用于激光脈沖探測(cè)的超快激光脈沖激光長(zhǎng)波長(zhǎng)光路的設(shè)計(jì)

用于激光脈沖探測(cè)的超快激光脈沖激光長(zhǎng)波長(zhǎng)光路的設(shè)計(jì)

1shg-frog超快激光脈沖檢測(cè)系統(tǒng)由于阿秒脈沖激光的出現(xiàn)，人們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制原子規(guī)模的電子運(yùn)動(dòng)。隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展,目前超短強(qiáng)激光脈沖的工作波段已經(jīng)可以拓展到1.5μm乃至更長(zhǎng)的波段,例如基于10mJ/kHz鈦寶石激光器的光學(xué)參量放大(OPA)裝置,可以輸出載波包絡(luò)相位(CEP)穩(wěn)定的脈寬約50fs,中心波長(zhǎng)在1.2～2.4μm連續(xù)可調(diào)的紅外激光脈沖,其最大輸出單發(fā)能量可達(dá)1.5mJ本文將SHG-FROG測(cè)量技術(shù)拓展到紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)的工作波段,搭建了一套FROG測(cè)試設(shè)備,用于測(cè)量該波段超快激光脈沖的寬度和相位。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)分光光路進(jìn)行改進(jìn),避開(kāi)該波段介質(zhì)膜鍍膜的困難。同時(shí)可以提高FROG裝置的測(cè)量精度且使結(jié)構(gòu)更加緊湊。還介紹了改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的FROG裝置的定標(biāo)方法,對(duì)中心波長(zhǎng)為1.8μm的鈦寶石激光抽運(yùn)的OPA超快脈沖進(jìn)行測(cè)量,并采用廣義投影算法進(jìn)行反演計(jì)算,得到了可靠的脈沖寬度和相位信息。2兩路由光束異常交疊法FROG裝置如圖1所示。由中心波長(zhǎng)0.8μm,10mJ/kHz鈦寶石激光器(CoherentLEGEND-HE-Cryo)抽運(yùn)的OPA系統(tǒng)可以輸出CEP穩(wěn)定、中心波長(zhǎng)在1.2～2.4μm連續(xù)可調(diào)的紅外激光脈沖。實(shí)驗(yàn)測(cè)量0.8μm抽運(yùn)光的脈沖寬度為49.3fs。OPA輸出脈沖在中心波長(zhǎng)為1.8μm時(shí)最大單發(fā)輸出能量可達(dá)1.5mJ,光斑直徑大約為10mm。該光束經(jīng)過(guò)高低鏡架調(diào)整高度后,通過(guò)上下方向緊臨放置的兩個(gè)半圓形平面銀鏡進(jìn)行反射。兩個(gè)全反半圓鏡片可以獨(dú)立調(diào)節(jié),將入射光分成在垂直桌向小角度(大約3°)上下相互交叉的兩半圓形子光束。由于紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的寬帶高閾值介質(zhì)膜鍍膜較困難,該分光方法跟傳統(tǒng)的半透半反鏡相比可以避免分光鏡透射率不一致帶來(lái)的影響。同時(shí)保證FROG裝置在非線性晶體之前沒(méi)有透射元件,減小測(cè)試誤差。兩路子光束的延時(shí)調(diào)節(jié)很方便,基本上將兩個(gè)半圓鏡片對(duì)齊延時(shí)就接近零。而且該光路結(jié)構(gòu)緊湊,使整個(gè)FROG裝置可以安裝在一個(gè)20cm×30cm的光學(xué)平板上,在實(shí)驗(yàn)中使用非常方便。兩路子光束在非線性晶體中交疊進(jìn)行和頻。該FROG裝置采用BBO作為和頻晶體,厚度為100μm,切割角選為19°對(duì)應(yīng)1.8μm波段的倍頻匹配角。如果測(cè)量的帶寬為70nm(雙曲正割脈沖對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換極限約50fs),在該厚度下晶體有足夠的倍頻帶寬由于OPA系統(tǒng)的非共線角在水平方向上,其輸出脈沖在水平方向上可能存在較大的空間啁啾,而在豎直方向空間啁啾可以忽略。上述分光產(chǎn)生的兩路子光束在水平方向可以調(diào)節(jié)至完全重合,所以脈沖的空間啁啾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響可以忽略。3空間寬度和延遲方向FROG裝置的定標(biāo)包括圖譜中延時(shí)方向的定標(biāo)和光譜方向的定標(biāo)。延時(shí)方向即FROG圖譜縱向,兩路子光束之間的延時(shí)可以通過(guò)前后移動(dòng)雙半圓鏡的一個(gè)鏡片,觀察FROG圖譜在該方向上的移動(dòng)量來(lái)確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間延時(shí)。