飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术

吴 磊，阴万宏，俞 兵，董再天，薛媛元，陈 娟，于东钰，吴 沛

(西安应用光学研究所，陕西 西安710065)

引言

自20世纪60年代末70年代初提出激光锁模技术以来, 激光技术进入了超短脉冲时代, 激光脉宽经历了纳秒(ns, 10-9s)、皮秒(ps, 10-12s)、飞秒(fs, 10-15s)量级，甚至阿秒(as, 10-18s)量级。

飞秒激光器包括染料飞秒激光器、钛宝石飞秒激光器和光纤飞秒激光器等，波长范围覆盖紫外、可见和近红外波段。目前最成熟的钛宝石飞秒激光器脉宽为(10～1 000)fs，波长范围为(700～1 000)nm，倍频后波长范围为(350～500)nm，通过参量振荡技术，可将波长拓展至1.6 μm。飞秒激光振荡器输出的平均功率为μW至mW量级，单脉冲能量为pJ至nJ量级，重复频率为几十kHz至于几百MHz；飞秒激光放大器单脉冲能量为pJ至mJ量级。飞秒激光放大器峰值功率可高达拍瓦(1015W)量级，聚焦后的功率密度达到1021W/cm2。

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景，同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源[1-5]。飞秒激光计量技术是目前光学计量的前沿技术之一。飞秒激光计量技术包括时域脉宽、波长、相位和功率能量等参数的计量技术，其中，脉冲宽度、脉冲波形是飞秒激光器及其应用最重要的关键技术指标参数。随着飞秒激光技术的快速发展，对飞秒激光时域参数的测试要求越来越高，需开展相关测试方法、标校方法和溯源方法的研究。

1 飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试方法

国内外主要采用自相关法(autocorrrelation， AC)、频率分辨光学快门法(frequency-resolved optical gating，FROG)、光谱相位相干直接电场重构法(spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction，SPIDER)等方法来测量飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形[5-18]。

自相关法通过测量飞秒光脉冲自扫描相关二次谐波曲线(自相关曲线)的半宽度来获得飞秒激光的脉宽。自相关仪是采用自相关法测量飞秒激光脉冲宽度的设备，自相关仪按光路形式可分为非共线(强度自相关)和共线(干涉自相关或条纹自相关)两种。自相关仪波长范围覆盖紫外至于近红外波段，脉宽扫描范围10 fs～15 ps，延迟精度(1～4)fs。强度自相关仪工作原理图见图1所示。

图1 强度自相关工作原理图Fig.1 Working principle of intensity autocorrelation

强度自相关仪工作原理：待测飞秒脉冲激光经分束器后分为强度相同的2束激光，在2束光之间引入一定的时间延迟后聚焦到非线性晶体产生二阶非线性效应，通过扫描调整光路延迟可得到二阶非线性响应信号随时间延迟量变化的曲线，即强度自相关曲线，通过测量强度自相关曲线的半宽度可得到被测飞秒激光的脉宽。

干涉自相关仪工作原理图见图2所示。干涉自相关仪工作原理：干涉自相关仪采用共线工作方式，待测飞秒脉冲激光经分束器后分为振幅相同的2束激光，其中一束激光延迟一定时间后与另一束激光合并入射到非线性晶体，通过扫描调整光路延迟可得到两束激光振幅叠加的干涉自相关曲线。干涉自相关曲线为时间延迟量的周期振荡曲线，并且振荡条纹的周期对于一定中心波长的激光是固定的，通过测量干涉自相关曲线的包络半宽度可得到被测飞秒激光的脉宽。

图2 干涉自相关工作原理图Fig.2 Working principle of interference autocorrelation

频率分辨光学开关法(FROG)是在强度自相关的基础上发展出来的飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测量方法。FROG波长范围覆盖紫外至于近红外波段，脉宽测量范围10 fs～500 ps，时间分辨率(2～4)fs。频率分辨光学开关法工作原理见图3所示。频率分辨光学开关法工作原理：将入射飞秒脉冲激光通过分束器分为两束光，其中一束作为探测光，另一束作为开关光并同时引入一定延迟时间量，两束光通过聚焦透镜聚焦到非线性介质上发生非线性效应产生信号光，通过光谱仪将不同频率(波长)成分的信号光分辨出来，使用CCD采集信号光随频率和时间变化的迹线，利用迭代算法获取入射光脉冲信息。SPIDER波长范围通常为可见至于近红外波段，脉宽测量范围为10 fs～500 ps，时间分辨率精度(2～4)fs。

图3 频率分辨光学开关法工作原理图Fig.3 Working principle of FROG

光谱相位相干直接电场重构法(SPIDER)是基于光谱剪切相干原理，通过光谱剪切相干获取飞秒激光频率信息和相位信息，再通过脉冲波形重构得到脉冲宽度。光谱相位相干直接电场重构法工作原理图见图4所示。

图4 SPIDER工作原理图Fig.4 Working principle of SPIDER

光谱相位相干直接电场重构法测量原理：待测飞秒脉冲激光经分束器后分为2束激光,其中一束光通过色散器展宽为啁啾脉冲,另一束光经迈克尔逊干涉仪分为2个具有一定时间延迟的脉冲对,然后再聚焦到非线性晶体进行频率转换；2束激光脉冲由于存在时间延迟,非线性和频后它们的中心频率就出现了微小的变化量，这个频率差称为光谱剪切量；由光谱仪记录和频脉冲对的光谱干涉条纹, 利用反演算法可得到被测飞秒激光脉冲的脉冲宽度、脉冲波形和相位。

