高速光脉冲的测量方法.pdf

维普资讯 第 15卷 第 9期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．15．No．9 2003年 9月 HIGH POW ER LASER AND PARTICLE BEAM S Sep．，2003 文章编号： IOOI一4322(2003)09—0863—06 高速光脉冲的测量方法 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f-I(FROG)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[1]。在超紫外光谱 区，通过高阶非线性光学 过程即气体高次谐波可 以产生 as级脉冲[2]。在物理、化学、生物、医学、通信及测量等领域，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冲测量方法的原 理 、特点、适用范围以及它们的研究现状。 l 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 s火花现象，其时间分辨率只能达到 Ins。 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 1．6m 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 1．6m 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 (5～85m)光脉冲的测量，对于 一35m 的光脉冲，其分辨率可达 1．2ps。基于电子柬的射频偏转原理，Alek— sandrov3【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 (s精度 即可)、对 电子柬 中空间电荷 的依赖性较弱 (加 速 电压高达 6OkV)、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 - 收稿 日