频域分辨光学开关

✍ dations ◷ 2025-09-13 02:55:01 #非线性光学,激光,光学计量

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到纳秒。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。

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 。

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

I X F R O G ( ω , τ ) = | E s i g ( t , τ ) e i ω t d t | 2 {\displaystyle I_{XFROG}(\omega ,\tau )=\left|\int _{-\infty }^{\infty }E_{sig}(t,\tau )e^{-i\omega t}dt\right|^{2}}

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的迹(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)

I X F R O G ( ω , τ ) = | E ^ s i g ( t , Ω ) e i Ω τ d τ d Ω | 2 {\displaystyle I_{XFROG}(\omega ,\tau )=\left|\int _{-\infty }^{\infty }\int _{-\infty }^{\infty }{\widehat {E}}_{sig}(t,\Omega )e^{-i\Omega \tau }d\tau d\Omega \right|^{2}}

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。

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。

相关

  • 智能设计论智能设计论(英语:Intelligent design,简称智设论、ID)是对神的存在的宗教性逻辑论证。尽管支持者认为智能设计论是一个“关于生命起源的科学理论”,但其已遭主流科学界视为伪科学
  • 基因铭印基因铭印(英语:Genomic imprinting)又译遗传印记或遗传铭印(genetic imprinting)是一种遗传学现象,指只有来自特定亲代的基因得以表达,而不遵从孟德尔定律依靠单亲传递某些遗传学性
  • 汗疱疹汗疱疹(英语:Dyshidrosis)是一种湿疹类的皮肤病,症状为患者手或脚上长出小水泡。它是急性、难以根治的皮肤病,且容易反复发作。汗疱疹好发于手指、手掌和脚底,忽然发病之时常伴随
  • 有机食物有机食品指的是由符合有机农场标准的机构生产的食品。在世界范围内,有机农场标准不一,但一般来说,有机农场致力于对资源的循环再利用,追求生态平衡,以及对生物多样性的保护。在有
  • 马镫镫是一个平底的环形物,用皮带固定,悬挂于骑乘动物(主要是马,也包括骡等马科动物)上鞍的两边,供骑者放置双脚,也可以辅助骑者上下。有了镫,骑者更容易在鞍上坐稳,也更容易控制马匹,从而
  • 南苏拉威西南苏拉威西省(印尼语:Provinsi Sulawesi Selatan,简称为Sulsel)简称南苏省,是印度尼西亚苏拉威西岛南半岛上的一个省,萨拉亚尔群岛也是南苏拉威西省的一部分。2010年普查南苏拉威
  • 清卷舌颤音清卷舌颤音是一个辅音,国际音标(IPA)写作⟨ɽ̊r̥⟩。该音在迪维西语中作为/ʂ/的同位异音使用。虽然此卷舌音由舌下(sub-apical)的位置开始,但在颤动时会使舌尖逐渐移动到牙槽嵴
  • 血汗症血汗症(Hematidrosis)也称为血汗(blood sweat)是流汗时汗液中会带有血液的罕见疾病。血汗症的原文源自古希腊语 (αἷμα/αἵματος,意思是血)及(ἱδρώς,意思是汗)。血汗一
  • 千岛海沟千岛海沟(俄语:Курило-Камчатский жёлоб),又称库里尔-堪察加海沟或千岛-堪察加海沟,是在太平洋千岛群岛东南侧的一个海沟,最深处深达10,542米。太平洋板块潜
  • 冰砾阜冰砾阜(英语:kame)是指由于冰川消融后冰面上的沉积物沉落到底床上堆积而成的一种圆形的或不规则的小丘。通常由具有层次的粉砂、细沙组成,表面有冰碛物覆盖。