飞秒激光测量技术.5.22PPT课件

双曲正割脉冲 强度：I (t) sec h2 (t) 相关波形：
AI
(
)
3[
ch( ) sh3 (
sh(
)
)]
自相关波形的半宽度是
脉冲宽度的1.543 倍
结论
强度自相关虽能给出脉冲宽度，但 它不含有给出脉冲的位相、脉冲的 形状等信息。
干涉自相关
E1(t) E01(t)e[it1(t)]
自相关测量方法
实质是将时间的测量转化为空间的测量，基本的过程 是首先把入射光分为两束，让其中一束光通过一个延 迟线，然后再把这两束光合并，并借助倍频晶体或者 有双光子吸收效应的发光介质以产生二阶非线性效应。 均匀地改变相对延迟，即可得到强度变化的二阶相关 信号，及脉冲自相关结果。
根据工作方式的不同，脉冲自相关技术可分为强度自 相关和干涉自相关。
光强分布：
2
IFROG (, )
E(t)E(t ) exp(it)dt
三次谐波法
开光函数： g(t, ) E(t)E(t )
光强分布：
IFROG (, )
E(t)2 E(t ) exp(it)dt 2
脉宽为10飞秒的高斯脉冲
啁啾=0
啁啾=0.05
啁啾=-0.05
Sensitivity of FROG
{12
(t
)
2 2
(t)ei2[1 (t
)2
(t )]}dt
高斯脉冲
4ln 2t2
强度分布： I (t) 强度相关项：
e
A(
2 p
)
e
2
ln
2
2 p
2
干涉相关波形：
S
(
)
1
2ln
e
2
2 p
2
4e
3ln
2
2 p
2
cos(
)
2e
2
ln
2
2 p
2
cos(2 )
包络函数：
g
(
)
1
3e
2 ln
L 是相干长度
空间相干
当光源线度b不大时：
结果：可以分辨清楚明暗条纹。
当光源线度b比较大时： 结果：干涉条纹对比度下降，明暗条纹变得模糊。
瞬态光栅法
开光函数： g(t, ) E(t)1 E(t )*2 E(t)3
由于三束光是不可区分的，所以开关函数为：
g(t, ) E(t)2 E(t )*
光强分布：
IFROG (, )
E(t)3 E(t )* exp(it)dt 2
二次谐波法
开光函数： g(t, ) E(t )
自相关测量方法
频率分辨光学开关法（Frequency-Resolved Optical Gating，简称FORG）
自参考光谱位相相干电场重建法（Selfreferencing Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Reconstruction，简称 SPIDER）
脉冲迭代算法
两个约束条件
一是干涉产生信号光Esig (t, )表示为：
Esig (t, ) KE(t)g(t )
二是Esig (t, )的傅里叶变换后 IFROG (, )：
2
IFROG (, ) Esig (t, ) exp(i)dt
光开关函数
偏振光开关法 自衍射光开关法 瞬态光栅法 二次谐波法 三次谐波法
偏振光开关法
开光函数：
g(t, ) E(t ) 2
光强分布：
IFROG (, )
E(t) E(t ) 2 exp(it)dt 2
自衍射光开关法
开光函数： g(t, ) E(t)E(t )*
光强分布：
IFROG (, )
E(t)2 E(t )* exp(it)dt 2
有啁啾的脉冲宽度为10飞秒的 高斯脉冲的自相关波形
有啁啾的脉冲宽度为10飞秒的 高斯脉冲的自相关波形的包络
总结
干涉自相关波形不仅可以表达脉冲宽度的信 息，而且可以反映出脉冲的啁啾信息。
但是不能表达脉冲的相位信息。
频率分辨光学开关法（FORG）
频率分辨光学开关法是在自相关法的基础上 引入了迭代算法，通过对自相关信号进行迭 代运算，能够给出有关飞秒脉冲的电场形状、 光谱结构、光谱带宽、脉冲宽度、位相等比 较详细的信息。
两个入射光束电场：
E2 (t) E0 2 (t)e[it2 (t)]
一束延迟： E1(t ) E01(t )e[i(t )1(t )]
2
相干叠加的光强： I ( ) [E1(t ) E2 (t)] dt
经过倍频晶体，相关信号：
S( )
{[
E1
(t
)
E2
(t
2
)] }2
dt
倍频自相关信号：
S( ) A( ) Re{4B( )eit} Re{2C( )ei2t}
其中：
A( ) E04
[14
(t
)
4 2
(t
)
412
(t
)
2 2
(t
)]dt
B( ) E04
{1 (t
)
2
(t )[12
(t
)
2 2
(t )]ei[1
(t
)2
(t )]}dt
C( ) E04
2
2 p
2
4e
3
ln
2
2 p
2
可知脉冲宽度 p
具有啁啾的高斯脉冲
电场分布：
E(t)
e
4
ln
2t
2 p
2
(1ia )
干涉相关波形：
S( )
4ln 2 2
1 2e
2 p
ln 2(a2 3) 2
e
2 p
cos( 2 ln 2a 2 ) cos( )
2 p
e
4
ln
2(1
2 p
a2
)
2
cos(2 )
两波列的光程差较小，小于波列长度
原因：能参与产生相干叠加的波列长度减小。 结果：若是明文，则明纹不亮；若是暗纹，暗纹
不暗。
两波列的光程差较大，大于波列长度
原因：波列不能在P点叠加产生干涉。 结果：高干涉条纹看不清或消失。
小结
两波列要产生光的干涉，其光程差 需要满足：
L
L ct
t 是相干时间
自参考光谱位相相干电场重建法 （SPIDER）
SPIDER是基于光谱相干法测相位的原理的一种方法。
时间相干 空间相干 光谱相干
时间相干
原子一次发光所持续的时间来确定光的相干 性问题——原子发光时间越长，观察到清楚 的干涉条纹就越多，时间相干性就越好。
两波列的光程差为零
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原因：能参与产生相干叠加的波列长度最长。 结果：产生干涉。
强度自相关
强度自相关公式：
G（）= I(t)I(t- )dt -
其中，I(t)和I(t-τ)分别为两束光的光强，τ为其中一束光 的时间延迟。
高斯脉冲 强度： I (t)
e
4
ln
2
2 p
t
2
其中， p是脉冲宽度
相关波形：
G(
)
e
2
ln
2
2 p
2
自相关波形的半宽度是 脉冲宽度的 2 倍