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1、第15卷 第9期强激光与粒子束Vol.15,No.92003年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2003文章编号:100124322(2003)0920863206X高速光脉冲的测量方法112酆 达, 李 铮,唐 丹(1.北京航空航天大学电子工程系,北京100083;2.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900) 摘 要:综述了目前国际上公认的测量高速光脉冲的几种方法,主要包括电光条纹相机(SC)、快速脉冲取样、二次谐波产生(SHG)、频率分辨光学门(FROG)
2、以及光谱相位干涉直接电场重建(SPIDER)等。详细地阐述和分析了这些方法的原理、特点、适用范围以及它们的研究现状。 关键词:高速光脉冲; 脉冲测量; 光电效应; 非线性光学; 频率分辨光学门法 中图分类号:TM935.4文献标识码:A 自1965年Mocker等首次通过红宝石锁模激光器产生ps脉冲以来,高速光脉冲的产生技术获得了巨大的[1]发展。目前,利用超快分子相位调制技术可产生3.8fs的单脉冲。在超紫外光谱区,通过高阶非线性光学过[2]程即气体高次谐波可以产生as级脉冲。在物理、化学、生物、医学、通信及
3、测量等领域,利用超短光脉冲观测各种动力学过程以及超快速现象已经成为一种崭新、关键而有效的研究手段。越来越多的应用表明,研究高速光脉冲振幅和相位的测量方法,对研究超短光脉冲产生的物理机理以及进一步促进超短脉冲激光技术的发展和应用有着重要的现实意义。 目前,测量高速光脉冲的方法归纳起来可分为两大类:直接测量法和间接测量法。直接测量法利用快速光电效应进行测量,包括电光条纹相机、快速脉冲取样等方法;间接测量法利用非线性光学效应进行测量,包括二次谐波产生、频率分辨光学门、光谱相位干涉直接电场重建等方法。本文将综述上述高速光脉
4、冲测量方法的原理、特点、适用范围以及它们的研究现状。1 直接测量法1.1 电光条纹相机(SC)Wheatstone于1834年建造了第一架机械条纹相机用于研究μs火花现象,其时间分辨率只能达到1ns。为了改善性能,在此基础上出现了基于高速光电偏转原理的电光条纹相机。时间顺序的光入射到光电阴极上转换为时间顺序的光电子,经过聚焦、加速以后,在高速强偏转场的作用下,随时间顺序扩展为空间分布,再增强摄像处理。 电光条纹相机的分辨率高达亚ps,并能够快速而精确地测量光强的空间分布,这一独特性能使其长期以来一直应用于化学、生物
5、及物理等领域的皮秒现象研究中。但是这种仪器价格昂贵、结构复杂、操作苛刻,一般只在实验室环境中使用。 受光电阴极光谱响应特性限制,普通SC不能直接测量波长大于1.6μm的光脉冲。利用提升频率的转换技术,可使普通SC可测波长范围扩展到1.6μm以外,但此技术转换效率非常低。1996年,Lankhuijzen等人利用气相里德伯态原子取样完成由光子向光电子的转换,建造了一架自动远红外条纹相机,可实现中、远红外(5～85μm)光脉冲的测量,对于λ=35μm的光脉冲,其分辨率可达1.2ps。基于电子束的射频偏转原理,Aleks
6、an2[3]drov等人使用射频腔代替了普通SC的偏转板,于1999年设计了新型的射频条纹相机(RFC)并研究了其性能。实验证明RFC具有触发简单(μs精度即可)、对电子束中空间电荷的依赖性较弱(加速电压高达60kV)、易于实现、具有模块化结构等优点,其分辨率不低于700fs。1.2 快速脉冲取样 在高速光脉冲测量方法中,最简单的是使用光电探测器和示波器相结合直接进行测量。但由于目前测量精度受探测器时间响应和示波器带宽的限制,且价格昂贵,该方法一般只用于皮秒以上单路光脉冲的测量。快X收稿日期:2002208212;
7、修订日期:2003205223基金项目:国家自然科学基金2中国工程物理研究院联合基金资助课题(10176001)作者简介:酆达(19742),男,博士生,主要从事光纤、光电信息系统及测量方法研究;E2mail:fanta99@sina.com。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.864强激光与粒子束 第15卷速脉冲取样方法利用快速光电探测器接收和电取样门技术,对脉冲进行快速多点取样,其最大优点是成本低,可
8、方便实现多路光脉冲的测量。快速脉冲取样方法可分成两种:等效时间取样和实时取样。 等效时间取样又称重复取样,就是在周期脉冲串的每一脉冲上或每隔整数个脉冲上有规律地取出样点,由取出的样点重新组成一个脉冲。其最大好处就是降低了对测量系统带宽的要求,但该取样方法不能进行理想的实时测量,而且只适合重复发射光脉冲的测量。对于重复频率非常低,甚至为单次瞬变
