Мультифотонная внутриимпульсная интерференционная фазовая развертка

Фазовое сканирование с многофотонной внутриимпульсной интерференцией ( MIIPS ) - это метод, используемый в ультракороткой лазерной технологии, который одновременно измеряет (определение фазы) и компенсирует (коррекция фазы) фемтосекундные лазерные импульсы с помощью адаптивного формирователя импульсов . Когда ультракороткий лазерный импульс достигает длительности менее нескольких сотен фемтосекунд, становится критически важным определить его длительность, временную кривую интенсивности или электрическое поле как функцию времени. Классические фотодетекторы, измеряющие интенсивность света, по-прежнему слишком медленны для прямого измерения даже с помощью самых быстрых фотодиодов или полосовых камер .

Были разработаны другие средства, основанные на квазимгновенных нелинейных оптических эффектах, таких как автокорреляция , FROG , SPIDER и т. Д. Однако они могут только измерять характеристики импульса, но не корректировать дефекты, чтобы сделать импульс как можно короче. Например, импульс может быть линейно чирпированным или иметь дисперсию групповой задержки (GDD) более высокого порядка, так что его длительность больше, чем у импульса с ограниченной полосой пропускания.с таким же спектром интенсивности. Поэтому крайне желательно иметь метод, который может не только характеризовать импульс, но также корректировать его до определенных форм для различных приложений, в которых требуются повторяемые характеристики импульса. MIIPS может не только измерять импульс, но и корректировать дисперсию высокого порядка , поэтому он очень предпочтителен для приложений, где важно повторяющееся электромагнитное поле, например, для генерации ультракоротких импульсов, которые ограничены преобразованием или обладают определенными фазовыми характеристиками.

Метод MIIPS также основан на генерации второй гармоники (ГВГ) в нелинейном кристалле; однако вместо временного сканирования копии импульса, как при автокорреляции, к импульсу применяется управляемый и изменяющийся GDD через формирователь импульса. Интенсивность максимальна, когда исходящий импульс не имеет частотной модуляции или когда применяемый GDD точно компенсирует входящий импульс GDD. Таким образом, импульс GDD измеряется и компенсируется. Путем спектрального разрешения сигнала ГВГ можно измерить GDD как функцию частоты, так что спектральная фаза может быть измерена, а дисперсия может быть скомпенсирована для всех порядков.

Теория [ править ]

Устройство на основе MIIPS состоит из двух основных компонентов, управляемых компьютером: формирователя импульсов (обычно это пространственный модулятор света на основе жидких кристаллов - SLM) и спектрометра. Формирователь импульсов позволяет управлять спектральной фазой и / или амплитудой ультракоротких импульсов. Спектрометр регистрирует спектр нелинейно-оптического процесса, такого как генерация второй гармоники, вызванная лазерным импульсом. Процесс MIIPS аналогичен мосту Уитстона в электронике. Хорошо известная (откалиброванная) спектральная фазовая функция используется для измерения неизвестных спектральных фазовых искажений ультракоротких лазерных импульсов. Обычно известная наложенная функция представляет собой периодическую синусоидальную функцию, которая сканируется по ширине полосы импульса.

MIIPS похож на FROG в том, что для характеристики ультракороткого импульса собирается частотная характеристика. При оптическом стробировании с частотным разрешением след FROG собирается путем сканирования ультракороткого импульса по временной оси и обнаружения спектра нелинейного процесса. Это можно выразить как

${\ Displaystyle I (\ omega, \ tau) = \ left | \ int {E (t) g (t- \ tau) e ^ {я \ omega t} \ mathrm {d} t} \ right | ^ {2 }}$

В MIIPS вместо сканирования во временной области применяется серия фазового сканирования в фазовой области импульса. Трасса сканирования MIIPS состоит из спектров второй гармоники каждого фазового сканирования. Сигнал МИИПС можно записать как

${\ displaystyle I (2 \ omega) = \ left | \ int {| E (\ omega) | ^ {2} e ^ {i \ phi} \ mathrm {d} \ phi} \ right | ^ {2}}$

Фазы сканирования в MIIPS реализуются с введением хорошо известной опорной функции, , с помощью формирователя импульса к локально аннулировать искажения по неизвестной спектральной фазе, , импульса. Сумма неизвестной фазы и опорной фазы дается . Поскольку удвоенный по частоте спектр импульса зависит от , можно точно получить неизвестное . ${\ displaystyle f (\ omega)}$${\ displaystyle \ Phi (\ omega)}$${\ Displaystyle \ фи (\ омега) = \ фи (\ омега) + е (\ омега)}$${\ displaystyle \ phi (\ omega)}$${\ displaystyle \ Phi (\ omega)}$

