Магистерская_Аникеев (Автокорреляционный метод приема ультракоротких импульсов), страница 2

Именно эту задачу решают при синхронизации мод и компрессии импульсов.При распространении оптического импульса в диспергирующей среде сквадратичной дисперсией спектрально-ограниченный импульс превращается вчирпированный импульс с линейной частотной модуляцией (чирп – линейноеизменение частоты). Физически, расплывание лазерного импульса можно объяснить разной групповой скоростью распространения различных спектральныхкомпонент импульса.

В среде с нормальной дисперсией (групповая скоростьуменьшается с увеличением частоты) высокочастотные спектральные составляющие отстают от низкочастотных, в результате внутри огибающей импульсачастота заполнения монотонно увеличивается от фронта импульса к хвосту(рисунок 1.2). В среде с аномальной дисперсией частотное заполнение инвертируется.Рисунок 1.2 – Иллюстрация расплывания оптического импульса при распространении в диспергирующей линейной среде9Большинство используемых стекол обладают нормальной дисперсией в видимом диапазоне длин волн. Это приходится учитывать для коротких фемтосекундных импульсов. Например, для импульса длительностью 10 фс при прохождении через стандартное стекло марки BK7 существенное изменение длительности происходит для толщин стекла более 500 мкм.

То есть, для таких коротких импульсов критичным является компенсация дисперсии используемыхоптических элементов и активных сред [2].102. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВДля получения полной характеристики УКИ необходимо измерить не только его спектр и энергию, но и временной профиль. Первые две операции непредставляют особых затруднении, тем более что ширина спектра достаточновелика. Измерение же временного профиля УКИ является сложной проблемойисключительно из-за малой длительности импульса.Традиционные методы временных измерений с использованием фотоэлектронных устройств (фотоэлементы, фотодиоды и ФЭУ) в сочетании с самымибыстродействующими осциллографами обеспечивают временное разрешение,на порядки уступающее длительности УКИ современных лазеров.

Даже лучшиефоторегистраторы на основе ЭОПов оказываются бессильными при измеренияхвременных интервалов короче 100 фс. В связи с этим для измерений фемтосекундных УКИ применяются исключительно оптические методы, основанные накорреляционных методиках. Разработка этих методик дает возможность измерять не только длительность, но и временную зависимость амплитуды и фазысветовой волны с субфемтосекундным разрешением.Все методы измерения характеристик оптических УКИ можно разделить надва класса [2]: автокорреляционные методы; методы измерения амплитудно-фазовых характеристик импульса.2.1.

Автокорреляционные методыТехника измерения длительности светового импульса оптическими методами основывается на том, что временное измерение переносится в пространственное, так как, например, импульс длительностью 1 пс имеет протяженностьв воздухе ~ 300 мкм, что легко измеряется с большой степенью точности. Еслиданы две зависимые от времени функции F(t) и F’(t), и одна из них известна,например, F’(t), то измерение функции (), которая определяется по формуле:11+∞() = ∫−∞ F’(t − τ)F(t)dt,(3)позволяет легко определить вторую неизвестную функцию F(t). () – это корреляционная функция первого порядка. Но для коротких временных интерваловне может быть синтезирован тестовый импульс, описываемый функцией F’(t), ипоэтому для реальных измерений используют автокорреляционную функцию.В этом случае один лазерный импульс разделяют на два, один из которых свременной задержкой – F(t) и F(t − τ), и они, интерферируя, создают автокорреляционную функцию [3].В теории обработки сигналов автокорреляционная функция определяетсяинтегралом:+∞() = ∫−∞ F(t)F(t − τ)dt,(4)и показывает связь сигнала функции F(t) с копией самой себя, смещенного навеличину τ.

График автокорреляционной функции можно получить, если построить по оси ординат коэффициент корреляции двух функций (основной ифункции, сдвинутой на величину τ), а по оси абсцисс – величину τ. В том случае, когда основная функция строго периодична, на графике функции автокорреляции также будет строго периодическая функция. Из этого графика можноделать выводы о периодичности основной функции, и, следовательно, о её частотных характеристиках [4]. Принципиальная оптическая схема такого коррелятора представлена на рисунке 2.1.12Рисунок 2.1 – Оптическая схема интерферометрического автокорреляционногоприемникаВ оптике при интерферометрии роль функции F(t) играет амплитуда электрического поля E(t).

В ходе экспериментов чаще всего измеряется интенсивность лазерного излучения [5]:() = {() ∙ ∗ ()}.(5)На детекторе автокорреляционного приемника измеряется интенсивностьинтерферометрического взаимодействия двух пучков оптического импульса,зависящих от задержки τ:() = ∫|() + ( − )|2 .(6)Применяя автокорреляционную функцию первого порядка G(τ), это уравнение можно записать в следующем виде:()~2 ∫ () + 2().(7)На практике часто определяют функции автокорреляции высших порядков.

