超短脈沖激光時域參數(shù)計量標準裝置

鄧玉強

（中國計量科學研究院光學所，北京 100029）

0 引言

超短脈沖激光具有極短的持續(xù)時間、極高的峰值功率和極寬的光譜寬度，在超快信號產生和探測、超精細微納加工、非線性光學、超精細激光光譜學、激光約束核聚變等眾多領域具有獨特且不可替代的應用價值［1］。超短脈沖激光作為一種有力工具，在計量測試領域也引發(fā)了重要變革。經(jīng)過重復頻率鎖定和載波-包絡相位鎖定的飛秒脈沖序列提供了一系列高精度的時間頻率標準，可用于時間頻率計量和激光波長測量［2］；飛秒光學頻率梳在絕對長度計量和位移測量領域發(fā)揮了重要應用［3］；以飛秒激光作為泵浦源和探測源是實現(xiàn)太赫茲產生和探測的重要途徑［4］，超短脈沖激光在太赫茲時域光譜計量方面發(fā)揮了關鍵作用［5-6］；飛秒光學頻率梳經(jīng)頻率下轉換產生太赫茲頻率梳，可作為太赫茲頻率精準測量的工具［7］；利用飛秒脈沖激光激發(fā)超快光電探測器或超快光電導天線產生超快電脈沖，是實現(xiàn)超快電脈沖時間特性計量和探測器頻率響應及高速示波器計量的重要手段［8］。

超短脈沖時域波形和脈沖寬度是超快光學計量的重要參數(shù)。超短脈沖激光時域測量引起了科研人員的重視和關注，新的測量技術不斷涌現(xiàn)。國際上先后產生了自相關法［9］、光學頻率開關法（FROG）［10］和 光 譜 相 位 相 干 直 接 電 場 重 建 法（SPIDER）［11］等超短脈沖時域參數(shù)測量方法。自相關法因結構簡單、使用方便，被廣泛應用。但自相關法只能得出脈沖寬度信息，難以獲得脈沖時域波形信息。光學頻率開關法可以獲取脈沖時域和頻域的全部信息，但需要使用迭代算法對測量結果解析，存在迭代結果不收斂的風險。光譜相位相干直接電場重建法具有較復雜的光路結構，但能較準確地獲得脈沖光譜相位信息，從而重建脈沖時域波形。

為解決短脈沖激光時域參數(shù)計量溯源問題，開展了超短脈沖計量標準裝置研究，研制了光譜相位干涉測量儀，利用光譜相位相干直接電場重建法測量超短脈沖波形和脈寬。光譜測量結果溯源到光譜輻射照度國家基準，利用小波變換技術消除了傳統(tǒng)傅里葉變換技術濾波窗口引入的測量不確定性，實現(xiàn)了光譜相位的精準測量和脈沖時域波形的準確重建。研制了超短脈沖自相關儀，測量結果溯源到光譜相位干涉測量儀，實現(xiàn)了自相關儀的量值溯源。

1 光譜相位干涉測量儀研制與相位還原

光譜相位相干直接電場重建法將入射的飛秒脈沖復制為兩個具有微小時間延遲和微小頻率間隔的復制脈沖，這兩個脈沖在光譜儀中干涉，脈沖的相位可以從干涉條紋中攝取［11］。根據(jù)光譜相位相干直接電場重建法原理，研制了飛秒脈沖光譜相位干涉測量儀，其光路圖如圖1所示［12］。

圖1 光譜相位干涉測量儀光路示意圖Fig.1 Schematic diagram of spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction

飛秒激光經(jīng)光闌A1入射到光譜相位干涉測量儀，經(jīng)分束鏡BS1分為兩束。透過分束鏡BS1的激光入射到100 mm長的SF10色散介質中，透過SF10色散介質后經(jīng)脊型反射鏡RM1反射，再次經(jīng)過SF10色散介質，展寬為皮秒脈沖，經(jīng)反射鏡M2反射后入射到拋物面鏡PM上。經(jīng)分束鏡BS1反射的飛秒脈沖經(jīng)反射鏡M3和M4反射后，入射到改進的邁克爾遜干涉儀上。改進的邁克爾遜干涉儀由分束鏡BS2和BS3以及脊型反射鏡RM2和RM3組成。飛秒激光經(jīng)過改進的邁克爾遜干涉儀后，被復制成具有微小時間延遲的兩個脈沖，經(jīng)反射鏡M5反射后入射到拋物面鏡PM上。入射到拋物面鏡PM上的皮秒展寬脈沖和具有微小時間延遲的兩個飛秒脈沖串方向相互平行，在垂直方向具有微小的位移，經(jīng)離軸拋物面鏡PM聚焦后入射到和頻晶體BBO上。兩束激光在BBO晶體中發(fā)生自倍頻、和頻、干涉。具有微小時間延遲的兩個飛秒脈沖分別與皮秒啁啾脈沖不同頻率成分的光譜發(fā)生和頻，形成頻率上轉換的兩個和頻光，這兩個和頻光在頻域干涉，即為測量的脈沖光譜剪切干涉信號。兩個和頻信號在頻域中的間隔為光譜剪切量［11-13］。兩束飛秒脈沖在非線性光學晶體BBO中分別產生自倍頻，兩個自倍頻光在頻域發(fā)生干涉，可作為參考光譜干涉信號消除還原光譜相位的一階項。