2 飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试方法比较

自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法等超短激光脉宽测试方法主要优缺点对比如表1所示。

表1 超短激光脉宽测试方法比较Table 1 Comparison of ultrashort laser pulse width measurement methods

续表

从表1可知，基于光谱相位相干直接电场重构法的超短激光脉宽测试仪结构复杂，脉宽测量范围和波长响应范围依赖于非线性晶体厚度和切割角等相位匹配参数，不适合飞秒至亚皮秒大量程范围激光脉冲宽度快速测量。

自相关法脉宽测量范围广、灵敏度高、结构简单、环境适应性强，是目前最常用、最简便的超短激光脉冲宽度测试方法。考虑到自相关法不具备脉冲波形测试能力，为提高对复杂脉冲波形激光脉宽的测试精度，采用二次谐波频率分辨光学快门法(SHG-FROG)进行脉冲波形测试。

3 飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪研制

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪主要由主机(光学头)、控制盒、光电探测组件以及测试软件等组成，系统组成图如图5所示。飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪光学头主要由相位延迟单元、倍频单元、光路自校准单元、数据接口单元等构成，通过调节角反射镜位置可方便实现非共线和共线两种工作模式的切换，用于获取待测超短激光脉冲的强度自相关信号(非共线和工线两种工作模式)或干涉自相关信号。

图5 飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪系统组成图Fig.5 Composition block diagram of femto-second laser pulse width and waveform measurement device

光电探测组件主要由光电倍增管(PMT)探测模块、雪崩光电二极管(APD)探测模块、FROG脉冲波形测试模块、数据接口单元等组成，针对不同波长和不同重复频率超短脉冲激光，可方便更换不同的探测模块(PMT/APD探测模块)，实现(600～1 600)nm波长响应范围、(10～3 500)fs范围超短激光脉宽测量。FROG模块采用二次谐波频率分辨光学快门法(SHG-FROG)实现脉冲波形测试功能。

控制盒主要由主控单元、延迟触发扫描控制单元、电源单元、数据采集单元、数据接口单元等组成，用于控制主机相位延迟单元工作以及采集光电探测器组件获取的超短脉冲激光自相关曲线数据(或FROG模块光谱数据)，具备同步触发控制、参数设置、与计算机通信等功能。

测试软件及计算机组成的数据处理系统，主要实现键盘操作、测试参数设置、触发控制、数据采集、数据分析调用、测试结果显示等功能。

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪测试软件基于Visual C++系统开发，在计算机(上位机)中运行，通过USB或RS232数据线与控制盒(下位机)连接，利用既定的通讯协议和函数接口与主机、控制盒进行通讯，用于设定各项参数、读取并存储测试数据，以及对测试数据进行分析处理等。

测试软件具备测试参数设置、触发控制、数据分析调用、键盘操作、显示等功能，能处理并显示被测脉冲激光的自相关曲线(或脉冲波形曲线)、脉冲宽度值，根据设定的参数将预存的测量数据进行统计分析计算，得到脉冲宽度值的平均值、标准差等参数。

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪计算测试软件原理框图如图6所示，流程图如图7所示。

图6 飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪测试软件原理框图Fig.6 Software schematic diagram of femto-second laser pulse width and waveform measurement device

图7 飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪测试软件工作流程Fig.7 Software flow chart of femto-second laser pulse width and waveform measurement device

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪涉及的关键技术主要有：

1) 超短脉冲超宽光谱倍频技术

采用自相关法及二次谐波频率分辨快门法测量飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形，非线性晶体倍频过程对脉冲宽度测量分辨率有着重要的影响。需选择适当的倍频晶体材料、相位匹配类型，优化设计晶体厚度、切割角度等参数，提高脉冲宽度测试精度。

2) 高光谱分辨率和高时间分辨率FROG图谱采集技术

FROG图谱是精确重构出飞秒激光信号脉冲波形的基础，包括二次谐波信号强度随延时时间和光谱两个维度图谱采集，需对FROG模块进行优化设计，实现高光谱分辨率和高时间分辨率FROG图谱采集。

3) 超短脉冲自相关波形及激光脉冲波形重构技术

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪具备非共线、共线2种工作模式测试功能，在准确测量待测激光脉冲强度自相关曲线和干涉自相关曲线后，根据脉冲波形、自相关曲线波形才能得到待测激光脉冲宽度。需针对非共线、共线2种工作模式，对超短脉冲自相关曲线及FROG图谱进行反演重构，获取待测激光脉冲波形、脉冲宽度。

4) 超短激光脉冲宽度测试仪标定及溯源技术

为保证超短激光脉冲宽度测试仪的脉冲宽度测试精度，必须对超短激光脉冲宽度测试仪进行标定，主要涉及光电探测器光谱响应度、扫描延迟时间、相对光谱功率等标定及溯源。

4 结论

飞秒激光时域参数是飞秒激光器及其应用最重要的关键技术指标参数之一。国内外飞秒激光脉冲宽度、脉冲波形主要有自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法等，自相关法具有脉宽测量范围广、脉宽测量精度高、灵敏度高、结构简单等特点，但不具备脉冲波形测试能力，为满足大量程范围飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求，同时采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪，需解决超短脉冲超宽光谱倍频技术、高光谱分辨率和高时间分辨率FROG图谱采集技术、超短脉冲自相关波形及激光脉冲波形重构技术、超短激光脉冲宽度测试仪标定及溯源技术等关键技术。