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1、啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法(一) 技术领域：本发明用于测量ps级的啁啾激光脉冲的脉宽及啁啾系数。主要应用于基于啁啾脉冲的 泵浦探测中啁啾脉冲的参数测量以及CPA激光器中啁啾脉冲参数测量。(二) 技术背景：泵浦探测方法在研究飞秒激光驱动超快物理过程时为应用极为广泛的一项测量方法，在此方法中，有时需要把飞秒级的探测脉冲展宽成皮秒级的啁啾脉冲，利用啁啾脉冲的时间 分辨功能进行时间分辨的单发测量1，2。在此方法中，需要精确知道啁啾 ps 脉冲的脉宽 及啁啾系数。原则上，脉宽和啁啾系数可以根据展宽器(光栅对或棱镜对)参数计算得知， 然而要对此展宽的脉冲进行实验测量却存在一些困难：一方面，最常用测量脉宽
2、的二阶自相 关仪无法对ps脉冲进行测量，作为测量皮秒脉冲的脉宽最常用的仪器条纹相机价格昂贵且 在超快研究中应用较少，因而不是每个超快实验室都有配备。此外，应用三阶自相关仪以及 FROG或者SPIDER原理上也可以用来测量这种啁啾皮秒脉冲，但却需要对原装置进行重新 设计，而且测量过程繁琐。本发明提出一种简便易行的频谱干涉测量方法，利用压缩的 fs 脉冲作为参考光，通过与啁啾脉冲的频谱干涉图样可以反推计算啁啾脉冲的脉宽及啁啾系 数。1 Xiao-Yu Peng, Oswald Willi, Min Chen, and Alexander Pukhov，“Optimal chirped probe
3、pulse length for terahertz pulse measurement”， Opt. Expr. 16(16),12342,20082 J.-P. Geindre, P. Audebert, S. Rebibo, and J.-C. Gauthie，r “Single-shot spectral interferometry with chirped pulses”， Opt. Lett. 26(20), 2001(三) 发明内容：测量装置如图1所示，被展宽的待测啁啾脉冲和参考fs脉冲在经过补偿光程的延迟器 后同过一个分束片合束然后进入光栅光谱仪测量其干涉图样。高斯分布的飞秒
4、脉冲光场可以表示为：E (t)二 exp(12T-2)(1)11其中T为脉冲宽度。展宽后的啁啾脉冲表示为：E (t)二 exp(1 + ia)t2T-2)(2)22其中2a fT2，a线性啁啾系数，近似等于脉冲频带宽度与脉冲时间宽度的比值，即2a u /T(3)02假设参考光和啁啾光的时间延迟为T，两束光经过光栅光谱仪后在频域的干涉图样为2I()二 E ) + E )1 24)其中E (3)、E (3)分别为E (t)和E (t)的傅立叶变换:12E (3)=寸兄T exp i 一(33 )2T2、014丿5)exp i -(33 )2 T 2 04(1 + a 2)丿1其中 (3)二-arc
5、tan(a) +2 2 41 aT 2 (3 3 )22 0 - (1+a2)代入上式可以得到I (3) = E (3) + E (3)2=E (3) + E (3) + 2 Re E* (3)E (3)1 - -21=KT 2 exp 2 T 2(3 3 )2 + -2兀TT+兀T 2 _aexpJ1 + a2(33 )2 T 2(33 )2 T 2、01 044(1 + a 2)丿1 T2(33 )2、20.2(1 + a 2)丿COS (33 )T +0(33 )2T2a(33 )2T20 2 04(1 + a 2)47)若参考飞秒脉冲的宽度T1以及频宽吧已知，假设展宽后的啁啾脉冲光的频
6、带宽度A3不变，与飞秒脉冲频宽相同，根据式(7),当两束光的相对延迟T 一定时，光谱仪上 0所得的干涉图样只与啁啾脉冲的宽度T2相关。因此，只要通过光栅谱仪测得两脉冲光的干 涉图样，即可以通过反演计算得到啁啾脉冲的脉宽。然后通过公式(3)进而可以得到脉冲 的啁啾系数。由于使用的光栅光谱仪频谱分辨率远高于我们所用脉冲激光的谱宽，所以这种测量方 法的时间分辨率主要由参考光的频谱宽度吧决定，时间分辨率At - 2兀/吧。因此，探测光的频谱越宽，探测的时间分辨率越高。例如，如果探测光采用钛宝石激光，中心波长800nm，如果频谱宽度(半高宽)为45nm，那么测量的时间分辨率可以达到20fs。本发明的优点
7、：1、测量实施简单。为测量啁啾皮秒脉冲不需额外购置或搭建其他设备，只需用一般超快实 验室都具备的光栅谱仪、二阶自相关仪等即可完成测量。2、测量精度高。测量精度主要受飞秒脉冲的频宽决定，一般条件可以达到20fs及更高分辨 率。（四）具体实施：实验室所用激光脉宽为40fs,中心波长800nm，用光谱仪测得频谱宽度为45nm。在实 验中经过一对光栅对，将该飞秒脉冲光展宽为皮秒级的啁啾脉冲光。现要测量被展宽后的啁 啾脉冲得脉宽及啁啾系数。测量装置搭建如图1 所示，参考飞秒脉冲光经过延时器后在分束 片上与待测啁啾皮秒脉冲光合束进入光栅谱仪。仔细调节延时器，直到光谱仪上开始出现明 显的干涉条纹，此时两束光
8、已经接近同步。当干涉图样完全对称时，如图2 所示，则两束光 完全重合，即t=0，此条件下计算比较简单，所以下面测量都是在此条件下进行的。图 3 中的曲线 d 为光谱仪上测到的光谱干涉图样，根据此图样，我们利用公式（7）， 通过改变T2的值对该干涉图样进行拟和，如图三所示，当T2取4.2ps时，模拟曲线与实验 曲线吻合最好，因此该啁啾脉冲的脉宽为4.2ps。根据公式（3）可以进一步计算得到此脉 冲的啁啾系数 a=473。五）说明书附图ps啁啾脉冲图 1 啁啾皮秒脉冲频谱干涉测量方法装置示意图-5.00E-0264ps4.00E-0253.50E-0253.00E-0252.50E-0252.00E-0251.50E-0251.00E-0255.00E-0260.00E+000780800820wavelength(nm)图 2 两脉冲延迟为 0 时的频谱干涉图像图 3 由频谱干涉图样到脉宽的反演。图中 d 为光谱仪上得到的干涉图样，通过公式 6 ，改变啁啾脉冲的脉宽T2来拟和此图样。从图中可以看到，当T2取4.2ps时与干涉图样吻合最好。
