脈沖測量儀器Wizzler原理及使用技巧
圖一： Wizzler內(nèi)部光路設(shè)計
一、Wizzler基本原理
1. 交叉偏振濾波
要理解Wizzler的基本原理，就不得不先闡釋一下交叉偏振濾波（XPW）技術(shù)，因為此技術(shù)是Wizzler光學(xué)部分的重要知識點。
交叉偏振波產(chǎn)生基于簡并的四波混頻三階非線性原理，如圖二所示，在具有非對稱三階極化特性的氟化鋇晶體中，入射激光偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此在正交檢偏器的輸出方向會有一定量的輸出。由于XPW是三階非線性過程，因此轉(zhuǎn)化效率嚴(yán)重依賴于入射激光的強度，也正是這種強烈的強度依賴效應(yīng)，脈沖結(jié)構(gòu)中的噪聲會被檢偏器極大的抑制，因此XPW技術(shù)最早用來提高超強激光的對比度，目前已經(jīng)是商品化TW/PW激光的必備技術(shù)。
除此之外，XPW還具有展寬光譜、空間濾波和改善光譜相位的作用。
圖二： 基于非線性旋轉(zhuǎn)原理的XPW技術(shù)（圖片來源于維基百科）
2. Wizzler內(nèi)部光路設(shè)計
圖三：Wizzler內(nèi)部光路設(shè)計
如圖三所示，入射激光脈沖首先經(jīng)過定位光闌，作為Alignment的基準(zhǔn)。波片和P1-P4偏振片起到偏振旋轉(zhuǎn)、能量衰減和偏振凈化的作用。雙折射片用于產(chǎn)生和入射脈沖延時固定、偏振垂直的待測脈沖。脈沖然后經(jīng)M1聚焦到XPW晶體BaF2上，此時XPW效應(yīng)被觸發(fā)，產(chǎn)生一個偏振垂直，但是和主脈沖沒有延時的小脈沖（標(biāo)記為XPW脈沖）。偏振片P5的偏振方向與P1-P4正交，三個脈沖經(jīng)過P5之后主脈沖被阻止進(jìn)入光譜儀，只剩下具有固定延時的待測脈沖和XPW脈沖，二者發(fā)生光譜干涉。
3. 脈沖測量算法
圖四：自參考光譜干涉提取頻率域電場和光譜相位
在得到光譜干涉信息以后，就可以對此進(jìn)行處理，以得到完備的光譜強度和相位信息。
1. 如圖四所示，首先對光譜干涉圖樣進(jìn)行反傅里葉變換，得到中心主脈沖和兩個旁瓣脈沖，對旁瓣脈沖進(jìn)行濾波，并且延時到中心零點后再做傅里葉變換，即可得到參與干涉兩個脈沖的相位之差：?1（?）- ?2（?）和電場的乘積：E1(?)* E1(?)。
2. 對中心主脈沖進(jìn)行傅里葉變換，可以得到電場的平方和E12(?)+E22(?)。
至此，我們可以得到待測脈沖的完整電場幅度信息，只剩下待測脈沖的相位信息需要計算。接下來就需要因此XPW的另外一個效應(yīng)，也就是圖五左方的相位平坦效應(yīng)，也就是說XPW脈沖的光譜相位?2（?）接近為零，因此也就知道了?1（?）的值。
3. 但是XPW脈沖的光譜相位為零假設(shè)是否成立呢？就需要引入一個迭代的算法進(jìn)行修正，如圖5右方所示，經(jīng)過得到多次循環(huán)可以對光譜相位進(jìn)行修正，最終得到收斂的準(zhǔn)確相位信息。
圖五：參考脈沖的光譜相位獲取及準(zhǔn)確性修正
二、Wizzler使用技巧
由于是完全共線設(shè)計，Wizzler內(nèi)部光路調(diào)節(jié)非常簡單，尤其是掌握了以上原理以后，就算把所有的元件都拆裝一遍也不會花費很長的時間。下面就簡單描述一下Wizzler調(diào)節(jié)方法以及使用技巧。
1. 光路調(diào)節(jié)
1) 移除XPW晶體，使用入射光闌和廠家提供的輔助小孔進(jìn)行光路的對準(zhǔn)。驗證是否對準(zhǔn)的方法是看光譜儀上的強度是否最強。注意：廠家提供的小孔背面貼有四分之一波片，因此需要旋轉(zhuǎn)波片使得初始強度合適。
2) 移除小孔，此時由于偏振元件的正交性，光譜儀上應(yīng)該沒有信號，或者非常之微弱。如果有較強的信號，說明偏振片的方向有所旋轉(zhuǎn)，需要校正一下。如果發(fā)現(xiàn)有微弱的信號，并且有光譜干涉的現(xiàn)象，說明雙折射片的角度不正確，需要旋轉(zhuǎn)一下，祛除干涉條紋。
3) 放入XPW晶體，此時光譜儀上應(yīng)該有一個相對光滑的光譜出現(xiàn)。當(dāng)然，這是建立在脈沖比較優(yōu)化的前提下。如果信號較弱，需要調(diào)節(jié)一下激光系統(tǒng)中的脈沖壓縮器直到獲得最強的光譜強度信號和最寬的光譜寬度。
4) 最后一步是利用雙折射片產(chǎn)生待測信號，適當(dāng)旋轉(zhuǎn)雙折射片的角度，產(chǎn)生一個調(diào)制深度適中（筆者的經(jīng)驗大約在30%）的干涉圖樣。
5) 此時，Wizzler界面上應(yīng)該會給出一個詳細(xì)的脈沖寬度數(shù)值和相位信息。
圖六：Wizzler典型測量界面
2. 與Dazzler進(jìn)行反饋
圖七： Wizzler-Dazzler主動反饋系統(tǒng)
Wizzler的一個重要優(yōu)點是可以和Dazzler形成反饋系統(tǒng)，最終得到嚴(yán)格的傅里葉轉(zhuǎn)換極限脈沖。
進(jìn)行此項功能操作的要點就是將Dazzler和Wizzler的軟件安裝在同一個電腦上，或者安裝在不同電腦上，使用遠(yuǎn)程控制建立起通訊。
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參考文獻(xiàn)：
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2. “Self-referenced spectral interferometry，” Oksenhendler, T., Coudreau, S., Forget, N. et al. Appl. Phys. B (2010) 99: 7.
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