超短脈沖激光時(shí)域參數(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

鄧玉強(qiáng)

（中國計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)所，北京 100029）

0 引言

超短脈沖激光具有極短的持續(xù)時(shí)間、極高的峰值功率和極寬的光譜寬度，在超快信號(hào)產(chǎn)生和探測(cè)、超精細(xì)微納加工、非線性光學(xué)、超精細(xì)激光光譜學(xué)、激光約束核聚變等眾多領(lǐng)域具有獨(dú)特且不可替代的應(yīng)用價(jià)值［1］。超短脈沖激光作為一種有力工具，在計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域也引發(fā)了重要變革。經(jīng)過重復(fù)頻率鎖定和載波-包絡(luò)相位鎖定的飛秒脈沖序列提供了一系列高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，可用于時(shí)間頻率計(jì)量和激光波長(zhǎng)測(cè)量［2］；飛秒光學(xué)頻率梳在絕對(duì)長(zhǎng)度計(jì)量和位移測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮了重要應(yīng)用［3］；以飛秒激光作為泵浦源和探測(cè)源是實(shí)現(xiàn)太赫茲產(chǎn)生和探測(cè)的重要途徑［4］，超短脈沖激光在太赫茲時(shí)域光譜計(jì)量方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用［5-6］；飛秒光學(xué)頻率梳經(jīng)頻率下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生太赫茲頻率梳，可作為太赫茲頻率精準(zhǔn)測(cè)量的工具［7］；利用飛秒脈沖激光激發(fā)超快光電探測(cè)器或超快光電導(dǎo)天線產(chǎn)生超快電脈沖，是實(shí)現(xiàn)超快電脈沖時(shí)間特性計(jì)量和探測(cè)器頻率響應(yīng)及高速示波器計(jì)量的重要手段［8］。

超短脈沖時(shí)域波形和脈沖寬度是超快光學(xué)計(jì)量的重要參數(shù)。超短脈沖激光時(shí)域測(cè)量引起了科研人員的重視和關(guān)注，新的測(cè)量技術(shù)不斷涌現(xiàn)。國際上先后產(chǎn)生了自相關(guān)法［9］、光學(xué)頻率開關(guān)法（FROG）［10］和 光 譜 相 位 相 干 直 接 電 場(chǎng) 重 建 法（SPIDER）［11］等超短脈沖時(shí)域參數(shù)測(cè)量方法。自相關(guān)法因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，被廣泛應(yīng)用。但自相關(guān)法只能得出脈沖寬度信息，難以獲得脈沖時(shí)域波形信息。光學(xué)頻率開關(guān)法可以獲取脈沖時(shí)域和頻域的全部信息，但需要使用迭代算法對(duì)測(cè)量結(jié)果解析，存在迭代結(jié)果不收斂的風(fēng)險(xiǎn)。光譜相位相干直接電場(chǎng)重建法具有較復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)，但能較準(zhǔn)確地獲得脈沖光譜相位信息，從而重建脈沖時(shí)域波形。

為解決短脈沖激光時(shí)域參數(shù)計(jì)量溯源問題，開展了超短脈沖計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究，研制了光譜相位干涉測(cè)量?jī)x，利用光譜相位相干直接電場(chǎng)重建法測(cè)量超短脈沖波形和脈寬。光譜測(cè)量結(jié)果溯源到光譜輻射照度國家基準(zhǔn)，利用小波變換技術(shù)消除了傳統(tǒng)傅里葉變換技術(shù)濾波窗口引入的測(cè)量不確定性，實(shí)現(xiàn)了光譜相位的精準(zhǔn)測(cè)量和脈沖時(shí)域波形的準(zhǔn)確重建。研制了超短脈沖自相關(guān)儀，測(cè)量結(jié)果溯源到光譜相位干涉測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了自相關(guān)儀的量值溯源。

1 光譜相位干涉測(cè)量?jī)x研制與相位還原

光譜相位相干直接電場(chǎng)重建法將入射的飛秒脈沖復(fù)制為兩個(gè)具有微小時(shí)間延遲和微小頻率間隔的復(fù)制脈沖，這兩個(gè)脈沖在光譜儀中干涉，脈沖的相位可以從干涉條紋中攝取［11］。根據(jù)光譜相位相干直接電場(chǎng)重建法原理，研制了飛秒脈沖光譜相位干涉測(cè)量?jī)x，其光路圖如圖1所示［12］。

圖1 光譜相位干涉測(cè)量?jī)x光路示意圖Fig.1 Schematic diagram of spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction

