第八讲超短脉冲强度测量
超短脉冲技术要点
I I t E2 t
E2 q
cos2
➢ 高带宽：光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级，脉宽 缩短，则带宽增加。100fs的脉冲宽度其带宽达到了10THz， 最短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分 可见光光谱区，看起来象白光一样。高带宽在光通信方面 非常重要。
➢ 高功率激光：激光器输出功率提升意味着体积的增加，也 意味着费用的增长，fs技术可以用中等输出能量的激光器产 生有极高峰值功率激光输出，目前已达到1015W量级的峰值 功率和1020W/cm2的光强。
属于非相干叠加，没有干涉项，为非同步辐射。
对于无规则变化的光场，讨论其瞬时光强I t 意义
不大，一般讨论其平均光强。
§3.1概论
▪ 光场的平均光强
I t E t 2 N Eq cos q t • N Eq cos q t
qN
qN
Eq2 cos2 q t 2 Eq Eq cos q t cos q t
2、纵模间隔非严格相等。
q
q c 2Lq
q c 2L0nq
q
q1 q
c 2L0
q 1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
nq1
q
1
nq
m
3、各纵模初始相位随机分布，q1 q const.
以上三点互相关联，由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布，
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏，
激光原理与技术
超短脉冲技术
1
§3.1概论
由图中可知，光子封闭在L中，L为谐振腔的几何长度， 则光子的空间测不准量为x L。 光子在谐振腔中往返振荡，其动量测不准量为
超短脉冲强度测量
超短脉冲激光特点
高峰值功率
超短脉冲激光具有极高的峰值功率，可产生强烈的电 场和磁场。
宽光谱范围
超短脉冲激光覆盖了从紫外到中红外等宽广的光谱范 围。
短脉冲宽度
超短脉冲激光的脉冲宽度通常在皮秒甚至飞秒量级， 具有极高的时间分辨率。
超短脉冲激光应用
科学研究
超短脉冲激光可用于物理、 化学、生物等领域的基础 研究，如高能物理、量子 计算、生物
国际上在超短脉冲强度测量领域的基础研究已经相当成熟，研究 团队在理论建模、实验验证等方面取得了重要突破。
应用研究
国际上在超短脉冲激光技术应用方面也取得了显著进展，广泛应用 于物理、化学、生物医学等领域。
技术水平
国际上超短脉冲强度测量技术水平处于领先地位，技术发展相对成 熟。
在实验过程中，我们记录了不同超短 脉冲的强度数据，包括脉冲宽度、峰 值功率、脉冲能量等。
实验误差分析
我们对实验数据进行了误差分析，包 括系统误差和随机误差，并计算了误 差范围。
结果分析
数据分析
我们对实验结果进行了统计分析，包括平均值、标准差等，并对数据分布进行了拟合。
结果对比
我们将实验结果与理论值进行了对比，发现实验结果与理论值基本一致，验证了实验的 准确性。
光束质量
超短脉冲激光具有较高的光束质量， 能够保证测量的准确性和稳定性。
峰值功率和能量
通过功率放大器对脉冲激光进行放大， 提高其峰值功率和能量，从而提高测 量精度和范围。
重复频率
脉冲发生器的重复频率决定了测量速 度和精度，高重复频率能够提高测量 效率。
06
超短脉冲强度测量实验结果与分析
实验结果
实验数据记录
04
超短脉冲强度测量技术发展现状
超短脉冲技术
E q ( t ) = E q c o s (ω q t + q )
q不是纵模序数
qc =νq 2L
而是腔内振荡纵模个数
①定义处于增益曲线中心频率的纵模q＝0，因此在腔内参与振 荡的模式个数共2N＋1个，
∵ ν q = c 2L ωq = 2π c 2L
∴ ωq = ω0 + qωq = ω0 + qω （各模间隔相同）
2L 1 t= 2N+1=5时，对于 tg ( ωt ) = 0 t=0 c 2 1 1 2L 2L tg[ (2 N + 1)ωt ] = 0 t = 0, 2 2N +1 c c 对于各极值点是否极大或极小，则用A”(t) 的值判定。 当A”(t) <0时，则A(t)在取得极大值。 当A”(t) >0时，则A(t)在取得极小值。 在0～ 2L/c周期内有2N+1个极值点，极值点在两零点之间 3 L 5 L L 2 N + 3 L 4N 1 L 2L t = 0, , , , 2N +1 c 2N +1 c c 2N +1 c 2N +1 c c
