自相关仪原理简介

自相关仪原理简介

脉冲宽度是脉冲激光器的重要性能指标，利用扫描自相仪可以测量ps和fs的脉冲宽度。随着激光器的问世脉冲激光器由于峰值功率高而获得广泛的应用，目前在化学反应动力学、非线性光学、光语分析、激光加工、激光测距等科技领域都采用脉冲激光器作为光源。脉冲激光器的脉冲

宽度已从毫秒和纳秒提高到皮秒和飞秒。

关于脉冲激光器脉冲宽度的定义，对于单纵模输出，其脉冲宽度定义为脉冲高度50%的全脉冲宽度（FWHM）；对于多模输出，其脉冲宽度为最佳拟合包络脉冲的FWHM。对于一般脉冲激光器，通

常可以利用一台带宽大于350MHz的示波器，和快速光电二极管（升降时间小于1ns）进行测量。对于ps和fs脉冲激光器，则只能使用条纹相机，或扫描自相关仪进行测量。扫描自相关仪是近十多年来发

展的专门用于测量脉冲宽度的新型仪器，具有高分辫率、高灵敏度和使用方便等优点。目前已出现多

种型号的自相关仪可用于探测超短光学脉冲的瞬时宽度，提供最佳的灵敏度和分辫率，适于测量锁

模染料或蓝宝石激光器的fs脉冲和脉冲半导体激光器或Nd-YAG/YLF激光器的ps脉冲。

利用测量激光的脉冲宽度，整套系统应包括光学系统和用于控制与显示的计算机系统。自

相关仪的光学系统类似于迈克尔逊干涉仪的结构，可以有两种形式共线的和非共线的，如图所示。图中入射光脉冲经分束片分为两束光，然后分别经两棱镜反射后再次共轴输出，即为共线型。

By guruntech

显然，调节棱镜的位置可以使两束光分别有不同的光程，连续改变棱镜的位置可以形成一个脉冲序列对另一脉冲序列的扫描，形成相关函数的波形。选择倍频晶体的方向使输入光E(t)和E(t-τ)一两束

光的波矢量都稍偏离相位匹配方向，因而在单独入射时不产生二次谐波，当两束光同时入射时因合成

矢量满足相位匹配条件则产生二次信频其信号与两束光强的乘积有关，由于倍频光信号仅与两束

光强度的乘积项有关：

因此所产生的二次谐波，由光电倍增管接收并予记录。图所示则是目前应用比较广泛的非共线相

关测法，其中两光束通过透镜聚焦于晶体上，其二次谐波通过滤光片和调节光阑为光电倍增管接收

并予记录。非共线相关测量法能消除背景光，可以达到较高的测量精度。

由此可知，利用光脉冲强度相关法测量脉冲宽度，实质上就是把时间的测量转换成长度的测量，

把光脉冲形状的测量转换成相关函数是S（τ）动波形的测量，其半宽度的时间间隔即为脉冲宽度。而自相关仪的光学结构则主要由分束片、延迟器、晶体、滤光片和光电倍增管等组成，其中分束片、晶体、滤光片和光电倍增管主要根据入射激光脉冲和二次谐波波长的匹配来选择。而延迟器则可以采用不同

的光学结构，它们可以是平移直角棱镜、转动反射镜和转动玻璃平板等，这在下面的实例中可以看出

它们的具体结构。

根据激光脉冲宽度的定义，如果将自相关仪接入示波器，在屏幕上显示出自相关曲线的波形，按

设定的示波器时间基a，由其半宽度的格值可以读出其半宽度格值（X），而其实时值则必须考虑定标因子（T/t）（psec/msec），即X（T/t），这里为延迟时间t为扫描时间，T/t对于不同类型的仪器是不同的，参见具体仪器的说明书。最后，实际的脉冲宽度还要考虑激光脉冲的波形系数高斯型、双曲线正割型、单边指数型，其变换系数分别为0.707、0.648、0.5。也就是说，如果是高斯型脉冲，则其实际脉冲宽度为X*（T/t）*a*0.707。上述测试控制和计算完全可以由计算机系统实现。