飛秒激光經(jīng)光闌A1入射到光譜相位干涉測(cè)量?jī)x，經(jīng)分束鏡BS1分為兩束。透過分束鏡BS1的激光入射到100 mm長(zhǎng)的SF10色散介質(zhì)中，透過SF10色散介質(zhì)后經(jīng)脊型反射鏡RM1反射，再次經(jīng)過SF10色散介質(zhì)，展寬為皮秒脈沖，經(jīng)反射鏡M2反射后入射到拋物面鏡PM上。經(jīng)分束鏡BS1反射的飛秒脈沖經(jīng)反射鏡M3和M4反射后，入射到改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀上。改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀由分束鏡BS2和BS3以及脊型反射鏡RM2和RM3組成。飛秒激光經(jīng)過改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀后，被復(fù)制成具有微小時(shí)間延遲的兩個(gè)脈沖，經(jīng)反射鏡M5反射后入射到拋物面鏡PM上。入射到拋物面鏡PM上的皮秒展寬脈沖和具有微小時(shí)間延遲的兩個(gè)飛秒脈沖串方向相互平行，在垂直方向具有微小的位移，經(jīng)離軸拋物面鏡PM聚焦后入射到和頻晶體BBO上。兩束激光在BBO晶體中發(fā)生自倍頻、和頻、干涉。具有微小時(shí)間延遲的兩個(gè)飛秒脈沖分別與皮秒啁啾脈沖不同頻率成分的光譜發(fā)生和頻，形成頻率上轉(zhuǎn)換的兩個(gè)和頻光，這兩個(gè)和頻光在頻域干涉，即為測(cè)量的脈沖光譜剪切干涉信號(hào)。兩個(gè)和頻信號(hào)在頻域中的間隔為光譜剪切量［11-13］。兩束飛秒脈沖在非線性光學(xué)晶體BBO中分別產(chǎn)生自倍頻，兩個(gè)自倍頻光在頻域發(fā)生干涉，可作為參考光譜干涉信號(hào)消除還原光譜相位的一階項(xiàng)。

光譜相位干涉測(cè)量?jī)x實(shí)物如圖2所示，其光譜測(cè)量范圍為650~1150 nm，脈沖寬度測(cè)量范圍為10~500 fs，脈寬測(cè)量分辨力為0.2 fs，測(cè)量擴(kuò)展不確定度為Urel=8%（k=2）。

圖2 光譜相位干涉測(cè)量?jī)xFig.2 Setup of spectral phase interferometry for direct electricfield reconstruction

利用光譜相位干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量得到的脈沖光譜相位剪切干涉如圖3所示。傳統(tǒng)的光譜相位還原采用傅里葉變換濾波技術(shù)，不同寬度的濾波窗口包含的噪聲成分不同，產(chǎn)生了相位還原的不確定性［13］。利用小波變換還原相位，在小波變換強(qiáng)度圖的極大值處選取相位信息，獲得了確定的脈沖頻域相位，消除了濾波窗口寬度的影響，故重建的脈沖時(shí)域波形是確定的［14］。

圖3 脈沖光譜剪切干涉測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measured spectral shearing interferogram

對(duì)脈沖光譜剪切干涉作小波變換的結(jié)果如圖4所示，從小波變換的強(qiáng)度圖處選取每一頻率處的極大值，然后在相位圖中相應(yīng)位置讀取相位，即可獲得脈沖光譜剪切相位［13-14］。

圖4 光譜剪切干涉的小波變換結(jié)果Fig.4 Wavelet-transform of spectral shearing interferogram

利用同樣的方法，對(duì)參考光譜剪切干涉作小波變換，提取參考光譜剪切相位；接著將脈沖光譜剪切干涉相位與參考光譜剪切干涉相位相減，獲取光譜剪切干涉相位差；然后用積分方法對(duì)光譜剪切相位差積分還原，再除以光譜剪切量；最后將包裹的相位展寬，即可獲得被測(cè)飛秒脈沖激光的光譜相位，如圖5（a）所示。

圖5 測(cè)量的飛秒脈沖光譜相位和重建的脈沖波形Fig.5 Retrieved femtosecond pulse spectral phase and reconstructed pulse waveform

飛秒脈沖的光譜通過光譜儀測(cè)量，光譜儀可溯源到光譜輻射照度國家基準(zhǔn)。根據(jù)飛秒脈沖光譜和光譜相位，利用傅里葉反變換算法，可重建得出飛秒脈沖時(shí)域波形，結(jié)果如圖5（b）所示。從飛秒脈沖波形中，可獲得脈沖時(shí)域?qū)挾刃畔?，脈沖時(shí)域半高度處全寬度（FWHM）為18.2 fs。

