Способ измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов
METHOD FOR MEASURING DURATION OF FEMTOSECOND LASER PULSES

Изобретение относится к нелинейной оптике, а именно к устройствам измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов, и может быть использовано в измерительных блоках и системах технологических, исследовательских, метрологических и медицинских фемтосекундных лазерных комплексов.
Известен способ [1] измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов, который заключается в использовании схемы двулучевого интерферометра с формированием на выходе второй оптической гармоники в нелинейном оптическом кристалле. Регистрируемый отклик интенсивностей сигналов в каналах интерферометра описывается функцией корреляции второго порядка по разнице во времени задержек сигналов в каналах интерферометра. Недостатком данной оптической схемы является сложность, наличие экспериментальных шумов и необходимость применения в одном из каналов интерферометра подвижных оптических элементов, существенно снижающих точность и достоверность измерения длительности лазерных импульсов в фемтосекундном временном интервале.
Известен более точный способ (SHG-FROG) измерения временной зависимости напряженности поля ультракоротких световых импульсов [2], основанный на измерении двумерного изображения - спектрального разложения автокорреляционной функции поля исследуемого импульса.
В этом способе исследуемый импульс в интерферометре делится на две копии, с выхода интерферометра лазерные импульсы подаются на нелинейный кристалл. Процедура нелинейного преобразования фемтосекундных импульсов является симметричной по отношению к этим копиям, что в конечном итоге не позволяет однозначно определить положение временной оси на получаемой временной зависимости интенсивности импульса. Поэтому при длительности лазерных импульсов меньше 100 фс точность и достоверность измерения будет существенно снижаться. Кроме того, недостатком данного способа является сложность процедуры преобразования излучения с необходимостью измерения двумерного (Изображения спектрального состава второй гармоники этих импульсов с помощью спектрального прибора. Еще один недостаток способа SHG-FROG заключается в отсутствии прямого соответствия между фрагментами регистрируемого изображения и формой импульса, что не позволяет использовать эти изображения для качественной оценки параметров импульса и требуется компьютерная обработка получаемых изображений. Кроме того, условия сходимости применяемого алгоритма восстановления временной зависимости интенсивности поля импульса не всегда выполняются, что существенно снижает достоверность результатов.
Известен способ (Способ SPRINT) [3], основанный на использовании интерферометра и измерении двумерного изображения - спектрального разложения интерференционной картины, получающейся в нелинейном кристалле, как результат сложения пучка суммарной частоты и пучка второй гармоники исследуемого импульса. Процедура преобразования фемтосекундных импульсов в этом способе, кроме нелинейного преобразования излучения, включает спектральное разложение излучения и его регистрацию матричным детектором, что значительно усложняет оптическую схему измерения и предъявляет повышенные требования к точности и стабильности оптической системы. Как следствие, снижается точность измерения длительности лазерных импульсов в диапазоне меньше 100 фс. Кроме того, регистрация двумерного изображения требует больших вычислительных ресурсов при обработке данных и, как следствие, снижает оперативность измерений. Алгоритм восстановления временной зависимости интенсивности поля импульса имеет недостаточную устойчивость к экспериментальным шумам, что снижает достоверность результатов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения временных параметров ультракоротких световых импульсов [4], в котором посредством многозеркального интерферометра создаются две копии исследуемого импульса. Затем их направляют на нелинейный кристалл, обеспечивающий одновременную генерацию излучения второй гармоники одного из импульсов и излучения суммарной частоты от обеих копий, и регистрируют одномерное распределение интенсивности, возникающее при интерференции пучка второй гармоники исследуемого импульса и пучка суммарной частоты.
Данный способ по сравнению с прототипом [2-3] существенно упрощает процедуры оптического преобразования благодаря устранению необходимости в спектральном приборе, увеличивает чувствительность и быстродействие за счет использования обработки распределений с одномерных детекторов излучения второй гармоники и пучков суммарной частоты. Тем самым повышается достоверность измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов.
Недостатком данного способа измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов является использование интерферометра, в одном из каналов которого, как ив [1-3], применены подвижные оптические элементы, снижающие точность измерения длительности лазерных импульсов. Кроме того, при использовании линейного многопиксельного фотоприемника производится анализ дискретной автокорреляционной функции, построенной путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора, что существенно увеличивает погрешность измерения при уменьшении длительности импульсов от 100 фс.
