Серьезное наблюдение сверхбыстрого падающего лазерного света с устранением решеток ( GRENOUILLE ) - это метод измерения ультракоротких импульсов , основанный на оптическом стробировании с частотным разрешением (FROG). Аббревиатура была выбрана из-за отношения техники к FROG; grenouille по-французски означает лягушка . [1]
Теория
Поскольку большинство методов FROG имеют автокоррелятор , они также связаны с чувствительными проблемами выравнивания. Кроме того, в большинстве FROG используется тонкий кристалл генерации второй гармоники (SHG) и спектрометр , что увеличивает требования к мощности сигнала, а также дополнительные проблемы с выравниванием. GRENOUILLE - это простое устройство, основанное на SHG FROG, в котором разделитель луча , линия задержки и компоненты рекомбинации луча автокоррелятора заменены призмой , а спектрометр и тонкий кристалл SHG заменены на толстый кристалл SHG. Эффект от этих замен заключается в устранении всех чувствительных параметров выравнивания при увеличении мощности сигнала. Эти изменения также снижают сложность и стоимость системы этого типа. Однако, как и предыдущие системы, GRENOUILLE по-прежнему определяет полные данные о фазе и интенсивности импульса и создает кривые, идентичные по форме кривым SHG FROG.
Типичная установка GRENOUILLE, используемая с теоретическим квадратным входным лучом, показана выше. Первый элемент, горизонтальная цилиндрическая линза , используется для плотной фокусировки входящего сигнального луча в горизонтальную полосу на толстом кристалле ГВГ, чтобы получить диапазон углов падения кристалла (подробнее об этом ниже). Во время фокусировки луч проходит через бипризму Френеля с углом при вершине, близким к 180 °. Бипризма Френеля представляет собой две тонкие призмы, соединенные в основании. Эффект этого элемента состоит в том, чтобы разделить луч на два источника и наложить их друг на друга в точке фокусировки в кристалле ГВГ, тем самым отображая задержку в горизонтальное положение. Это заменяет функцию автокоррелятора в оригинальных конструкциях FROG. Однако, в отличие от автокоррелятора, лучи от бипризмы Френеля автоматически выравниваются во времени и пространстве, устраняя ряд чувствительных параметров выравнивания.
Толстый кристалл ГВГ в этой установке выполняет две функции. Два идентичных луча от бипризмы пересекаются в кристалле с задержкой, изменяющейся в горизонтальном направлении, что, по сути, является процессом самозатвления. Вторая функция кристалла ГВГ - действовать как спектрометр, преобразовывая вертикальный угол падения в длину волны . Ограниченная ширина полосы синхронизма кристалла заставляет генерируемую длину волны изменяться в зависимости от угла падения. Таким образом, начальная фокусировка должна быть достаточно сильной, чтобы охватить весь спектр импульса. После кристалла ГВГ используется набор цилиндрических линз для отображения сигнала на камеру с длиной волны, отображаемой по вертикали, в то время как задержка отображается по горизонтали. [2]
В целом, в кристалле происходит ряд вещей: во-первых, два луча или импульса от бипризмы пересекаются под очень большим углом, который действует как однократный автокоррелятор, самостабилизирующий импульс для создания переменной задержки по горизонтали. направление. В вертикальном направлении ограниченная согласованная по фазе полоса пропускания кристалла соответствует другой небольшой части ширины полосы входного импульса для каждого угла падения, эффективно действуя как спектрометр. Конечным результатом является спектр длин волн в вертикальном направлении для каждой величины задержки в горизонтальном направлении.
Важно учитывать требования к «толстому» кристаллу ГВГ. При нормальной генерации второй гармоники цель состоит в том, чтобы минимизировать рассогласование групповой скорости (GVM), чтобы максимизировать ширину полосы согласования фаз. Это обычно достигается, требуя основные и вторые гармоники волновых векторов , чтобы перекрывать по всей длине кристалла, L . Однако в GRENOUILLE цель состоит в том, чтобы согласовать фазу только части ширины полосы импульса, чтобы действовать как частотный фильтр. Это приводит к ограничению, согласно которому произведение GVM и L должно быть намного больше, чем длительность импульса,. Использование определения GVM для SHG
где - групповая скорость на длине волны , ограничение
Кроме того, если кристалл слишком толстый, накопление дисперсии групповой скорости (GVD) вызовет чрезмерное растекание импульса. Чтобы этого не произошло, произведение ДГС и длины кристалла L должно быть намного меньше времени когерентности импульса,, которая является обратной величиной пропускной способности. Используя определение GVD
где - ширина полосы импульса, приводит к виду
Эти два ограничения можно переставить и объединить, чтобы получить
Произведение ширины полосы частот (TBP) импульса определяется как отношение длины импульса к времени когерентности импульса, . Это означает, что длина кристалла L будет удовлетворять одновременному условию выше, если
что считается фундаментальным отношением системы. Из этого видно, что свойства материала и размеры кристаллов будут влиять на временное и спектральное разрешение GRENOUILLE. Кроме того, глубина фокуса кристалла позволяет получить более короткий кристалл, что позволяет настраивать разрешение для импульсов с разной шириной полосы. Чтобы понять производительность данного кристалла, коэффициент A вводится в условия GVD и GVM, которые можно изменить, чтобы получить
В приведенном выше уравнении предполагается, что TBP приблизительно равно 1, что указывает на импульс, ограниченный почти преобразованием. Если A намного больше 1, то условие хорошо выполняется. Случай, когда A равно 1, считается отсечкой для выполнения условия и является границей, на которой кристалл может разрешить импульс. Обычно A выбирается как консервативное число, такое как 3. Эти уравнения можно использовать для определения рабочих пределов для данной установки в зависимости от длины волны.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Р. Требино, Оптическое стробирование с частотным разрешением: измерение ультракоротких лазерных импульсов (Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA, 2000) с. 230
- ^ П. О'Ши, М. Киммел, X. Гу и Р. Требино, "Очень упрощенное устройство для измерения ультракоротких импульсов", Опт. Lett. 26 (12), с. 932-934 (2001).