q q q q
c = ν 2L 2L
式中 ωq和 q分别是第q模的角频率和相位，Eq －第q模的电场振幅，q －激 光器内2N＋1个振荡模中第q个纵模数，而不是 qc νq = 纵模序数。 2L
π
1.激光器输出特性
①各振荡模的振幅和相位无规则分布
Eq ---中心频率处的振幅大，远离中心小，且它们之间变化
1 2L 2 2L 、 2N +1 c 2N +1 c
、
2L c
是一周期 t =
2 N 2L 2N +1 c
超短脉冲测试系统
FROG测试超短脉冲激光器前言由于电子元件响应速度只能达到纳秒量级，因此对于纳秒量级以下的测试是无能为力的。
然而，随着调Q技术与锁模技术的发展，以及业界对超短脉冲激光器的要求，超快激光的脉宽不断压缩，飞秒级别的激光器以及制作出来，而阿秒级别的激光器也在实验室研究当中。
如何测试飞秒级别的激光器，使用自相关技术是业界的标准。
然而，脉宽测试只是超短脉冲激光一方面的特性，涉及到相位，啁啾，脉冲波形等物理量的研究，需要使用到20世纪90年代发展起来的频率分辨光学开关方法（FROG）。
本文就FROG的测试做一个研究与探讨。
1）自相关技术自相关技术源自上世纪80年代。
一束脉冲激光可以表示成如下式：由于脉冲宽度很短，我们只能通过激光本身去测试它自己。
如何测试？自相关法是一个很直接的技术。
如下图所示，两束完全一样的光刚叠加时，就会从一开始有一点很低的强度，当它们完全重合时，强度将升至最大，然后接着将会慢慢下降至零。
假设脉冲底部宽度为T，整个过程实际上相遇的时间为2T。
如何测试这个时间，通过脉冲的移动。
自相关技术的核心部件一个是延时机构，另一个则是使两束激光相乘的倍频晶体。
以下是其中一款自相关仪的光路图，脉冲激光经过分束器分成两部分，一束通过固定光程光路，另一束通过可变光程的延时光束，两束激光会在倍频晶体（红色）出交会重合，通过测试产生的倍频信号直接测出脉冲宽度。
不同厂商的光路都相差不大，比较大差别就是延时机构不同，其中，美国Femtochrome公司采用的旋转平行镜比较有特色，免去了步进电机在机电方面的不可靠性，从而实现更优良的测试性能。
下图是实物光路图，可见其光路简单，调节方面只需要调整M3的方位，即可实现光束的移动，倍频晶体通过调整螺旋测微器即可实现倍频晶体倾斜角的调节。
由于其调试方便，维护简单，，其产品已被科研与产业界承认。
上图是自相关示波器的信号，其是一束高斯脉冲经过自相关仪后得到的信号，通过测试该信号的半高宽，乘以自相关因数和波形因子，即可得到脉冲信号的脉宽。
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
3.6.2 超短脉冲的测量
相关测量法
应用较广，间接测量。利用相关函数的测试，－测出的相关函数 曲线不是脉冲的实际宽度，要通过换算，才能得到脉宽的近似值。 (1)相关函数－2阶强度相关函数为 E 2 (t ) E 2 (t ) I (t ) I (t ) G 2 ( ) 2 4
I (t ) E (t )
2W2 K [1 2G (2) ( )]
2W2 E 4 (t )dt E 4 (t )dt――背景光 而
当移动全反棱镜时，则第二束光到达倍频晶体的时间在改变， S ( ) 在变 G( ) 1 3
22
频率分辨光学开关法
（Frog, frequency-resolved optical gating）
自参考光谱相位相干电场重 构法
（Spider, spectral phase interferometry for direct electricfield reconstruction）
E2 (t ) E t cos t 2
E2 (t ) K[E1 (t ) E2 (t )]2
光电探测器接收到的不是瞬时光强，而是积分强度。
S ( ) [ E2 (t )]2 dt
K [ E1 (t ) E2 (t )]4 dt
m 1 E(t ) Ac cos(ct m cos mt ) m Ac m Ac Ac cos ct cos[(c m )t ] cos[(c m )t ] 2 2 被动锁模：在腔中加染料（上能级寿命< 2L / c）
涨落理论： ①线性放大阶段 染料 增益未饱和 －频谱宽－窄 ②非线性吸收 强脉冲使染料饱和 ③非线性放大 锁模激光器的设计 1.标准具效应。 2.调制器的位置和尺寸。3.失谐 脉宽的测量 1.直接测量－条纹照相机 2.相关测量-- 强度相关测量（二阶相关函数） ①双光子荧光法 ②二次谐波法
