利用光譜法測量飛秒激光脈沖寬度研究

董光焰，郭凱敏，高勛

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州 450047；2.長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022；3.包頭師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)院，包頭 014030)

自1985年啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA技術(shù))發(fā)明以來，許多研究小組對(duì)飛秒激光脈沖與物質(zhì)的相互作用進(jìn)行了廣泛的研究。飛秒激光已經(jīng)成為研究物理、化學(xué)、生物學(xué)中原子、分子的超快過程，揭示微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)研究手段，同時(shí)，它又是產(chǎn)生激光等離子體、超短X激光、激光核聚變快速點(diǎn)火和新一代粒子加速器的高新技術(shù)途徑[1-10]。隨著飛秒脈沖激光器的進(jìn)一步發(fā)展和完善，開辟出更多的應(yīng)用前景。

目前國際上對(duì)飛秒激光脈沖沒有直接測量的儀器，主要采用間接測量法。超短激光脈沖技術(shù)從皮秒進(jìn)入到飛秒階段，雙光子熒光法，條紋相機(jī)等測量技術(shù)受時(shí)間空間分辨率的限制已經(jīng)無法使用，僅有相關(guān)法沿用至今[8-10]。相關(guān)法測量法包括強(qiáng)度自相關(guān)法和干涉自相關(guān)法。由于強(qiáng)度自相關(guān)法只能給出超短脈沖的寬度而不能給出脈沖的相位、脈沖的形狀等信息，故在飛秒激光脈沖的測量中很少用。現(xiàn)在國際上公認(rèn)的用于飛秒脈沖測量的方法主要是基于干涉自相關(guān)測量法發(fā)展起來的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(Frequency-Resolved Optical Gating，F(xiàn)ROG)和自參考光譜相位相干電場重構(gòu)法(Spectral Phase Interfere Direct Electric-field Reconstruct，SPIDFR)。但是實(shí)驗(yàn)室搭建一套FROG系統(tǒng)或者SPIDFR系統(tǒng)測量飛秒激光脈沖寬度非常復(fù)雜，若購買一套測試設(shè)備非常昂貴，本文利用光譜法測量飛秒激光的譜線寬度，根據(jù)譜線的線型函數(shù)分布，計(jì)算得到脈沖寬度，利用實(shí)驗(yàn)室的自相關(guān)儀進(jìn)行測量對(duì)比，給出一種簡單、廉價(jià)的飛秒激光脈沖寬度的測量方法。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)測定脈寬的激光器為商用美國Coherent公司生產(chǎn)的飛秒激光振蕩系統(tǒng)(型號(hào) Mira-900F)，Nd:YLF激光器(型號(hào)：Verdi-V10)輸出532nm的泵浦光泵浦Ti:S晶體，利用克爾透鏡自鎖模效應(yīng)輸出中心波長 800nm，脈寬為 90fs、重復(fù)頻率為76MHz的飛秒激光脈沖。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在散射板前放一個(gè)功率計(jì)，測量不同泵浦功率情況下的飛秒激光輸出功率如圖2所示。經(jīng)散光板散射的光脈沖信號(hào)用海洋公司生產(chǎn)的Ocean4000光柵光譜儀測量飛秒激光光譜。

圖1 光譜法測量飛秒激光脈沖寬度的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The measurement setup of femtosecond pulse width by spectrum