光譜相位干涉測量儀實物如圖2所示，其光譜測量范圍為650~1150 nm，脈沖寬度測量范圍為10~500 fs，脈寬測量分辨力為0.2 fs，測量擴展不確定度為Urel=8%（k=2）。

圖2 光譜相位干涉測量儀Fig.2 Setup of spectral phase interferometry for direct electricfield reconstruction

利用光譜相位干涉測量儀測量得到的脈沖光譜相位剪切干涉如圖3所示。傳統(tǒng)的光譜相位還原采用傅里葉變換濾波技術，不同寬度的濾波窗口包含的噪聲成分不同，產生了相位還原的不確定性［13］。利用小波變換還原相位，在小波變換強度圖的極大值處選取相位信息，獲得了確定的脈沖頻域相位，消除了濾波窗口寬度的影響，故重建的脈沖時域波形是確定的［14］。

圖3 脈沖光譜剪切干涉測量結果Fig.3 Measured spectral shearing interferogram

對脈沖光譜剪切干涉作小波變換的結果如圖4所示，從小波變換的強度圖處選取每一頻率處的極大值，然后在相位圖中相應位置讀取相位，即可獲得脈沖光譜剪切相位［13-14］。

圖4 光譜剪切干涉的小波變換結果Fig.4 Wavelet-transform of spectral shearing interferogram

利用同樣的方法，對參考光譜剪切干涉作小波變換，提取參考光譜剪切相位；接著將脈沖光譜剪切干涉相位與參考光譜剪切干涉相位相減，獲取光譜剪切干涉相位差；然后用積分方法對光譜剪切相位差積分還原，再除以光譜剪切量；最后將包裹的相位展寬，即可獲得被測飛秒脈沖激光的光譜相位，如圖5（a）所示。

圖5 測量的飛秒脈沖光譜相位和重建的脈沖波形Fig.5 Retrieved femtosecond pulse spectral phase and reconstructed pulse waveform

飛秒脈沖的光譜通過光譜儀測量，光譜儀可溯源到光譜輻射照度國家基準。根據(jù)飛秒脈沖光譜和光譜相位，利用傅里葉反變換算法，可重建得出飛秒脈沖時域波形，結果如圖5（b）所示。從飛秒脈沖波形中，可獲得脈沖時域寬度信息，脈沖時域半高度處全寬度（FWHM）為18.2 fs。

2 自相關儀研制與超短脈沖激光測量

自相關法的測量原理為：將飛秒脈沖激光分為兩束，對其中一束激光施加可變延遲，使兩束激光相互掃描，通過和頻晶體獲得飛秒脈沖激光的自相關信號。從自相關信號中可獲取脈沖的自相關寬度。通過假設脈沖波形，可獲得脈沖時域寬度。盡管假設脈沖波形會對測量結果的準確度產生一定影響，但因為自相關法簡單方便，仍被廣泛使用，成為目前最常用的超短脈沖測量方法。

為實現(xiàn)飛秒脈沖激光自相關測量，研制了一種大量程自相關儀，如圖6所示。飛秒激光入射到自相關儀，經(jīng)反射鏡反射到分束鏡后分為兩束。分束的兩束激光分別由兩個脊型反射鏡反射，在另一片分束鏡上合為一束，照射到拋物面鏡上，最后入射到雙光子探測器上。雙光子探測器兼具和頻晶體加探測器的功能。其中一個脊型反射鏡安裝在電控位移平臺上，電控位移平臺行程為50 mm，對應的掃描實驗延遲為166 ps，因此自相關儀可測量的自相關寬度范圍達55 ps。

圖6 大量程自相關儀Fig.6 Autocorrelator with large measurement range

移動電控位移平臺，采集雙光子探測器探測的信號，即可獲得脈沖的自相關信號。自相關法可分為強度自相關和條紋分辨自相關兩種類型。調整電控位移平臺的掃描速度，可獲得強度自相關和條紋分辨自相關兩種結果。當電控位移平臺的掃描速度遠大于被測激光波長與探測器的響應時間之商時，測量結果為強度自相關；當電控位移平臺的掃描速度遠小于被測激光波長與探測器的響應時間之商時，測量結果為條紋分辨自相關。利用該自相關儀測量與圖3相同的飛秒脈沖，測量結果如圖7所示［15］。

