shí)誤差限制在1%以內(nèi).另外選擇適當(dāng)焦距的準(zhǔn)直透鏡F1,與聚焦透鏡F2配合,盡量將某一延時(shí)下的自相關(guān)脈沖光譜在面陣相機(jī)上的橫向尺寸縮小至1個(gè)像素左右,可減少不同延時(shí)的自相關(guān)脈沖光譜相互疊合.這意味著選擇像素較大的面陣相機(jī)會(huì)比較有利.

5) FROG譜圖的光譜和延時(shí)坐標(biāo)都需要校正.其中光譜校正方法已很成熟,在此不贅述.至于延時(shí)坐標(biāo)的校正,可根據(jù)不同的延時(shí)掃描量程定制5—8個(gè)厚度不同的透明聚酯薄膜或者玻璃薄片.將薄片插入測(cè)量光路的其中一臂可在兩臂之間產(chǎn)生附加光程差.這時(shí)面陣相機(jī)拍攝到的FROG譜圖將會(huì)在時(shí)間軸方向產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的平移量,由此可計(jì)算出延時(shí)的坐標(biāo)尺度.建議在同一掃描量程下插入多個(gè)不同厚度的薄片,擬合出光程差改變量與圖像平移量的線性關(guān)系,從而以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的延時(shí)定標(biāo).所有的延時(shí)掃描量程定標(biāo)后即可為以后的測(cè)量帶來(lái)便利.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該快速掃描FROG裝置的實(shí)用性,我們測(cè)量了一臺(tái)自制的自鎖模鈦寶石飛秒激光器輸出的脈沖(標(biāo)記為脈沖A)及其被一塊厚200 mm的BK7玻璃展寬而得到的啁啾脈沖(標(biāo)記為脈沖B).該鈦寶石飛秒激光器在5 W綠光泵浦條件下輸出脈沖的平均功率為500 mW,脈沖重復(fù)率為95 MHz,即單脈沖能量約為 5 nJ.另外脈沖的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為780—860 nm.脈沖的寬度通常在30—80 fs范圍內(nèi)改變,與脈沖中心波長(zhǎng)、脈沖帶寬以及用于色散補(bǔ)償?shù)氖⒗忡R對(duì)的調(diào)整狀態(tài)有關(guān).選用的BBO倍頻晶體厚度為30 μm,凹面反射鏡焦距為 5 cm,透鏡 F1和 F2的焦距分別為 30 cm和 12 cm,反射光柵的常數(shù)為每毫米 1200 線,閃耀波長(zhǎng)為 500 nm.另外選用行程 10 mm 的音圈電機(jī)(SMAC公司),光束直徑10 mm的單軸掃描振鏡 (Thorlabs公司),以及像素為 2736×2192 的面陣 CCD 相機(jī) (Point Grey 公司,像元 4.54 μm ×4.54 μm,幀率 13 fps).掃描振鏡至面陣相機(jī)的距離為9 cm.信號(hào)發(fā)生器正弦信號(hào)頻率設(shè)為4 Hz,振幅設(shè)為8 V.通過(guò)功率放大器可調(diào)節(jié)延時(shí)掃描的量程.

圖2 脈沖 A 和脈沖 B 的 FROG 跡線圖Fig.2.FROG traces of pulses A and B.

