采用二次自相关法测量超短激光脉冲宽度

基础和应用基础研究·强激光与加速器 173

3 零空腔单台阶靶

状态方程测量时需同时测得冲击波速度和粒子速度，必须采用台阶靶才能实现。这是“天光

一号”长脉冲KrF激光装置上第1次使用台阶靶。所有实验用靶均为实验室自己手工制作（图3）。

图4是单台阶靶的冲击发光信号，前端（右部）能分辨出台阶，即可分辨出时间差，就可计

算冲击波速度。从图中信号也能看出，台阶两端信号均不平整，分辨率差，需进一步提高精度。

图4 单台阶靶冲击发光信号

采用二次自相关法测量超短激光脉冲宽度

张 骥，王雷剑，张海峰，汤秀章

激光的脉冲宽度现已达到fs量级，已远快于传统电子学器件的响应时间。要测量超短脉冲的

时间宽度，不能采用传统的直接测量方法，而要采用自相关的方法进行测量。

目前实验室有1套超短激光装置，为测量它输出的脉冲宽度，搭建了1个基于二次强度自相

关的自相关仪。原理是将待测激光脉冲分成两束，分别经过精确调整延时后交叉进入二倍频晶体，两束脉冲的交叉部分便会产生二倍频光。二倍频光的空间尺度对应脉冲宽度的信息，改变某个脉

冲的延时便改变二倍频光的位置，用它可标定脉冲宽度和空间尺度的关系。

测到的1组二次强度自相关信号的空间分布示于图1。经拟合后得到的自相关曲线示于图2。

经拟合计算后得到超短系统输出的激光脉冲宽度为：91(1±10%) fs。

图1 二次强度自相关信号的空间分布

174 中国原子能科学研究院年报 2006

图2 经拟合后得到的自相关曲线

RF射频信号与飞秒激光脉冲的同步

戴 辉

同步辐射光源是继电光源、X光源和激光光源之后的为人类文明带来革命性推动的崭新光源，已广泛应用于材料、环境、生命科学等前沿研究。目前，国际上广泛使用的是第三代同步辐射加

速器驱动X光源，同时关于第四代先进光源的研究也已广泛开展。其中，能量循环直线加速器作

为下一代先进光源的候选驱动装置，相比前三代的储能环设计，更容易实现大功率能量输出，为

泵浦亮度更高，单色性更好，发散度更小，脉冲宽度更短的X射线自由电子激光提供了一个理想

的驱动器。

但是，用于产生X射线自由电子激光的能量循环直线加速器通常输出功率高达GeV，占地达

方圆几百平方米甚至几平方公里以上，由几十上百个分系统组成。各分系统间的协调与精确同步

是实现激光能量输出的一重要决定因素，皮秒级的时间抖动都会导致系统之间脱锁。为实现这样

一个大系统的精确时间同步，稳频飞秒激光器的激光脉冲通过光纤分发到各分系统，通过各分系

统中激光信号与激光信号的同步，以及激光信号和飞秒信号的同步，实现各分系统间的严格同步。实验验证了一种光电混合式的锁相环设计，这种锁相环设计结合了萨格纳克环和马赫-曾德干涉仪

的优点，从而简单而有效地避免了直接光电探测所带来的各种非线性效应，将压电振荡器输出的RF射频信号锁定在参考的飞秒激光信号之上。

因为光电直接测量的相位噪声受到半导体探测器自身的非线性效应限制。为避免这些非线性

效应，通常采用两个互为反向的振幅调节器，将激光信号分割成两束同时通过两个互为反向的振

幅调节器。当光信号和RF射频信号不同步时，两个振幅调节器的输出信号是不平衡的，从而可

输出一个反馈信号给压电振荡器来调节RF信号的频率适应激光信号。马赫-曾德干涉仪就是一种

典型的振幅调节器。与此同时，为避免机械振动和温度变化对马赫-曾德干涉仪的两臂产生影响，还引入了萨格纳克环状设计。实验系统中，采用了基于萨格纳克环状设计的马赫-曾德干涉仪构成

了同步装置的光电探测部分，有效地绕开了直接探测的非线性影响，将时域空间的信息转变成干

涉仪两臂输出光强的不均衡性，简单有效地得到了激光信号和RF射频信号间的相位差异信息，

结合锁相环设计，将这些信息作为负反馈信号输入压电振荡器中，调节振荡器输出的RF射频信

号频率，即可实现飞秒激光信号和RF射频信号的同步。

通过这种方法，实现了1.333 GHz RF射频信号和重复频率为83.3 MHz的掺钛蓝宝石飞秒激

光信号间的同步，测量采用了RS-230A频谱仪作为相位噪声的测量设备，分别测量了1.333 GHz RF射频信号无锁定条件和锁定条件下的单边带相位噪声，同时采用直接探测法测量了飞秒激光信

号83.3 MHz锁模状态下的相位噪声。通过比较发现，在10 kHz到1 MHz频谱之间，RF射频信