Их получают с использованием многофотонных процессов. Функцию13автокорреляции второго порядка получают, используя двухфотонное поглощение или генерацию второй гармоники. Автокорреляционную функциютретьего порядка – с использованием эффекта Керра или прямой генерациитретьей гармоники [6].Рассмотрим наиболее распространенный метод – генерацию второй гармоники (ГВГ). Применяются две схемы ГВГ – коллинеарная, когда два пучка света сводятся в нелинейном кристалле, распространяясь вдоль одной оси, и неколлинеарная, когда эти пучки пересекаются внутри нелинейного кристаллапод определённым углом.На данный момент для нахождения функции автокорреляции второго порядка (для лазеров, имеющих высокую частоту повторения импульсов) используется оптическая схема, изображенная на рисунке 2.2.б)ЛиниязадержкиShakerЛиниязадержкиShakerа)ЛинзаЛинза1 или 21 или 2yxyKDPUVFilterPMxKDPUVFilterФотодиодФотодиодPMРисунок 2.2 – Оптическая схема измерения автокорреляционной функциивторого порядка: а) неколлинеарная генерация второй гармоники,в) коллинеарная генерация второй гармоники14Излучение лазеpа попадает на зеркало, отражающее 50 % энергии на регулируемую линию задержки и пропускающее оставшееся 50 % на уголковый отражатель.

Затем оба импульса фокусируются линзой на нелинейный кристалл(например, KDР). Если имеет место неколлинеарная генeрация второй гармоники, эти импульсы совмещаются в кристаллe под разными углами, и каждыйиз них образует вторую гармонику в момент прихода своих импульсов (коллинеарная генерация второй гармоники). Когда линия задержки настроена такимобразом, чтобы по обоим каналам импульсы приходили в один момент временина нелинейный кристалл, то в результате оба импульса генеpиpуют общую неколлинеарную вторую гармонику, которая геометрически распространяетсямежду собственными коллинеарными.

За ультрафиолетовым фильтром, который поглощает основное излучение лазеpа и пропускает излучение второй гармоники, наблюдаются тpи пятна излучения второй гармоники, соответствующие разным направлениям их распространения. Можно установить диафрагму,которая будет пропускать только излучение неколлинеарной ГBГ (пространственная фильтрация) и при этом фотодетектор будет регистрировать сигнал,соответствующий только одновременному приходу импульсов обоих каналовна нелинейный кристалл [7].В результате применения нелинейных преобразований увеличивается контраст интерференционной картины.

Автокорреляционные функции первого ивторого порядка являются симметричными относительно нулевой задержкимежду двумя импульсами и содержат одинаковое число интерференционныхмаксимумов и минимумов, однако АКФ второго порядка оказывается уженесимметричной относительно фоновой интенсивности [16].Другим способом измерения длительности оптических ультракоротких импульсов является метод, основанный на нелинейно-оптическом эффекте –двухфотонной люминесценции [8]. В этом методе световой поток разделяетсясветоделителем на два пучка равной интенсивности, как показано на рисунке2.3.15SS2PKZOS1Рисунок 2.3 – Оптическая схема метода двухфотонной люминесценцииИсследуемый импульс делится полупрозрачным зеркалом на две части,направляемые соответственно на зеркала S1 и S2.

Отраженные от зеркала импульсы, двигаясь навстречу друг другу, входят в образец P – кювету с раствором органического красителя. Состав красителя подбирается так, чтобы люминесценция молекул происходила при возбуждении двумя квантами излучениянакачки (двухфотонный резонанс). Возбужденные молекулы отдают запасенную энергию, излучая видимый свет.

При этом яркость люминесценции пропорциональна второй степени интенсивности светового потока.Светящийся трек, который появляется при движении двух пучков фемтосекундных импульсов навстречу друг другу в кювете, регистрируется фотоаппаратом K. В месте встречи интенсивность света будет в два разабольше и, следовательно, свечение красителя сильнее, чем от одиночногоимпульса. Нетрудно рассчитать, что при регистрации импульса длительностью в одну пикосекунду (1000 фс) такая ярко светящаяся область имеетпротяженность порядка десятых долей миллиметра [9].162.2.

Методы измерения амплитудно-фазовых характеристик импульсаИзмерение автокорреляционной функции и спектра дает лишь приблизительные представления о временной форме ультракоротких импульсов. Если вимпульсе присутствует чирп, то его можно обнаружить, но нельзя определить.Для получения более точных результатов и выполнения более сложных задачприменяются методы измерения амплитудно-фазовых характеристик ультракоротких импульсов. Наиболее известными являются FROG (Frеquency-rеsolvedoptical gating), то есть оптическое стробирование с разделением по частоте,GRENОUILLE (grating eliminated no-nonsense observation of ultrafast incident laser light electric fields) и SPIDER (spectral phase interferometry for direct electricfield rеconstruction), то есть спектральная фазовая интерферометрия.2.2.1.