超短脉冲测量技术
Ｆ Ｏ Ｅ Ｒ ＧＳ作原理是首先将入射光脉冲分为两束，其中一束作为探测光，另一束作为开关光，并将 开关 ． 光束引入一个 时间延迟 Ｔ这两个脉冲 以一定的偏振方 向和入射角在非线性介质巾相互作用，实现 频率上转 ，
换， 由这个过程形成光学开关或称 时间开关， 开关时间为脉冲 自身宽度量级，所形成的信 号场 再成像于 并 其
Ｉ 一 ． １ ２
企／ 勺 Ｒ Ｇ算法叶， ㈣ 止 １ ＦＯ Ｉ…√ 吃
计算出 Ｅ ｔ１ （）， ｌ 方法是 ３ 的。每次迭代后 ，口以得 Ｊ 。
到 蜓接 近频 、相 位 有 关 的 解 ， 见． ３ 图 。
Ｉｏ ＝二 ｅ（￣ｌ ‘ ｖ（ ｌ Ｒ ）』 ｏ （）ｐｉ ｔ ４ ｘ一） ａ ） ｄ
记录强度相 关曲线 ， 而不能提供脉冲 内任何相位或 啁啾变化的信息，不能给 出脉冲形状 的信息 。 ２ 世纪 在 Ｏ ９ Ｏ年代发展了一种 新的脉冲测量技术即频率分辨光栅 （ Ｒ Ｇ）技术【＿】 ＦＯ １ ，频率分辨光栅不仅能测量脉冲 ６
形状 ，而且 能提供光相位和频率啁啾沿脉冲变化的信息。Ｆ Ｏ Ｒ Ｇ算法是在普通 自相关算法的基础 上，测量 光谱分辨 的 自相关函数，即脉冲 的瞬时频率作为时间函数的二维谱图，并能同时得 出脉冲宽度、光谱 宽度 、 电场形状 、光谱形状 以及相应 的相位等信息的一种新型飞秒脉冲诊断技术。
维普资讯
电
子
工
程
重庆三峡学院 学报——Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ ＱＮ Ｈ Ｅ Ｏ Ｇ Ｓ Ｎ Ｖ Ｒ ＩＹ Ｏ Ｒ Ａ Ｆ Ｏ Ｇ ＩＧＴ Ｒ Ｅ Ｒ Ｅ ＩＥ ＳＴ Ｃ Ｇ Ｕ
２０ ０ ６年 第 ３期 第 ２ ２卷 ｏ ０ ６ ＶＬ ２ ２ ０ ｏ ２ ３
超短脉冲技术
荧光光谱
随时间的变化是它们无
规则叠加的结果，是一 种时间平均的统计值。
假设在激光工作物质
的净增益线宽内包含有N 个纵模，那么激光器输 出的光波电场是N个纵模 电场的和，即
N=11
（3.1-2)
（3.1-2)
式中，q＝0， 1， 2，…， N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q
垂直z的截面为xy平面。该截面内所产生的部分横模如图，标 记TEMmn 中的TEM代表电磁横波，m代表x方向的波节数，n代 表y方向的波节数。
图5.1-1
不同横模的光场强度
TEM TEM10 TEM00 00 TEM10
TEM20 TEM20
TEM30 TEM30
TEM40
TEM50
TEM21
TEM22
提示：利用倍角和半角公式
由(3.1-8) ～(3.1-10)式可知,2N+1个振荡的模经过锁相以后，总的
光场变为频率为ω0 的调幅波。振幅Ａ(t)是一随时间变化的周期函数，
光强Ｉ(t)正比Ａ２(t) ，也是时间的函数，光强受到调制。按傅里叶
分析，总光场由2N十1个纵模频率组成，因此激光输出脉冲是包括 2N十1个纵模的光波。 图3.1-3给出了7（N=3)个振荡模的输出光强
E(t)
E0
v 3 =3v 1 ,
v 2 =2v 1 ，
初相位无规 律
同频率的光波的初位相 1 、
2
、 3 彼此无关，如左图，
-E 0
I(t)
v2
v3
v1
由于破坏性的干涉叠加，所 形成的光波并没有一个地方
有很突出的加强。输出的光
3 E0 /2
Lecture超短脉冲的测量PPT课件
Beamsplitter
Input pulse
E(t–)
SHG Lens crystal Filter
Slow detector
Developed by J-C Diels
Diels and Rudolph,
Ultrashort Laser
Pulse Phenomena,
[E(t) E(t )]2 E(t ) E(t )
光电子技术精品课程
第10页/共11页
感谢您的观看！
光电子技术精品课程
第11页/共11页
Outlines
➢ Intensity Autocorrelation ➢ Single-shot autocorrelation ➢ Third-order Autocorrelation ➢ Intensity Cross-Correlation ➢ Interferometric Autocorrelation
Iaconis and Wa光lm电sl子ey技, J术Q精E品3课5,程501 (1999).