Целями изобретения являются повышение точности измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов в диапазоне меньше 100 фс, упрощение конструкции оптической схемы измерения и увеличение стабильности интерферометра.
Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ включает создание с помощью сферического вогнутого зеркального интерферометра двух одномерных копий исследуемого фемтосекундного лазерного импульса, которые направляют на нелинейный кристалл. Нелинейный кристалл обеспечивает одновременную генерацию от обеих копий излучение второй гармоники и суммарной частоты, которое регистрируется фотоприемным устройством. При этом в нелинейном кристалле с энергией запрещенной зоны, превышающей суммарную энергию двух фотонов, падающего на него излучения, достигается процесс трехфотонной ионизации и обеспечивается линейная зависимость отношения интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники фемтосекундных импульсов к интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники импульсов длительностью 100 фс, по которой с высокой точностью определяется длительность исследуемых фемтосекундных лазерных импульсов.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».
Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:
1. Наличие градуировочного графика, как линейная зависимость отношения интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий исследуемых фемтосекундных лазерных импульсов к интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий лазерных импульсов длительностью 100 фс: .
2. Наличие в канале преобразования нелинейного кристалла трехфотонного процесса ионизации, увеличивающего эффективность генерации второй гармоники и сложения частот, когда энергия запрещенной зоны кристалла больше суммарной энергии двух фотонов фемтосекундного лазерного импульса.
3. Использование в качестве одномерного фемтосекундного интерферометра сферического зеркала.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - существенно упрощается (по отношению к прототипу) элементная база и схема электроники фотоприемника.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа. На фигуре 2 отображен градуировочный график определения длительности лазерных фемтосекундных импульсов, как экстраполяция линейной зависимости отношения интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники известной длительности к интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники длительностью 100 фс:
Способ осуществляется следующим образом: Исследуемые импульсы фемтосекундного лазера (1) подаются под острым углом на вогнутое сферическое зеркало (2), которое представляет собой интерферометр, перестраиваемый по вертикальной оси относительно центра. Данный одномерный интерферометр формирует по вертикальной оси относительно центра зеркала две копии исследуемого фемтосекундного лазерного импульса, которые направляются в виде сфокусированного излучения на нелинейный кристалл (3), у которого при наличии процесса трехфотонной ионизации энергия запрещенной зоны больше суммарной энергии двух фотонов падающего на него излучения. Нелинейный кристалл обеспечивает одновременную генерацию от обеих копий излучение второй гармоники и излучение суммарной частоты, которое через светофильтр (4) регистрируется фотоприемным устройством (5), например p-i-n фотодиодом, импульсной ПЗС-матрицей, импульсным фотоэлементом и др. Для предварительной градуировки указанной аппаратуры в измерительном канале фемтосекундного лазера используется калиброванный прибор (6) - это сканирующий зеркальный автокоррелятор или оптический спектрометр.
Длительность исследуемого фемтосекундного лазерного импульса определяется по линейному градировочному графику, как зависимость отношения интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники известной длительности к интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники при длительности 100 фс: .
g
Указанная линейная закономерность основана на том, что в качестве нелинейного кристалла (преобразователя) используются кристаллы, у которых при наличии процесса трехфотонной ионизации энергия запрещенной зоны (E) больше суммарной энергии двух фотонов фемтосекундного лазерного импульса. При уменьшении длительности фемтосекундных лазерных импульсов растет их объемная интенсивность, в канале преобразования нелинейного кристалла возрастает эффективность трехфотонного процесса ионизации, и, как следствие, увеличивается выход генерации второй гармоники и сложения частот. Эффективность трехфотонного процесса ионизации и увеличение нелинейной восприимчивости нелинейного кристалла определяются кубической зависимостью от объемной интенсивности фемтосекунного излучения. При этом выход суммарной частоты и второй гармоники имеют квадратичную зависимость от интенсивности лазерных фемтосекундных импульсов. Таким образом, зависимость отношения  линейна.
