【儀器使用技巧】自相關(guān)儀的工作原理和調(diào)節(jié)方法（1）
激光器脈沖寬度一般是指脈沖的半高全寬，顧名思義，就是脈沖高度為最大值的50%的全脈沖寬度（FWHM）。
隨著1960年激光器的問世，脈沖激光器由于峰值功率高而獲得廣泛的應(yīng)用，目前在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、非線性光學(xué)、激光加工、激光測(cè)距等科技領(lǐng)域都采用脈沖激光器作為光源。而隨著鎖模激光器的發(fā)展，脈沖激光器的輸出脈沖寬度已經(jīng)由ns量級(jí)縮短為ps和fs量級(jí)。
對(duì)于一般的ns脈沖激光器，可以用一個(gè)快速響應(yīng)的光電二極管（如EOT系列，升降時(shí)間小于1ns）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將之在一臺(tái)帶寬很大的示波器（比如，帶寬大于350MHz）上顯示出來，這樣可以直接讀出該待測(cè)脈沖脈寬。但是，對(duì)于ps或fs如此之短的脈沖，已經(jīng)超出光電二極管的響應(yīng)時(shí)間，故只能用條紋相機(jī)，掃描自相關(guān)儀進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)然，F(xiàn)rog和Spider也可以對(duì)超短脈沖的脈寬和相位進(jìn)行測(cè)量，但兩者的光路和后期數(shù)據(jù)處理較自相關(guān)儀復(fù)雜，這里就不再贅述了。
單次自相關(guān)儀是近十多年來發(fā)展的專門用于測(cè)量脈沖寬度的新型儀器，具有高分辮率、高靈敏度和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前已出現(xiàn)多種型號(hào)的自相關(guān)儀可用于探測(cè)超短光學(xué)脈沖的瞬時(shí)寬度，提供最佳的靈敏度和分辮率，適于測(cè)量鎖模染料或藍(lán)寶石激光器的fs脈沖和脈沖半導(dǎo)體激光器或Nd-YAG/YLF激光器的ps脈沖。
相干公司（Coherent Inc.）自相關(guān)儀
這里基于相干公司（Coherent Inc.）針對(duì)800nm波長(zhǎng)的自相關(guān)儀，闡述其工作原理和調(diào)節(jié)方法。如下圖1是自相關(guān)儀的光路圖：
圖1. Coherent Inc. 的自相關(guān)儀SSA的 (a)光路圖和 (b)實(shí)際結(jié)構(gòu)圖
由上圖1，自相關(guān)儀的結(jié)構(gòu)類似于邁克爾遜干涉儀。按照其非線性的匹配形式可分為共線結(jié)構(gòu)或非共線結(jié)構(gòu)，由于非共線的形式可使測(cè)得的和頻信號(hào)和原始基頻信號(hào)自然分開，從而消除背景基頻光，達(dá)到較高的測(cè)量精度。本例中的自相關(guān)儀SSA即為非共線結(jié)構(gòu)。
注意，這里使用了分束片BS1對(duì)輸入光進(jìn)行分束，即透射光a和反射光b，透射光a入射到延時(shí)器DL上，反射光b經(jīng)反射鏡M2后必須再經(jīng)過一個(gè)與前面BS1相同的分束片BS2，用來補(bǔ)償反射光b相對(duì)于透射光a的色散和啁啾。這里的半波片是用來改變?nèi)肷涔獾钠?，從而調(diào)節(jié)待測(cè)光經(jīng)過非線性晶體BBO后產(chǎn)生的和頻信號(hào)的強(qiáng)度。
初始入射光I(t)（這里以800nm中心波長(zhǎng)為例）經(jīng)過如圖1(a)中的BS1后分成兩束I(t)和I(t-τ)，經(jīng)由反射鏡M5后以非共線形式注入到非線性晶體BBO中，通過調(diào)節(jié)延時(shí)器DL和BBO晶體的角度，使透射光a和反射光b經(jīng)過晶體后產(chǎn)生二者的和頻信號(hào)S(τ)，即一條藍(lán)色的亮線，如圖2. (b)。每束光單獨(dú)注入BBO晶體時(shí)則無二次諧波產(chǎn)生。和頻光信號(hào)S(τ)僅與兩束入射光的強(qiáng)度有關(guān)：
所產(chǎn)生的和頻信號(hào)S(τ)由光電倍增管接受并記錄，可以顯示在示波器上，如圖2. (a)所示。
圖2. (a)示波器顯示電脈沖; (b)非線性晶體后的和頻信號(hào)
這樣，示波器上顯示的脈沖寬度（FWHM）即與實(shí)際光脈沖的寬度（FWHM）是一個(gè)確定的線性關(guān)系。即：
由此可見，利用光脈沖強(qiáng)度相關(guān)法測(cè)量脈沖寬度，實(shí)質(zhì)上就是把不可見時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)換成可見的長(zhǎng)度的測(cè)量，把光脈沖形狀的測(cè)量轉(zhuǎn)換成相關(guān)函數(shù)S(τ)波形的測(cè)量，其半寬度（FWHM）的時(shí)間間隔即為脈沖寬度（FWHM）。
該比例系數(shù)a針對(duì)不同類型的自相關(guān)儀是不同的，具體參見儀器的使用說明書。但是即使是同一臺(tái)儀器，根據(jù)調(diào)節(jié)光路或倍頻狀態(tài)的不同，其比例系數(shù)均有小的調(diào)整，需要及時(shí)標(biāo)定。
其比例系數(shù)a可以由以下方法確定：
如圖1. (a)，當(dāng)移動(dòng)延時(shí)線DL時(shí)，可以在和頻晶體后看到和頻后的藍(lán)線上下移動(dòng)，同時(shí)在示波器上顯示的自相關(guān)信號(hào)在時(shí)間軸上相應(yīng)的移動(dòng)。例如延時(shí)線移動(dòng)0.24mm時(shí)（該路光光程移動(dòng)?1=0.48mm），示波器上顯示的脈沖在時(shí)間線上移動(dòng)5.406ms，
即移動(dòng)延時(shí)器造成的實(shí)際時(shí)間變化為：
示波器上顯示脈沖在時(shí)間上的位移為：
實(shí)際脈沖寬度還要考慮激光脈沖的波形，假設(shè)這里我們輸入的光脈沖是高斯型，則需要再乘以一個(gè)變換系數(shù)k=0.707
則比例系數(shù)a
如果在示波器上測(cè)得脈沖的半高寬為τ_scope=152.4μs，即其對(duì)應(yīng)脈寬為
附，如果激光脈沖波形是高斯型、雙曲線正割型、單邊指數(shù)型，其變換系數(shù)分別為0.707、0.648、0.5.
基于自相關(guān)儀的基本原理，其結(jié)構(gòu)也可以采取不同的方式。除了共線結(jié)構(gòu)和非共線結(jié)構(gòu)外，延時(shí)器也可以采用不同的結(jié)構(gòu)，如可移動(dòng)的一對(duì)互為直角的反射鏡，可移動(dòng)的直角棱鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃平板等。其分光結(jié)構(gòu)也可依據(jù)待測(cè)光的能量和脈寬等參數(shù)分為用分束片分光和在空間上分光等。探測(cè)器也可以采用不同類型，如光電探頭，CCD探測(cè)器等。
至于自相關(guān)儀的光路調(diào)節(jié)，我們會(huì)在下一期中詳細(xì)介紹。
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