2 自相關(guān)儀研制與超短脈沖激光測(cè)量

自相關(guān)法的測(cè)量原理為：將飛秒脈沖激光分為兩束，對(duì)其中一束激光施加可變延遲，使兩束激光相互掃描，通過和頻晶體獲得飛秒脈沖激光的自相關(guān)信號(hào)。從自相關(guān)信號(hào)中可獲取脈沖的自相關(guān)寬度。通過假設(shè)脈沖波形，可獲得脈沖時(shí)域?qū)挾取１M管假設(shè)脈沖波形會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定影響，但因?yàn)樽韵嚓P(guān)法簡(jiǎn)單方便，仍被廣泛使用，成為目前最常用的超短脈沖測(cè)量方法。

為實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖激光自相關(guān)測(cè)量，研制了一種大量程自相關(guān)儀，如圖6所示。飛秒激光入射到自相關(guān)儀，經(jīng)反射鏡反射到分束鏡后分為兩束。分束的兩束激光分別由兩個(gè)脊型反射鏡反射，在另一片分束鏡上合為一束，照射到拋物面鏡上，最后入射到雙光子探測(cè)器上。雙光子探測(cè)器兼具和頻晶體加探測(cè)器的功能。其中一個(gè)脊型反射鏡安裝在電控位移平臺(tái)上，電控位移平臺(tái)行程為50 mm，對(duì)應(yīng)的掃描實(shí)驗(yàn)延遲為166 ps，因此自相關(guān)儀可測(cè)量的自相關(guān)寬度范圍達(dá)55 ps。

圖6 大量程自相關(guān)儀Fig.6 Autocorrelator with large measurement range

移動(dòng)電控位移平臺(tái)，采集雙光子探測(cè)器探測(cè)的信號(hào)，即可獲得脈沖的自相關(guān)信號(hào)。自相關(guān)法可分為強(qiáng)度自相關(guān)和條紋分辨自相關(guān)兩種類型。調(diào)整電控位移平臺(tái)的掃描速度，可獲得強(qiáng)度自相關(guān)和條紋分辨自相關(guān)兩種結(jié)果。當(dāng)電控位移平臺(tái)的掃描速度遠(yuǎn)大于被測(cè)激光波長(zhǎng)與探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間之商時(shí)，測(cè)量結(jié)果為強(qiáng)度自相關(guān)；當(dāng)電控位移平臺(tái)的掃描速度遠(yuǎn)小于被測(cè)激光波長(zhǎng)與探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間之商時(shí)，測(cè)量結(jié)果為條紋分辨自相關(guān)。利用該自相關(guān)儀測(cè)量與圖3相同的飛秒脈沖，測(cè)量結(jié)果如圖7所示［15］。

圖7 測(cè)量的20 fs自相關(guān)結(jié)果Fig.7 Measured autocorrelation for a 20 fs laser pulses

根據(jù)飛秒脈沖光譜相位干涉儀的測(cè)量結(jié)果重建的脈沖波形可計(jì)算出脈沖的自相關(guān)信號(hào)，計(jì)算的自相關(guān)信號(hào)與圖7的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果精確吻合，驗(yàn)證了圖6的自相關(guān)儀測(cè)量的準(zhǔn)確性［12，15］。

采用條紋分辨自相關(guān)法測(cè)量脈寬較長(zhǎng)的脈沖時(shí)，需要較長(zhǎng)的掃描時(shí)間才能完成條紋分辨自相關(guān)的測(cè)量，且要求嚴(yán)格的光路準(zhǔn)直性和較高的脈沖穩(wěn)定性。圖8為利用圖6的自相關(guān)儀測(cè)量500 fs自相關(guān)寬度的測(cè)量結(jié)果。

圖8 測(cè)量的500 fs自相關(guān)結(jié)果Fig.8 Measured autocorrelation for a 500 fs laser pulses

3 自相關(guān)儀校準(zhǔn)規(guī)范制定與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建立

為了規(guī)范超短脈沖激光測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)方法，統(tǒng)一超短脈沖激光參數(shù)測(cè)量量值，保障超快光學(xué)研究、超短脈沖激光器研制及超短脈沖激光在各領(lǐng)域應(yīng)用中的量值準(zhǔn)確可靠，制定了超短脈沖激光測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)規(guī)范。