4
g
g
3
Пример 1. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, длительностью τ=50 фс, с частотой 80 МГц и длиной волны λ=800 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Длительность импульса измеряется посредством сканирующего зеркального автокоррелятора АА-20DD в измерительном канале лазера. В область гауссовой перетяжки устанавливают нелинейный кристалл КТР (KTiOPO; E=3,6 эВ), представляющий собой оптимально вырезанную и полированную пластинку 5×5×1 мм. Энергия запрещенной зоны E=3,6 эВ>2hc/λ=3,11 эВ. Путем регулировки пространственного положения кристалла и по вертикальной оси интерферометра производится настройка на максимальный уровень суммарной частоты и второй гармоники двух копий и фиксируется сигнал с фотоприемника на основе ПЗС матрицы SDU-285 с объективом. Затем, сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, устанавливают длительность импульсов 60 фс при контроле посредством указанного сканирующего зеркального автокоррелятора и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом производят установку и контроль длительности импульсов лазерного излучения 80 фс и 100 фс. По четырем измеренным значениям интенсивности строится линейная градуировочная зависимость отношения  (фиг. 2). После этого настроенную оптическую схему измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов используют без сканирующего зеркального автокоррелятора. Сохраняя настройки измерительной оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, уменьшают длительность импульсов до некоторой величины, измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению  и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов равную 25 фс (фиг. 2). Погрешность этого измерения составляет 5%, поскольку градуировочная кривая строилась на основе калибровки с использованием сканирующего зеркального автокоррелятора в диапазоне 50-100 фс, у которого погрешность 5%. Вместе с тем, точность измерения длительности лазерных импульсов 25 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции, построенной путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора составляет 20%.
Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов увеличена в четыре раза. При этом по сравнению с прототипом существенно упрощена оптическая схема измерения длительности лазерных импульсов. Тем самым повышена стабильность интерферометра, представляющего собой лишь одно сферическое зеркало, по сравнению с многозеркальной конструкцией интерферометра в прототипе. Кроме того, по сравнению с прототипом, повышена стабильность оптического тракта указанного интерферометра, поскольку в процессе измерения длительности фемтосекундных импульсов исключены механические перемещения и вибрации оптических элементов.
4
Пример 2. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, с длительностью импульсов τ=50 фс, частотой 80 МГц и длиной волны λ=800 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Оптическая схема та же, как в примере 1, и тот же нелинейный кристалл KTiOPO. В данной серии испытаний в измерительный канал фемтосекундного лазера вместо сканирующего зеркального автокоррелятора включен спектрометр ASP-75. Уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий фиксируется фотоприемником на основе p-i-n фотодиода с драйвером. Путем регулировки пространственного положения кристалла и наклона интерферометра производится настройка на максимальный уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий. Посредством спектрометра измеряют ширину оптического спектра лазерных импульсов Δλ и по известной формуле τ=0,44Δλ/c подтверждают длительность лазерных импульсов 50 фс. Затем, сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, устанавливают длительность 55 фс, измеренную посредством этого же спектрометра и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом производят измерение длительности импульсов лазерного излучения 80 фс, 90 фс, 100 фс и соответственно интенсивность на выходе фотоприемника. По полученным данным строится линейная градуировочная зависимость отношения . Данный график практически идентичен линейной зависимости, измеренной в примере 1 (фиг. 2). Затем спектрометр отключают. Сохраняя настройки оптической схемы, уменьшают с помощью встроенного в лазер решеточного компрессора длительность импульсов, измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению  и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов, которая соответствует значению 10 фс (фиг. 2). Погрешность измерения составляет 2%, поскольку градуировочный график получен на основе калибровки по спектрометру, у которого точность 2%. Вместе с тем, погрешность измерения длительности лазерных импульсов 10 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции, построенной путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора составляет 30%.
Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов и увеличивается в 15 раз. Кроме того, использование фотоприемника на основе p-i-n фотодиода, по сравнению с примером 1, существенно упрощает элементную базу и схему электроники фотоприемника.