Процедура фазовой модуляции физического процесса обычно является непрерывной функцией. Таким образом, сигнал ГВГ можно расширить с помощью разложения Тейлора вокруг : ${\ displaystyle \ omega}$

${\ displaystyle I (\ omega) = \ left | \ int | E (\ omega + \ Omega) || E (\ omega - \ Omega) | \ times {\ text {exp}} \ {i [\ phi ( \ omega + \ Omega) + \ phi (\ omega - \ Omega)] \} \ mathrm {d} \ Omega \ right | ^ {2}}$

И

${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )=2\phi 0+\phi ''(\omega )\Omega ^{2}+...+{\frac {2}{(2n)!}}\phi ^{2n'}(\omega )\Omega ^{2n}}$

Согласно этому уравнению, сигнал SHG достигает максимума, когда он равен нулю. Это эквивалентно . Посредством сканирования , то может быть принято решение.${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )}$${\displaystyle \Phi ''(\omega )=-f''(\omega )}$${\displaystyle f(\omega )}$${\displaystyle \Phi (\omega )}$

Итерации MIIPS для коррекции дисперсии высокого порядка фемтосекундного импульса.

Спектр с удвоением частоты, записанный для каждого полного сканирования эталонной фазы, дает две копии кривой MIIPS (см. Рисунок 1, показаны четыре копии). На основе этих данных строится двухмерный график для SHG ( ) где . Спектр второй гармоники результирующего импульса имеет максимальную амплитуду на частоте, на которой была скомпенсирована вторая производная импульса. Строки, описывающие${\displaystyle 4(\pi )}$${\displaystyle \omega ,\omega }$${\displaystyle \omega =\pi c/\lambda _{SHG}}$${\displaystyle \omega _{m}(\omega )}$используются для аналитического получения второй производной неизвестной фазы. После двойного интегрирования известны фазовые искажения. Затем система вводит фазу коррекции для устранения искажений и получения более коротких импульсов. Абсолютная точность MIIPS улучшается по мере уменьшения фазовых искажений, поэтому применяется итерационная процедура измерения и компенсации для уменьшения фазовых искажений ниже 0,1 радиана для всех частот в пределах полосы пропускания лазера.

Когда все фазовые искажения устранены, импульсы становятся самыми короткими из возможных и считаются импульсами с ограничением полосы пропускания | ограничением преобразования (TL). Кривая MIIPS, соответствующая импульсам TL, показывает прямые параллельные линии, разделенные символами . После устранения спектральных фазовых искажений формирователь можно использовать для введения калиброванных фаз и амплитуд для управления процессами, индуцированными лазером.${\displaystyle \pi }$

Технология MIIPS успешно применяется для селективного возбуждения многофотонной визуализации и исследования фемтосекундного взаимодействия света и массы.

Экспериментальная установка [ править ]

Экспериментальная установка двухпроходной системы МИИПС.

Расширенный лазерный луч сначала достигает дифракционной решетки (G), отражение первого порядка отклоняется к зеркалу ( M), а затем к изогнутому зеркалу (CM). Изогнутое зеркало отражает лазер на пространственный модулятор света (SLM). Фазы применяются через SLM к каждому компоненту частоты. Затем лазер отражается в обратном направлении. Используя нелинейную среду, нелинейные (SHG, THG и т. Д.) Спектры в зависимости от фазовой развертки могут быть записаны как трасса MIIPS для характеристики импульса. Как только импульс охарактеризован, к ультракороткому импульсу через ПМС может быть применена компенсирующая фаза.

Другие методы измерения ультракоротких импульсов [ править ]

• Оптическое стробирование с частотным разрешением (FROG)
• Спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля (СПАЙДЕР)

Ссылки [ править ]

• М. Дантус, В. В. Лозовой, И. Пастирк, «Измерение и ремонт: фемтосекундный мост Уитстона». OE Magazine 9 (2003).
• В. В. Лозовой, И. Пастирк, М. Дантус, «Многофотонная внутриимпульсная интерференция 4: характеристика и компенсация спектральной фазы ультракоротких лазерных импульсов». Optics Letters 29, 775-777 (2004).
• Б. Сю, Дж. М. Ганн, Дж. М. Дела Круз, В. В. Лозовой, М. Дантус, «Количественное исследование метода MIIPS для измерения фазы и компенсации фемтосекундных лазерных импульсов», J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006). ).