频域分辨光学开关

频域分辨光学开关是一种用于测量超短激光脉冲的通用方法,测量脉冲的时间尺度可从亚飞秒纳秒。测量超短脉冲在早先很难实现,这是因为一般来说,测量一个事件,需要一个更短时间尺度的事件作为参照。而超短激光脉冲实际上是当前人类所能创造的最短时间尺度的事件。因此,对于超短激光脉冲的测量,此前人们认为是不可能的。FROG作为解决这个问题的最早技术,由Rick Trebino与Dan Kane于1991年提出,其主要思想是通过测量脉冲的“自谱图”(即脉冲在非线性光学介质中对其自身进行开关操作,开关操作后的脉冲又将其自身反映在它形成的谱中)。因为该谱是两脉冲间延迟时间的函数,使用二维相提取算法从便可从脉冲的FROG记录中提取脉冲的相关信息。

FROG替代了原有的自相关方法而成为当前测量超短激光脉冲的标准技术。旧的自相关方法只能大致估计脉冲长度,而FROG是谱分辨的自相关,允许人们利用相提取算法得到精确的脉冲强度,相信息和时间,对于简单脉冲与复杂脉冲皆能使用。简单的FROG配置仅需要一些简单排列的光学组件。FROG与GRENOUILLE(法语的FROG)在学术界与工业界的实验室中得到了广泛的应用。

FROG编辑

1991年,Kane与Trebino引入了FROG,它是一种简单的谱分辨自相关技术,仅仅需要将光谱仪从自相关器件边移动到其后[1][2][3]

FROG需要脉冲对其自身进行开关操作,所要进行的测量是光谱与两束脉冲间的延时。通常,参照脉冲的自身参数是容易得到的(FROG技术),如果再使用XFROG技术与此参照脉冲,对未知脉冲也可实现开关操作。一般表达式为

 

其中信号场Esig(t, τ)作为时间与延迟时间的函数,通常的定义形式为Esig(t, τ)=E(t)Egate(t - τ)。FROG中,开关函数Egate(t - τ),是希望测得的输入的脉冲场E(t)的函数。当非线性光学过程为二次谐波(SHG)时,Egate(t - τ) = E(t);当使用极性开光(PG)时,Egate(t - τ) = |E(t)|2。在FROG中,Egate(t - τ)可为作用在参照脉冲上的任何已知脉冲函数。总的来说,Esig(t, τ)可为包含足够信息用于重构脉冲的时间与延迟时间的任意函数。

FROG和XFROG的(trace)被定义为脉冲的谱图(在FROG中,称为自谱图更为恰当)。它们通常能非常直观地描述脉冲。

理论上可以证明FROG方案优于自相关方法。令Esig(t, τ)为某一新信号场Esig(t, Ω)关于其频率Ω的一维傅立叶变换。容易证明(对下式中Ω进行积分,得到之前的方程)

 

找到Êsig(t,Ω)就足以决定脉冲场E(t)。这样,FROG的迹是Êsig(t,Ω)的二维傅立叶变换的模平方,这形似于一维相提取问题,只是情况换作二维。人们已经证明,二维的相提取问题,实质上与一维相提取有很大不同,本质上是适定的(适定性问题),简单的。存在可靠的迭代算法适用于寻找所希望的二维场Êsig(t,Ω)与E(t)。FROG的相提取问题是涉及到一般二维相提取算法,但略有不同,可以证明这种算法非常可靠,高效。除非脉冲形状特别复杂,一般笔记本上处理时间小于0.1秒。实际上,FROG已经成为一种对超短激光脉冲进行测量相当有效而灵活的手段,不论是由自由电子激光器产生的20fs的紫外(UV)脉冲,还是形状奇特的红外辐射(IR)。FROG已经可以轻松测量少周期飞秒脉冲,对设备进行一些改动便可用于测量阿秒脉冲[4][5]

FROG还有一个方便的特性,就是它能够产生对其测量进行确认的反馈。因为所测得FROG的迹的信息远多于决定脉冲本身所需要的信息,当测得的迹与提取的迹吻合时,测量可以任定为正确。反之,可推断设备有问题,或输入脉冲场的时域空域参数被破坏了,测量不可置信。由于超短脉冲测量非常困难,这种反馈是很重要的。

使用FROG可以测量光子数只有几百(这意味着存在随机相,相干性很差),时域带宽超过1000(原子单位),时域空域参数不断变化的超短激光脉冲。

参考资料编辑

  1. ^ Kane, D.J. and R. Trebino, Single-Shot Measurement of the Intensity and Phase of an Arbitrary Ultrashort Pulse By Using Frequency-Resolved Optical Gating. Opt. Lett., 1993. 18(10): p. 823-825.
  2. ^ Kane, D.J. and R. Trebino, Characterization of Arbitrary Femtosecond Pulses Using Frequency Resolved Optical Gating. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1993. 29(2): p. 571-579.
  3. ^ Trebino, R. and D.J. Kane, Using Phase Retrieval to Measure the Intensity and Phase of Ultrashort Pulses: Frequency-Resolved Optical Gating. J. Opt. Soc. Amer. A, 1993. 10(5): p. 1101-1111.
  4. ^ Mairesse, Y. and F. Quéré, Frequency-resolved optical gating for complete reconstruction of attosecond bursts. Phys Rev A, 2005. 71: p. 011401.
  5. ^ Sansone, G., E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, Attosecond metrology in the few-optical-cycle regime. New J. Phys., 2008. 10: p. 025006.