光脈沖的寬度有許多不同的定義。最常用的定義是半高全寬，指脈沖峰值功率一半處所對應(yīng)的時間寬度。對于不同機(jī)制產(chǎn)生的激光脈沖，半高全寬可以在很大的范圍內(nèi)變化。通過調(diào)制連續(xù)激光或使用調(diào)Q激光器，可以產(chǎn)生脈寬百皮秒到數(shù)百納秒的脈沖；鎖模激光器的脈寬則在~5 fs至數(shù)百皮秒之間；高次諧波則能產(chǎn)生阿秒脈沖。

百皮秒及以上的脈沖寬度可通過電學(xué)的方法測量。光電二極管產(chǎn)生正比于入射光功率的電流，然后示波器或高頻頻譜分析儀將電流轉(zhuǎn)化為可以直接測量的電壓值。顯示的電壓-時間關(guān)系可在一定程度上表征脈沖的具體輪廓，進(jìn)而計算出脈沖寬度。此方法十分簡單，但受光電探測器整體的帶寬限制，響應(yīng)時間最少不低于十幾個皮秒，因此難以用于測量皮秒和飛秒激光脈沖。

圖1 自相關(guān)儀示意圖

測量更短的脈寬只能通過光學(xué)的方法實現(xiàn)，例如光學(xué)自相關(guān)。光學(xué)自相關(guān)儀的基本結(jié)構(gòu)類似邁克爾遜干涉儀(圖1)。其通過分束鏡和延遲線將待測脈沖等分為兩路彼此時延τ的子脈沖I(t)和I(t-τ)，并聚焦到倍頻晶體上，最后用光電探測器接收兩脈沖彼此重合部分所激發(fā)的二倍頻信號：

I_2ω (τ)在數(shù)學(xué)上即為待測脈沖的自相關(guān)曲線。通過測量自相關(guān)曲線的半高全寬，即可估計出相應(yīng)脈沖的半高全寬。

光學(xué)自相關(guān)有非共線和共線兩種形式(圖1)。非共線自相關(guān)的子脈沖光路并不重合，掃描得到的自相關(guān)曲線沒有背景信號的干擾。共線自相關(guān)曲線雖然存在子脈沖自身倍頻所產(chǎn)生的背景信號，但具有干涉條紋，能在一定程度上揭示脈沖的相位信息。

光學(xué)自相關(guān)是測量飛秒脈沖寬度最常用的方法，然而其有兩個缺陷：一是有限的相位匹配帶寬讓自相關(guān)儀難以測量脈寬短于10 fs的少周期脈沖；二是自相關(guān)曲線無法呈現(xiàn)具體的脈沖形狀信息，計算脈寬需要假定待測脈沖的形狀，因此不一定準(zhǔn)確。

更精確的脈寬測量需要完全表征脈沖的技術(shù)，即能同時確定脈沖電場的幅度和相位的技術(shù)。典型的例子有頻率分辨光學(xué)開關(guān)(FROG)和光譜相位干涉儀(SPIDER)。基于二倍頻產(chǎn)生的FROG系統(tǒng)(圖2)和非共線自相關(guān)儀的唯一區(qū)別就是把光電探測器換成了光譜儀，從測量倍頻信號的強(qiáng)度轉(zhuǎn)為測量倍頻信號的光譜，建立二維的光譜分辨自相關(guān)數(shù)據(jù)。通過算法迭代，即可從中重建脈沖的幅度和相位，實現(xiàn)脈沖的完全表征。

圖2 基于二倍頻的頻率分辨光開關(guān)(SHG-FROG)系統(tǒng)示意圖

除了測量二倍頻光譜，F(xiàn)ROG技術(shù)還有許多變體(圖3)，它們基于不同的物理機(jī)制建立二維的光譜分辨自相關(guān)數(shù)據(jù)：THG-FROG的整體結(jié)構(gòu)與SHG-FROG類似，區(qū)別僅在于其測量的是脈沖重合部分的三倍頻信號；偏振門FROG(PG-FROG)中，兩PBS正交放置，一光束為水平偏振，原本不會透過第二個PBS，另一光束為45°偏振態(tài)，能通過克爾效應(yīng)影響非線性晶體在此偏振下的折射率，引起雙折射效應(yīng)，使前者偏振態(tài)變化，一部分能量得以透過。此時光譜儀所測得的信號同樣可以表征兩束光脈沖在時間上的重合，進(jìn)而建立二維自相關(guān)數(shù)據(jù)；自衍射FROG(SD-FROG)和瞬態(tài)光柵FROG(TG-FROG)結(jié)構(gòu)不一，但原理等價，均是通過脈沖重合瞬間干涉所產(chǎn)生的折射率光柵，使光譜儀測到來自特定方向的衍射信號，進(jìn)而建立二維自相關(guān)數(shù)據(jù)。

盡管FROG技術(shù)能獲取脈沖的全部信息，但對于脈寬短于10 fs的情況，有限的晶體帶寬令FROG需要對頻率相關(guān)的非線性轉(zhuǎn)換效率做出校正。對于這點，無需任何校正的SPIDER技術(shù)更為簡單可靠。

圖3 基于不同物理機(jī)制的FROG技術(shù)

SPIDER的原理基于自參考光譜干涉儀(圖4)，系統(tǒng)整體看分為兩路，一路是等分的待測脈沖，子脈沖彼此共線但有一定時延τ。另一路是一個引入了較大群延遲色散(GDD)的啁啾脈沖，兩路被導(dǎo)入一個晶體中進(jìn)行和頻。由于啁啾脈沖在不同時延的頻率成分有所差別，時間上彼此間隔的兩脈沖在和頻時看到的頻率就略有不同。和頻后，兩脈沖光譜的強(qiáng)度分布完全一致，僅有一小段頻移δω的差異，δω=τ/GDDm一脈沖為E(ω)，另一脈沖即為E(ω+δω)，兩脈沖共線，使相同的頻率成分發(fā)生干涉，由此形成光譜側(cè)切。通過測得的干涉后光譜和特定的算法，即可提取出脈沖相位的微分信息，進(jìn)而重建出整個脈沖。

圖4 近紅外光譜相位干涉儀(SPIDER)示意圖

總結(jié)來說，每種脈沖測量技術(shù)都有不同的優(yōu)勢和缺陷，最佳的方法是結(jié)合使用不同的脈沖測量技術(shù)進(jìn)行交叉驗證。此外，上述的所有技術(shù)都已經(jīng)有比較成熟的商業(yè)產(chǎn)品。不同的產(chǎn)品通常會針對特定的脈寬范圍進(jìn)行優(yōu)化，建議在使用此類系統(tǒng)時詳細(xì)閱讀手冊，找到正確的應(yīng)用場景。

編輯：黃飛

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