2 結(jié)果與討論

由傅立葉變換可知，脈沖時(shí)域半高寬和頻域半高寬的乘積(時(shí)間帶寬積)必須大于等于一個(gè)常數(shù)k，即：

k依脈沖波形而異，但總是1左右的常數(shù)。脈沖的時(shí)間帶寬積和脈沖寬度存在

由(1)和(2)式，根據(jù)測量的不同輸出功率條件下的激光脈沖光譜寬度以及譜線線型，可以計(jì)算出激光脈沖寬度。

在泵浦功率是7.6 W狀態(tài)下，調(diào)節(jié)飛秒激光系統(tǒng)的雙折射晶體和棱鏡插入損耗，改變激光的輸出波長800nm、790nm、780nm對(duì)應(yīng)輸出平均功率分別為1.34W、1.37W、1.35W，測得的激光光譜如圖3 圖5所示。對(duì)應(yīng)的譜線半高寬分別為：11.624nm,9.544nm，8.092nm，實(shí)驗(yàn)所測得的譜線形狀是高斯線型，對(duì)于高斯線型而言，。用高斯擬合得出脈沖譜線半高寬，根據(jù)(2)式，可算得脈沖寬度t 分別為 81.05fs，96.30fs，111.71fs。改變泵浦功率，根據(jù)測的光譜計(jì)算得到對(duì)應(yīng)不同輸出波長的脈沖寬度見表1所示。

表1 光譜法測得的脈沖寬度Tab.1 Femtosecond laser pulse width measured by the spectrum

表2 自相關(guān)法測得的脈寬Tab.2 Femtosecond laser pulse width measured by the autocorrelator

為了檢驗(yàn)利用光譜法計(jì)算得到飛秒激光脈沖寬度的正確性，利用德國APE公司生產(chǎn)的自相關(guān)儀測量了泵浦功率7.6W 時(shí)輸出波長800nm、790nm、780nm對(duì)應(yīng)的脈沖寬度如表2所示。比較表1和表2可知，脈沖光譜法測得的脈沖寬度和自相關(guān)法所得結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了光譜法測量飛秒激光脈沖寬度研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光譜法測得的飛秒激光脈沖寬度與自相關(guān)儀測得脈寬相吻合。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用脈沖光譜法測量超短激光脈沖，可以直觀準(zhǔn)確的對(duì)飛秒量級(jí)的超短脈沖激光進(jìn)行測量，達(dá)到了我們的預(yù)期目標(biāo)。

圖2 飛秒激光振蕩器的泵浦與輸出功率曲線Fig.2 Output power variation with pumping power

圖3 中心波長800nm情況下的激光光譜Fig.3 Laser spectral of 800nm

圖4 中心波長790nm情況下的激光光譜Fig.4 Laser spectral of 790nm

圖5 中心波長780nm情況下的激光光譜Fig.5 Laser spectral of 780nm

[1]Denk W，Strickler J M，Webb W W.Two-phton laser scanning fluorescence microscopy[J].Science，1990，248(7):73-76.

[2]張山彪，王文軍，畢軍，等.超短激光脈沖技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].激光雜志，2003，24(4)：11-13.

[3]DENG DingHuan，ZHAN Li，Xia YuXing.75-femtosecond all-fiber ultrashort pulse laser[J].Chinese Science Bulletin，2008，53(13):1937-1940.

[4]Jianjun Ma，Weizhong Tang.Second-order sensitivity effects on optical fiber polarimetric temperature sensor and strain sensor[J].Applied Optics，1997，36(34)：9010-9013.

[5]楊延強(qiáng)，費(fèi)浩生，艾希成，等.利用激光感應(yīng)瞬態(tài)光柵技術(shù)測量超短激光脈沖寬度[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1994，14(8):791-794.

[6]王清月.飛秒激光技術(shù)及其新興相關(guān)學(xué)科[J].量子電子學(xué)，1994，11(4):211-216.

[7]俞寬新，江鐵良，趙啟大.激光原理與激光技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[8]張偉力，柴路，陳野.測量飛秒激光脈沖的實(shí)時(shí)掃描相關(guān)器[J].中國激光，1997，24(10):915-919.

[9]王兆華，魏志義，張杰.飛秒脈沖測量技術(shù)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)，2002，31(10)：659-666.

[10]柴路，高峰，王清月，等.飛秒脈沖測量技術(shù)的新近展[J].光電子·激光，2002，13(6)：647-651.