中國計(jì)量科學(xué)研究院制定了JJF 1493-2014《超短光脈沖自相關(guān)儀校準(zhǔn)規(guī)范》［16-17］。因?yàn)樽韵嚓P(guān)儀是目前最為常用的超短脈沖激光測(cè)量?jī)x器，所以制定的超短脈沖自相關(guān)儀校準(zhǔn)規(guī)范具有更廣泛的實(shí)用性。自相關(guān)儀的測(cè)量結(jié)果為自相關(guān)寬度，激光脈沖時(shí)域?qū)挾扔杉僭O(shè)脈沖時(shí)域波形獲得。為了降低假設(shè)脈沖波形引起的測(cè)量不確定度分量，JJF 1493-2014校準(zhǔn)規(guī)范將自相關(guān)寬度作為校準(zhǔn)項(xiàng)目，避免人為假設(shè)脈沖波形不適當(dāng)產(chǎn)生的測(cè)量不確定度。對(duì)于超短脈沖激光時(shí)域?qū)挾鹊臏y(cè)量，由使用者根據(jù)激光器特性或自身經(jīng)驗(yàn)選擇合適的反卷積因子［16］。

自相關(guān)儀校準(zhǔn)的量值溯源傳遞圖如圖9所示。標(biāo)準(zhǔn)自相關(guān)儀的測(cè)量結(jié)果溯源至光譜相位干涉測(cè)量?jī)x。根據(jù)光譜相位干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量的飛秒脈沖時(shí)域波形可獲得脈沖的自相關(guān)信號(hào)，對(duì)自相關(guān)儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。光譜相位干涉測(cè)量?jī)x所用的光譜儀溯源到光譜輻射照度國家基準(zhǔn)，同時(shí)保證光譜相位干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量光路中沒有引起附加相位，無改變被測(cè)脈沖波形的色散器件。標(biāo)準(zhǔn)自相關(guān)儀經(jīng)溯源校準(zhǔn)后，對(duì)被校自相關(guān)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，保障被校自相關(guān)儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

圖9 自相關(guān)儀校準(zhǔn)溯源傳遞框圖Fig.9 Block diagram of tracing and transferring for autocorrelator calibration

中國計(jì)量科學(xué)研究院建立了國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置：“超短光脈沖自相關(guān)儀校準(zhǔn)裝置”（［2017］國量標(biāo)計(jì)證字第318號(hào)）。受目前實(shí)驗(yàn)室超短脈沖光源的限制，“超短光脈沖自相關(guān)儀校準(zhǔn)裝置”的測(cè)量脈沖寬度范圍為15 fs~12 ps，測(cè)量擴(kuò)展不確定度為Urel=10%（k=2）。利用飛秒脈沖激光光譜相位干涉測(cè)量?jī)x對(duì)飛秒脈沖激光時(shí)域波形精確測(cè)量，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)自相關(guān)儀校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了被校自相關(guān)儀的量值傳遞。利用超短光脈沖自相關(guān)儀校準(zhǔn)裝置開展量值傳遞，保障了自相關(guān)儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

2022年發(fā)布了GB/T 41572-2022《脈沖激光時(shí)域主要參數(shù)測(cè)量方法》國家標(biāo)準(zhǔn)［18］，也對(duì)超短脈沖激光時(shí)域參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，為保障超短脈沖激光時(shí)域參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量提供了技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)論

介紹了研制超短脈沖激光計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的成果與進(jìn)展。根據(jù)光譜相位相干直接電場(chǎng)重建法研制了光譜相位干涉測(cè)量?jī)x，利用小波變換技術(shù)消除了傳統(tǒng)傅里葉變換濾波方法因不同寬度的濾波窗口產(chǎn)生的相位還原不確定性，實(shí)現(xiàn)了精確的相位還原和飛秒脈沖激光時(shí)域波形重建。將光譜相位干涉測(cè)量?jī)x所用的光譜儀溯源到光譜輻射照度國家基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了飛秒脈沖波形和脈沖寬度的量值溯源。研制了一種大量程的自相關(guān)儀，通過調(diào)整掃描速度實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度自相關(guān)和條紋分辨自相關(guān)的測(cè)量，測(cè)量范圍為10 fs~50 ps。自相關(guān)儀的測(cè)量結(jié)果溯源到光譜相位干涉測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了自相關(guān)儀的量值溯源。制定了超短光脈沖自相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范，并建立了“超短光脈沖自相關(guān)儀校準(zhǔn)裝置”國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，脈沖寬度范圍為15 fs~12 ps，測(cè)量擴(kuò)展不確定度為Urel=10%（k=2）。利用國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置開展自相關(guān)儀量值傳遞，保障了超快光學(xué)測(cè)量?jī)x器的量值準(zhǔn)確可靠。