超快飞秒脉冲激光测量

一、超快激光是什么？

我们所说的超快激光器，一般是指脉冲宽度达到

皮秒

量级的脉冲激光器。其具有一下特点：

（1）具有极短的激光脉冲。脉冲持续时间只有几个皮

秒或飞秒。

（2）具有极高的峰值功率。其电场远远强于原子内库

仑场，具有极高的电场强度，足以使任何材料发生电

离。

近十几年来，由于啁啾脉冲放大(chirped pulse

amplification, 简称CPA)技术的提出和应用，宽带

激光晶体材料（如掺钛蓝宝石）的出现，以及克尔透

镜锁模技术的发明，使超强超快激光技术得到迅猛发

展。小型化飞秒太瓦（1012瓦）甚至更高数量级的超

强超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。 图1、100飞秒激光器时域分布

最近，更短脉冲和更高功率的激光输出，如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲，小型化

飞秒100太瓦级超强超快激光系统，以及

CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置

上获得1拍瓦（1015瓦）级激光输出已有

报道，激光功率密度达到1019～1020瓦 /

厘米2的超强超快激光与物质相互作用研

究也已开始进行。

传统的激光放大采用直接的行波放大，而

对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，

其峰值功率将很快增加，并出现各种非线

性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。 图2、脉冲序列分布

CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成

所谓的啁啾脉冲。这样，在放大过程中，即使激光脉冲的

能量增加很快，其峰值功率也可以维持在较低水平，从而

避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量

的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后，借

助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来

的宽度，即可使峰值功率大大提高。

为了突破CPA技术的一些局限性，目前国际上正在积

极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方法，如啁

啾脉冲光学参量放大（OPCPA）原理，目标是创造更强更

快的强场超快极端物理条件，特别是

图3、钛蓝宝石超快激光器

获得大于（等于）1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放

大各自的优点，是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。

OPCPA原理目前还处于中等功率层次上的预研阶段，但却蕴涵着强大的生命力。此外，超强超快

激光光束质量的优化、时空轮廓的整形与控制，周期脉宽小于10飞秒的超短激光脉冲的产生、有效

放大与性能优化，也是今后持续创新发展的主要方向。

二、测试方法 由于超短脉冲的脉冲宽度极短，与之相比，普通的电子类器件反应速度相对较慢，根本无法直接

测量超短脉冲的特性参数。这给对激光特性的研究提出了新的课题。于是人们提出了许多间接的

测量方法，并获得了很大的突破。通常人们采用的方法是白相关法，这种方法可以准确地测量出

超短激光的脉冲宽度。

在某些情况下，对于脉冲宽度小于lOfs的周期脉冲，人们还要求知道飞秒脉冲的相位信息，如果

不知道相位信息就无法得到完整的脉冲信息。因此更加能够完整地描述飞秒脉冲特性的方法被提

出。目前，测量飞秒脉冲的方法有基于自相关法的频率分辨光学快门法(FROG)光谱位相相干直接

电场重构法(SPIDER)。其中FROG法已经成为了测量超短脉冲的标准方法 1）自相关仪

自相关仪是采用迈克尔逊的光路把两束光自己相关实现超快激光的脉宽检测的。而Femtochrome

Research 公司的自相关仪使用的是旋转平

行镜实现光线的延迟。FR-103系列采用平行

平面反射镜绕中心轴旋转的迈克尔逊干涉

仪，其总体结构图如图4所示。入射激光脉

冲入射到分束片上，其反射部分经转动平面

反射镜和参考平面反射镜M3，按原路返回；

投射部分，则经反射棱镜M1和角锥反射镜后，

产生一横向位移；两光束为凹面反射镜M2聚

焦于非线性晶体上，产生的二次谐波，通过

光孔和滤光片射入到光电倍增管PMT上。 图4、自相关仪光路图

这种延迟机构可以产生延迟范围为0.1~3毫秒，定标因子为32ps/ms。 2）FROG-Mesaphotonics

FROG是frequency-resolved optical

gating的简称，中文为频率分辨光

学门。图5为其光学原理图，可见

它与自相关仪光路是一致的，唯一

不同在于自相关仪的信号使用探

测器来探测而FROG是采用光谱仪

来检测的，通过采集不同延迟时间

的光谱数据，经过算法的分析，就

能得到脉冲激光的脉宽，相位，光

谱，波形的测试。 图5、FROG光路图

可见FROG比自相关仪的功能更强，得到的信息更多。

实物图

两束混合光经聚焦镜反射到SHG CRYSTAL 后将SHG crystal 作为瞬间响应非线性光学门开关

将其作为门函数得出其乘积。 FROG系统通过SHG Crystal 来控制测试的波长

以450nm —1800nm为例， 需采用三块晶体和两个光谱仪来覆盖整个波段。 1. SHG Crystal , thin55 degree BBO 20 microns thick for 440 nm - 550 nm

2. SHG Crystal, thin.34 degree BBO 30 micron thick for 550 nm - 1000 nm.

3. SHG Crystal, standard BBO crystal, mounted. 100um thick or thicker. Any angle, Used in the

IR(1000nm - 1800nm)

所测脉宽越短时，其SHG晶体则需越薄，为的是减少它在SHG中的迟滞时间。

晶体是波长越长厚度越厚，波长越短厚度越薄。

光谱仪 HR2000+ 450nm-1200 nm

HR2000+ 1200nm-1800nm

图中的伺服是用来控制光路的delay时间τ，系统中其所采用的算是为

计算出信号Esig ( t ,τ) ,对其求傅里叶变换得到频域信号Esig (ω, τ) , 然后用实验测得的I FROG(ω,τ) 代替信号Esig (ω,τ) 的幅度得到新的Esig (ω,τ) ,经反傅里叶变换得到新的

Esig ( t ,τ)应用一定的限定条件,由新的Esig ( t ,τ) 计算出新的E( t) 作为下一次迭代的初值。

重复这个过程,直到FROG图形误差达到一个可以接受的值。