圖2(a)和圖2(b)為兩個(gè)待測(cè)脈沖在量程1的FROG跡線圖.可以看出在該量程下脈沖A在時(shí)間軸方向上的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)很少; 而脈沖B有效數(shù)據(jù)點(diǎn)足夠多,應(yīng)可準(zhǔn)確重構(gòu)脈沖的形狀.調(diào)節(jié)功率放大器改為掃描量程2,再拍攝脈沖A的FROG跡線圖(如圖2(c)),可得到較多的有效數(shù)據(jù)點(diǎn).采用兩片分別產(chǎn)生85 fs和260 fs附加延時(shí)的透明聚酯薄膜用于校正延時(shí),通過(guò)插入薄膜后FROG譜圖的相對(duì)位移來(lái)確定延時(shí)坐標(biāo)的比例系數(shù).可以看出拍攝到的幾個(gè)FROG譜圖都出現(xiàn)了少量橫條紋,經(jīng)分析是由音圈電機(jī)振動(dòng)引起,因而需先對(duì)譜圖做適當(dāng)?shù)钠交幚?然后才能進(jìn)行脈沖重構(gòu)運(yùn)算.考慮到運(yùn)算速度問(wèn)題,將圖2(b)和圖2(c)采樣為256×256矩陣,然后采用國(guó)際通用的FROG算法程序[20]重構(gòu)出兩個(gè)被測(cè)脈沖的結(jié)構(gòu),容許誤差設(shè)為0.5%.圖3和圖4分別是重構(gòu)出來(lái)的脈沖A和脈沖B在時(shí)域上的強(qiáng)度包絡(luò)和相位曲線,以及通過(guò)傅里葉變換得到的這兩個(gè)脈沖的光譜分布和光譜相位曲線.可知脈沖A和脈沖B的脈沖寬度分別為 58 fs和 492 fs,兩個(gè)脈沖的中心波長(zhǎng)為813 nm,帶寬 Dl=18 nm.說(shuō)明 200 mm 厚 BK7玻璃塊將飛秒激光器輸出的脈沖展寬了8.5倍.由于本次實(shí)驗(yàn)中飛秒激光脈沖的帶寬偏窄,因而被玻璃塊展寬的比例并不算大.由這兩個(gè)脈沖的光譜相位曲線分別算出它們的群延時(shí)色散(GDD)然后相減,可得到該 BK7 玻璃塊的 GDD=8740 fs2,與理論值8815 fs2比較接近,由此可推斷該裝置測(cè)量超短脈沖的準(zhǔn)確性.而實(shí)驗(yàn)上確實(shí)展示了通過(guò)改變?cè)撗b置的掃描量程來(lái)測(cè)量不同寬度的超短脈沖,并且選擇合適的掃描量程可以獲得足夠多的有效數(shù)據(jù)點(diǎn),有利于脈沖的準(zhǔn)確重構(gòu).因該裝置選用了行程 10 mm 的音圈電機(jī),應(yīng)可測(cè)量脈寬在 24 ps以內(nèi)的激光脈沖.

圖3 重構(gòu)出的脈沖A強(qiáng)度包絡(luò)和相位曲線Fig.3.Reconstructed intensity and phase curves of pulse A.

圖4 重構(gòu)出的脈沖 B 強(qiáng)度包絡(luò)和相位曲線Fig.4.Reconstructed intensity and phase curves of pulse B.

4 結(jié) 論

提出了一種快速掃描FROG裝置,它在標(biāo)準(zhǔn)SHG-FROG裝置上利用信號(hào)發(fā)生器輸出正弦信號(hào)同步驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)和掃描振鏡,從而利用面陣相機(jī)在半個(gè)正弦周期內(nèi)快速拍攝待測(cè)脈沖的FROG跡線圖.通常在 1 s內(nèi)可以拍攝到 2048×2048 以上的大矩陣.為了驗(yàn)證該裝置的實(shí)用性,我們測(cè)量了自鎖模鈦寶石激光器輸出的飛秒脈沖被200 mm厚BK7玻璃塊展寬前后的形狀變化,脈沖重構(gòu)的準(zhǔn)確性也得到證實(shí).要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度,宜利用具有位置編碼定位功能的音圈電機(jī),用于延時(shí)掃描的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及延時(shí)非線性的修正.另外,對(duì)于大矩陣FROG譜圖的脈沖重構(gòu),除了要快速拍攝FROG譜圖之外還需對(duì)通用FROG脈沖重構(gòu)算法做進(jìn)一步的優(yōu)化提速,才能快捷地獲得脈沖重構(gòu)的結(jié)果.相關(guān)研究工作正在進(jìn)行中.