頻域分辨光學開關

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頻域分辨光學開關是一種用於測量超短激光脈衝的通用方法,測量脈衝的時間尺度可從亞飛秒納秒。測量超短脈衝在早先很難實現,這是因為一般來說,測量一個事件,需要一個更短時間尺度的事件作為參照。而超短激光脈衝實際上是當前人類所能創造的最短時間尺度的事件。因此,對於超短激光脈衝的測量,此前人們認為是不可能的。FROG作為解決這個問題的最早技術,由Rick Trebino與Dan Kane於1991年提出,其主要思想是通過測量脈衝的「自譜圖」(即脈衝在非線性光學介質中對其自身進行開關操作,開關操作後的脈衝又將其自身反映在它形成的譜中)。因為該譜是兩脈衝間延遲時間的函數,使用二維相提取算法從便可從脈衝的FROG記錄中提取脈衝的相關信息。

FROG替代了原有的自相關方法而成為當前測量超短激光脈衝的標準技術。舊的自相關方法只能大致估計脈衝長度,而FROG是譜分辨的自相關,允許人們利用相提取算法得到精確的脈衝強度,相信息和時間,對於簡單脈衝與複雜脈衝皆能使用。簡單的FROG配置僅需要一些簡單排列的光學組件。FROG與GRENOUILLE(法語的FROG)在學術界與工業界的實驗室中得到了廣泛的應用。

FROG[編輯]

1991年,Kane與Trebino引入了FROG,它是一種簡單的譜分辨自相關技術,僅僅需要將光譜儀從自相關器件邊移動到其後[1][2][3]

FROG需要脈衝對其自身進行開關操作,所要進行的測量是光譜與兩束脈衝間的延時。通常,參照脈衝的自身參數是容易得到的(FROG技術),如果再使用XFROG技術與此參照脈衝,對未知脈衝也可實現開關操作。一般表達式為

其中信號場Esig(t, τ)作為時間與延遲時間的函數,通常的定義形式為Esig(t, τ)=E(t)Egate(t - τ)。FROG中,開關函數Egate(t - τ),是希望測得的輸入的脈衝場E(t)的函數。當非線性光學過程為二次諧波(SHG)時,Egate(t - τ) = E(t);當使用極性開光(PG)時,Egate(t - τ) = |E(t)|2。在FROG中,Egate(t - τ)可為作用在參照脈衝上的任何已知脈衝函數。總的來說,Esig(t, τ)可為包含足夠信息用於重構脈衝的時間與延遲時間的任意函數。

FROG和XFROG的(trace)被定義為脈衝的譜圖(在FROG中,稱為自譜圖更為恰當)。它們通常能非常直觀地描述脈衝。

理論上可以證明FROG方案優於自相關方法。令Esig(t, τ)為某一新信號場Esig(t, Ω)關於其頻率Ω的一維傅立葉變換。容易證明(對下式中Ω進行積分,得到之前的方程)

找到Êsig(t,Ω)就足以決定脈衝場E(t)。這樣,FROG的跡是Êsig(t,Ω)的二維傅立葉變換的模平方,這形似於一維相提取問題,只是情況換作二維。人們已經證明,二維的相提取問題,實質上與一維相提取有很大不同,本質上是適定的(適定性問題),簡單的。存在可靠的迭代算法適用於尋找所希望的二維場Êsig(t,Ω)與E(t)。FROG的相提取問題是涉及到一般二維相提取算法,但略有不同,可以證明這種算法非常可靠,高效。除非脈衝形狀特別複雜,一般筆記本上處理時間小於0.1秒。實際上,FROG已經成為一種對超短激光脈衝進行測量相當有效而靈活的手段,不論是由自由電子激光器產生的20fs的紫外(UV)脈衝,還是形狀奇特的紅外輻射(IR)。FROG已經可以輕鬆測量少周期飛秒脈衝,對設備進行一些改動便可用於測量阿秒脈衝[4][5]

FROG還有一個方便的特性,就是它能夠產生對其測量進行確認的反饋。因為所測得FROG的跡的信息遠多於決定脈衝本身所需要的信息,當測得的跡與提取的跡吻合時,測量可以任定為正確。反之,可推斷設備有問題,或輸入脈衝場的時域空域參數被破壞了,測量不可置信。由於超短脈衝測量非常困難,這種反饋是很重要的。

使用FROG可以測量光子數只有幾百(這意味着存在隨機相,相干性很差),時域帶寬超過1000(原子單位),時域空域參數不斷變化的超短激光脈衝。

參考資料[編輯]

  1. ^ Kane, D.J. and R. Trebino, Single-Shot Measurement of the Intensity and Phase of an Arbitrary Ultrashort Pulse By Using Frequency-Resolved Optical Gating. Opt. Lett., 1993. 18(10): p. 823-825.
  2. ^ Kane, D.J. and R. Trebino, Characterization of Arbitrary Femtosecond Pulses Using Frequency Resolved Optical Gating. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1993. 29(2): p. 571-579.
  3. ^ Trebino, R. and D.J. Kane, Using Phase Retrieval to Measure the Intensity and Phase of Ultrashort Pulses: Frequency-Resolved Optical Gating. J. Opt. Soc. Amer. A, 1993. 10(5): p. 1101-1111.
  4. ^ Mairesse, Y. and F. Quéré, Frequency-resolved optical gating for complete reconstruction of attosecond bursts. Phys Rev A, 2005. 71: p. 011401.
  5. ^ Sansone, G., E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, Attosecond metrology in the few-optical-cycle regime. New J. Phys., 2008. 10: p. 025006.