圖7 測量的20 fs自相關結果Fig.7 Measured autocorrelation for a 20 fs laser pulses

根據(jù)飛秒脈沖光譜相位干涉儀的測量結果重建的脈沖波形可計算出脈沖的自相關信號，計算的自相關信號與圖7的實驗測量結果精確吻合，驗證了圖6的自相關儀測量的準確性［12，15］。

采用條紋分辨自相關法測量脈寬較長的脈沖時，需要較長的掃描時間才能完成條紋分辨自相關的測量，且要求嚴格的光路準直性和較高的脈沖穩(wěn)定性。圖8為利用圖6的自相關儀測量500 fs自相關寬度的測量結果。

圖8 測量的500 fs自相關結果Fig.8 Measured autocorrelation for a 500 fs laser pulses

3 自相關儀校準規(guī)范制定與計量標準建立

為了規(guī)范超短脈沖激光測量儀器的校準方法，統(tǒng)一超短脈沖激光參數(shù)測量量值，保障超快光學研究、超短脈沖激光器研制及超短脈沖激光在各領域應用中的量值準確可靠，制定了超短脈沖激光測量儀器校準規(guī)范。

中國計量科學研究院制定了JJF 1493-2014《超短光脈沖自相關儀校準規(guī)范》［16-17］。因為自相關儀是目前最為常用的超短脈沖激光測量儀器，所以制定的超短脈沖自相關儀校準規(guī)范具有更廣泛的實用性。自相關儀的測量結果為自相關寬度，激光脈沖時域寬度由假設脈沖時域波形獲得。為了降低假設脈沖波形引起的測量不確定度分量，JJF 1493-2014校準規(guī)范將自相關寬度作為校準項目，避免人為假設脈沖波形不適當產生的測量不確定度。對于超短脈沖激光時域寬度的測量，由使用者根據(jù)激光器特性或自身經(jīng)驗選擇合適的反卷積因子［16］。

自相關儀校準的量值溯源傳遞圖如圖9所示。標準自相關儀的測量結果溯源至光譜相位干涉測量儀。根據(jù)光譜相位干涉測量儀測量的飛秒脈沖時域波形可獲得脈沖的自相關信號，對自相關儀的測量結果進行校準。光譜相位干涉測量儀所用的光譜儀溯源到光譜輻射照度國家基準，同時保證光譜相位干涉測量儀測量光路中沒有引起附加相位，無改變被測脈沖波形的色散器件。標準自相關儀經(jīng)溯源校準后，對被校自相關儀進行校準，對測量結果進行修正，保障被校自相關儀測量結果的準確可靠。

圖9 自相關儀校準溯源傳遞框圖Fig.9 Block diagram of tracing and transferring for autocorrelator calibration

中國計量科學研究院建立了國家計量標準裝置和社會公用計量標準裝置：“超短光脈沖自相關儀校準裝置”（［2017］國量標計證字第318號）。受目前實驗室超短脈沖光源的限制，“超短光脈沖自相關儀校準裝置”的測量脈沖寬度范圍為15 fs~12 ps，測量擴展不確定度為Urel=10%（k=2）。利用飛秒脈沖激光光譜相位干涉測量儀對飛秒脈沖激光時域波形精確測量，對標準自相關儀校準，實現(xiàn)了被校自相關儀的量值傳遞。利用超短光脈沖自相關儀校準裝置開展量值傳遞，保障了自相關儀測量結果的準確可靠。

2022年發(fā)布了GB/T 41572-2022《脈沖激光時域主要參數(shù)測量方法》國家標準［18］，也對超短脈沖激光時域參數(shù)測量方法進行了標準化的規(guī)定，為保障超短脈沖激光時域參數(shù)的準確測量提供了技術依據(jù)。

4 結論

介紹了研制超短脈沖激光計量標準裝置的成果與進展。根據(jù)光譜相位相干直接電場重建法研制了光譜相位干涉測量儀，利用小波變換技術消除了傳統(tǒng)傅里葉變換濾波方法因不同寬度的濾波窗口產生的相位還原不確定性，實現(xiàn)了精確的相位還原和飛秒脈沖激光時域波形重建。將光譜相位干涉測量儀所用的光譜儀溯源到光譜輻射照度國家基準，實現(xiàn)了飛秒脈沖波形和脈沖寬度的量值溯源。研制了一種大量程的自相關儀，通過調整掃描速度實現(xiàn)了強度自相關和條紋分辨自相關的測量，測量范圍為10 fs~50 ps。自相關儀的測量結果溯源到光譜相位干涉測量儀，實現(xiàn)了自相關儀的量值溯源。制定了超短光脈沖自相關校準規(guī)范，并建立了“超短光脈沖自相關儀校準裝置”國家計量標準裝置，脈沖寬度范圍為15 fs~12 ps，測量擴展不確定度為Urel=10%（k=2）。利用國家計量標準裝置開展自相關儀量值傳遞，保障了超快光學測量儀器的量值準確可靠。