3
g
g
3
3
Пример 3. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, длительностью τ=50 фс, с частотой 80 МГц и длиной волны λ=850 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Длительность импульса определяют по данным спектрометра ASP-75, который подключен к измерительному выходу фемтосекундного лазера. В область гауссовой перетяжки устанавливается нелинейный кристалл (LiNbO, E=3,2 эВ), представляющий собой оптимально вырезанную и полированную пластинку 5×5×1 мм. Энергия запрещенной зоны E=3,2 эВ>2hc/λ=2,92 эВ. Уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий фиксируется фотоприемником на основе p-i-n фотодиода с драйвером. Путем регулировки пространственного положения кристалла и вертикального наклона интерферометра производится настройка на максимальный уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий. Посредством спектрометра измеряют ширину оптического спектра лазерных импульсов Δλ, и по известной формуле τ=0,44Δλ/c подтверждают длительность лазерных импульсов 50 фс. Затем, сохраняя настройки лазера и оптической схемы, устанавливают длительность импульсов 40 фс, измеренную посредством указанного спектрометра и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом устанавливают и контролируют длительность импульсов лазерного излучения 60 фс, 70 фс, 85 фс и соответственно измеряют интенсивность. По измеренным данным строится линейная градуировочная зависимость отношения . Полученная линейная зависимость для кристалла LiNbO практически идентична зависимости, измеренной в примерах 1-2 (фиг. 2). Далее спектрометр отключают. Сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, уменьшают длительность импульсов до некоторой величины и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению  и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов равную 20 фс. Погрешность измерения составляет 2%, поскольку градуировочный график строился на основе калибровки по спектрометру, у которого погрешность 2%. Вместе с тем, погрешность измерения длительности лазерных импульсов 20 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции, путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора составляет 15%.
Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов увеличивается в 7,5 раз. Кроме того, сохраняется стабильность градуировочного линейного графика при переходе на другой нелинейный кристалл для другой длины волны лазерных импульсов.
4
g
g
4
3
Пример 4. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, длительностью τ=50 фс, с частотой 80. МГц и длиной волны λ=750 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Длительность импульса измеряют посредством спектрометра ASP-75, который подключен к измерительному выходу фемтосекундного лазера. В область гауссовой перетяжки устанавливается нелинейный кристалл КТА (KTiOAsO, E=3,8 эВ), представляющий собой оптимально вырезанную и полированную пластинку 5×5×1 мм. Энергия запрещенной зоны E=3,8 эВ>2hc/λ=3,2 эВ. Уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий фиксируется фотоприемником на основе p-i-n фотодиода с драйвером. Путем регулировки пространственного положения кристалла и вертикального наклона интерферометра производится настройка на максимальный уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий. Посредством спектрометра измеряют ширину оптического спектра лазерных импульсов Δλ, и по известной формуле τ=0,44Δλ/c подтверждают длительность лазерных импульсов 50 фс. Затем, сохраняя настройки лазера и оптической схемы, устанавливают и контролируют длительность импульсов 45 фс посредством спектрометра и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом производят установку и контроль длительности импульсов лазерного излучения 65 фс, 75 фс, 95 фс и соответственно измеряют интенсивность. По этим данным строится линейная градуировочная зависимость отношения . Полученная линейная зависимость для кристалла KTiOAsO практически идентична зависимости, измеренной в примерах 1-3 (фиг. 2). Далее спектрометр отключают. Сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, уменьшают длительность импульсов с помощью встроенного в лазер решеточного компрессора до некоторой величины и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов равную 15 фс (фиг. 2). Погрешность измерения составляет 2%, поскольку градуировочный график строился на основе калибровки по спектрометру, у которого точность 2%. В прототипе погрешность измерения длительности лазерных импульсов 15 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции составляет 25%. Проведенное испытание показало, что по сравнению с прототипом точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов увеличена в 12,5 раз. Кроме того, как и в примере 3, сохраняется стабильность градуировочного линейного графика при переходе на третий нелинейный» кристалл для другой длины волны лазерных импульсов, что является подтверждением, заявленной в примере 1, стабильности одномерного интерферометра в виде сферического зеркала.
Таким образом, достижение цели изобретения подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:
- увеличение точности способа.
- повышение стабильности интерферометра.
- упрощение конструкции оптической схемы измерения
Источники информации
1. Bradley D.J., New G.H.C. Ultrashort Pulse Measurement. - Proceedings IEEE, v. 62, N3, 1974, p. 313-345.
2. K.W. DeLong, R. Trebino, J. Hunter, W.E. White «Frequency-resolved optical gating with the use of second-harmonic generation» // J. Opt. Soc. Am. B, 1994, v. 11, p. 2206.
3. A. Masalov, S. Nikitin. Qiang Fu «SPRINT - technique for fs-pulse retrieval)) // Technical Digest, IQEC-2002, 2002, p. 448.
4. Патент РФ на изобретение №2305259. Способ измерения временной зависимости поля ультракоротких световых импульсов (Оптическое осциллографирование). От 2006 г. Кл. G01J 11/00. А.В. Масалов, А.В. Чудновский.