第9页/共11页
SPIDER apparatus
Delay Line
M
Input
BS
Delay
Line
BS
Michelson Interferometer
Focusing Lens
Lens
SHG
Filter
光电子技术精品课程
第2页/共11页
强度自相关器
Crossing beams in an SHG crystal, varying the delay between them, and measuring the second-harmonic (SH) pulse energy vs. delay yields the Intensity Autocorrelation:
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术超短脉冲激光技术（Ultrafast Laser Technology）是一种目前最具有前瞻性的新型激光技术，它主要应用于精密加工、光学通信、生物医学、能源科学等各个领域。
相较于传统的激光技术，超短脉冲激光技术具有更高的功率密度、更快的时间分辨率和更高的频率程度。
超短脉冲激光技术的产生主要是通过提供高峰值功率并将其压缩至几十或几百飞秒的时间尺度。
这种激光可以产生高达1激光焦耳（J）的脉冲能量和约500万瓦特（MW）的功率密度，之后只有十几个飞行透镜分离。
这种激光通常会产生光谱波长在750纳米至1550纳米之间的光脉冲。
由于超短脉冲激光技术的独特性质，它的应用领域十分广泛。
在材料科学方面，超短脉冲激光可以用于加工某些高强度和高温度材料。
例如，使用这种激光可以制造出更坚硬、更耐磨的表面，并可以制造出具有微米和亚微米级别的结构的高精度零部件。
另外，在化学研究领域中，超短脉冲激光技术可以帮助实现一些反应的速率控制和选择性，从而有助于新材料的开发和绿色化合物的制备。
超短脉冲激光技术在生物医学领域中的应用也十分广泛。
例如，在眼科行业中，使用这种激光可以进行准确的激光手术，帮助人们恢复视力。
而在生物科学方面，超短脉冲激光可以用于快速扫描对细胞内部分子进行成像，并帮助生物学家研究生物体如何发挥其生理作用。
总的来说，超短脉冲激光技术的发展，为我们的日常生活、工业生产、科学研究等各个领域都带来了巨大的贡献和影响。
在未来，超短脉冲激光技术的应用将更加广泛，同时也将为世界带来更多的科学和技术突破。
超短脉冲激光技术在精密加工领域应用超短脉冲激光技术在精密加工领域中的应用最为广泛和成熟。
精密加工的主要应用领域包括半导体、微电子、微机械、微流控芯片、纳米加工等领域。
超短脉冲激光技术在这些领域中的应用，主要表现在以下几个方面：1. 纳米级加工超短脉冲激光技术能够实现纳米级加工，尤其在光刻领域被广泛应用。
传统的光刻工艺主要通过紫外线光束照射在光刻胶上，进行光刻图形的制作。
超短光脉冲量计
超短光脉冲能量计一、任务利用单片机数据采集和处理，设计制作一台超短光脉冲能量计，能实时测量可见光波段、持续时间在微秒及纳秒量级的超短光脉冲能量。
二、要求1．基本要求（1）自制一个闪光灯，闪光频率约每分钟10-60次左右(可调)；（2）掌握光电转换的基本原理与技术，用光敏元件将光脉冲信号转换成电脉冲信号；（3）通过A/D转换，对上述电脉冲进行峰值保持与采样，用单片机采集并显示能量数据；（4）不需要定标，只要做到相对测量即可。
2．发挥部分（1）采用多路采样，能同时测量多路（例如四路）超短光脉冲能量。
（2）能测量的脉冲宽度达到皮秒（1012秒）量级。
三、评分标准设计报告项目主要内容分数系统方案方案描述15 电路与程序设计电路设计电路仿真10 测试方案与测试结果测试方案及测试条件测试结果完整性测试结果分析12激光谐振腔的设计及调节一：简介1988年Maker提出的三镜折叠腔成了LD泵浦固体激光器广泛采用的一种腔型[2]，结构如图1所示。
固体激光介质一端切成平面，镀双色膜，形成一个腔镜M1，另一端切成布氏角，凹面镜M2以一定的倾斜角θ放置，用以补偿由布氏面引入的像散，M3为输出耦合平面镜。
利用这种腔型，端面泵浦可获得较高的泵浦效率，且消除了腔内的任何标准具效应。
短臂（M1到M2）内特别是晶体内可获得很好的紧聚集，长臂（M2到M3）内适合放置各种锁模和调Q元件。
图1 典型的三镜折叠腔倾斜的凹面镜和布氏角切割的晶体都会引入像散，在实际的激光腔设计中，元件的像散是必须考虑的因素。
二、设计部分任务对LD泵浦Cr: LiSAF激光器的光腔进行设计。
Cr:LiSAF晶体长d=3mm，折射率n=1.41，一端布儒斯特角切割，凹面镜曲率半径R=100mm，激光波长λ=850nm。
设计时要考虑平行光斜入射凹面镜时沿子午面和沿弧矢面传播光束的反射矩阵是不同的，同时也要考虑晶体布氏面产生的像散。
设晶体至腔镜M2的距离为d1，腔镜M3至腔镜M2的距离为d2。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
The goal: measuring the intensity and phase vs. time (or frequency)
The ways:
The Spectrometer and Michelson Interferometer
Why measure an ultrashort laser pulse?
To determine the temporal resolution of an experiment using it.