在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)一個(gè)半圓鏡片移動(dòng)10μm時(shí),對(duì)應(yīng)的子光束延遲了66.7μm。圖譜在縱向移動(dòng)了108pixel。則在每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的延時(shí)Δτ=0.62fs。FROG圖譜的橫向即光譜方向可以采用傳統(tǒng)光譜的方法例如用鎢燈進(jìn)行定標(biāo),但是這種方法定標(biāo)后光路不能再作調(diào)整,在實(shí)驗(yàn)中使用很不方便。由于FROG圖譜在延時(shí)方向積分對(duì)應(yīng)了基頻光譜的卷積,也正比于倍頻光譜在FROG圖譜中,測(cè)量50fs的脈沖所需要的延時(shí)寬度可以估計(jì)為200fs,對(duì)應(yīng)約320pixel。所用的CCD每個(gè)像素大小為4.4μm,對(duì)應(yīng)縱向的空間寬度約為1.4mm。由于FROG裝置中采用4f成像結(jié)構(gòu),在BBO晶體的豎直方向上兩束子光束只需交疊1.4mm就可以滿足測(cè)量的延時(shí)寬度要求。對(duì)于小角度共線結(jié)構(gòu)的OPA系統(tǒng),其輸出脈沖具有較好的光束質(zhì)量,可以假設(shè)為高斯型分布4中光級(jí)邊界分布及幾何誤差采用廣義投影算法(PCGPA)因?yàn)镕ROG反演是從隨機(jī)函數(shù)開(kāi)始計(jì)算的,對(duì)同一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果每次反演計(jì)算得出的結(jié)果會(huì)存在一定的差別。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算20次,得出的脈寬的平均值為66.9fs,均方差為4.03fs。而譜寬的平均值為54.5nm,均方差為5.52nm?？梢杂?jì)算時(shí)間帶寬乘積(TBP)為0.338。而雙曲正割脈沖的TBP極限為0.315,可見(jiàn)OPA輸出的激光脈沖展寬很小。圖3給出了反演計(jì)算的結(jié)果,圖3(a)是時(shí)間域內(nèi)的光強(qiáng)以及相位分布,圖3(b)是隨波長(zhǎng)分布的譜強(qiáng)度以及譜相位。強(qiáng)度由曲線給出,相位分布由實(shí)心點(diǎn)給出數(shù)據(jù)。強(qiáng)度經(jīng)過(guò)歸一化處理,相位除了2π。在光譜域內(nèi)采用多項(xiàng)式對(duì)譜相位分布進(jìn)行擬合,可以得到1.8μm激光脈沖的二階群延時(shí)色散(GDD)為202.9fsFROG測(cè)試結(jié)果的誤差包括裝置帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差和反演算法帶來(lái)的計(jì)算誤差兩方面。其中實(shí)驗(yàn)誤差包含BBO的厚度帶來(lái)的色散及光柵和CCD元件光譜響應(yīng)不一致帶來(lái)的光譜畸變等。如前所述,BBO晶體厚度帶來(lái)的誤差約為2.7fs,光柵和CCD元件光譜響應(yīng)帶來(lái)的影響會(huì)體現(xiàn)在FROG圖譜上,當(dāng)所測(cè)量的光譜范圍比較寬時(shí),光譜響應(yīng)不一致就會(huì)使FROG反演計(jì)算的結(jié)果余差較大FROG的反演計(jì)算的余差圖4(a)是計(jì)算出的FROG圖譜,圖4(b)為處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了更直觀,圖中給出了等高線分布,橫坐標(biāo)為延時(shí)方向,縱坐標(biāo)為光譜方向,這兩者相差非常小,FROG反演計(jì)算得到的光強(qiáng)和相位的圖譜與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。由于在該設(shè)計(jì)中,采用兩半圓形全反鏡代替半透半反鏡進(jìn)行分光,使整個(gè)裝置不再依賴紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的鍍膜裝置所能測(cè)試的波長(zhǎng)完全由BBO晶體的倍頻角度決定,適當(dāng)選擇BBO晶體的切割角,可以測(cè)量1.2～2.4μm范圍內(nèi)的超短脈沖。而且脈寬范圍只限制于所測(cè)量的超快脈沖在BBO晶體中產(chǎn)生群速度失配以及倍頻帶寬帶來(lái)的影響。目前用的100μm厚的BBO晶體只適合測(cè)量30fs以上的脈沖。如果采用更薄的BBO晶體例如10μm5采用器件厚度的方案,有利于測(cè)試破搭建了一套用于單次測(cè)量紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)超快脈沖的SHG-FROG裝置。通過(guò)采用兩個(gè)半圓形全反平面鏡進(jìn)行分光,減少透射元件帶來(lái)的誤差,使裝置更加緊湊方便地在實(shí)驗(yàn)室中使用。更重要的是采用該分光方法后,器件沒(méi)有鍍膜的限制,