To determine whether it can be made even shorter.
Linear or nonlinear medium
Photograph taken by Harold Edgerton, MIT
But then, to measure the strobe light pulse, you need a detector whose response time is even shorter.
And so on…
Intensity Intensity
Phase Phase
With a linear medium, we learn the medium’s absorption coefficient and refractive index vs.
E~out ()E~in ()exp[()L ikn()L]
Excitation to excited tateEmission
Excited state
Ground state
To use pulses of specific intensity and phase vs. time to control chemical reactions: “Coherent control.”
Such pulses have many applications in physics, chemistry, biology, and engineering. You can measure any event—as long as you’ve got a pulse that’s shorter. So how do you measure the pulse itself?
To understand pulse-shaping efforts for telecommunications, etc.
Because it’s there.
第八讲超短脉冲强度测量
As a molecule dissociates, its emission changes color (i.e., the phase changes), revealing much about the molecular dynamics, not available from the mere spectrum, or even the intensity vs. time.
第八讲超短脉冲强度测量
The Dilemma
In order to measure an event in time, you need a shorter one.
To study this event, you need a strobe light pulse that’s shorter.
Studying Media by Measuring the Intensity and Phase of Light Pulses
Measuring the intensity and phase of the pulses into and out of a medium tells us as much as possible about the linear and nonlinear effects in the medium.
You must use the pulse to measure itself. But that isn’t good enough. It’s only as short as the pulse. It’s not shorter.
Techniques based on using 第th八e讲p超u短ls脉e冲to强m度测ea量sure itself have not sufficed.
Scanning Autocorrelation
Single-shot autocorrelation
The Autocorrelation and Spectrum
E(t)
Third-order Autocorrelation
E(t–t)
Interferometric Autocorrelation
To better understand the lasers that emit them and to verify models of ultrashort pulse generation.
To better study media: the better we know the light in and light out, the better we know the medium we study with them.
So, now, how do yo第u八讲m超e短a脉s冲u强度re测量the shortest event?
Ultrashort laser pulses are the shortest technological events ever created by humans.
It’s routine to generate pulses shorter than 10-13 seconds in duration, and researchers have generated pulses only a few fs (10-15 s) long.