Фазовое сканирование с многофотонной внутриимпульсной интерференцией - Википедия - Multiphoton intrapulse interference phase scan

Фазовая развертка многофотонной внутриимпульсной интерференции (МИПИ) - метод, используемый в ультракороткий лазер технология, которая одновременно измеряет (фазовая характеристика) и компенсирует (фазовая коррекция) фемтосекундные лазерные импульсы с помощью адаптивного формирователь импульсов. Когда ультракороткий лазерный импульс достигает длительности менее нескольких сотен фемтосекунд, становится критически важным определить его продолжительность, временную кривую интенсивности или его электрическое поле как функцию времени. Классические фотодетекторы, измеряющие интенсивность света, по-прежнему слишком медленные, чтобы их можно было проводить напрямую, даже с самыми быстрыми фотодиоды или же полосовые камеры.

Другие средства были разработаны на основе квазимгновенных нелинейных оптических эффектов, таких как автокорреляция, ЛЯГУШКА, ПАУК и т.д. Однако они могут только измерять характеристики импульса, но не исправлять дефекты, чтобы сделать импульс как можно короче. Например, импульс может быть линейно щебетал или представить более высокий порядок дисперсия групповой задержки (GDD), так что его продолжительность больше, чем импульс с ограниченной полосой пропускания с одинаковым спектром интенсивности. Поэтому весьма желательно иметь метод, который может не только характеризовать импульс, но также корректировать его до определенной формы для различных приложений, в которых требуются повторяемые характеристики импульса. МИИПС может не только измерять пульс, но и исправлять старшие разброс, таким образом, является очень предпочтительным 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 генерация 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 можно измерить, а дисперсию можно компенсировать для всех порядков.

Теория

Устройство на основе MIIPS состоит из двух основных компонентов, управляемых компьютером: формирователя импульсов (обычно жидкокристаллический основан пространственный модулятор света - SLM) и спектрометр. Формирователь импульсов позволяет управлять спектральной фазой и / или амплитудой ультракоротких импульсов. Спектрометр регистрирует спектр нелинейного оптического процесса, такого как генерация второй гармоники, создаваемая 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. Как правило, известная функция наложения представляет собой периодическую синусоидальную функцию, которая сканируется по всей полосе пропускания 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

${ Displaystyle I (2 omega) = left | int {| E ( omega) | ^ {2} e ^ {я phi} mathrm {d} phi} right | ^ {2}}$

Фазы сканирование в MIIPS реализуются с введением хорошо известной опорной функции, ${ displaystyle f ( omega)}$формирователем импульса для локального устранения искажений из-за неизвестной спектральной фазы, ${ displaystyle Phi ( omega)}$, пульса. Сумма неизвестной фазы и опорной фазы задается ${ Displaystyle фи ( омега) = фи ( омега) + е ( омега)}$. Поскольку удвоенный по частоте спектр импульса зависит от ${ displaystyle phi ( omega)}$, можно точно получить неизвестное ${ displaystyle Phi ( omega)}$.

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

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

И

${ Displaystyle фи ( омега + омега) + фи ( омега - омега) = 2 фи 0+ фи '' ( омега) омега ^ {2} + ... + { гидроразрыва {2} {(2n)!}} Phi ^ {2n '} ( omega) Omega ^ {2n}}$

Согласно этому уравнению, сигнал ГВГ достигает максимума, когда ${ Displaystyle фи ( омега + омега) + фи ( омега - омега)}$ равно нулю. Это эквивалентно ${ Displaystyle Phi '' ( omega) = - f '' ( omega)}$. Сканирование ${ displaystyle f ( omega)}$, то ${ displaystyle Phi ( omega)}$ можно решить.

Итерации MIIPS для коррекции дисперсии высокого порядка фемтосекундного импульса.

С удвоенной частотой спектр записывается для каждого полного сканирования опорной фазы ${ displaystyle 4 ( pi)}$ приводит к получению двух реплик трассы MIIPS (см. рисунок 1, показаны четыре реплики). Из этих данных строится двухмерный график SHG (${ displaystyle omega, omega}$) построена там, где ${ displaystyle omega = pi c / lambda _ {SHG}}$. Спектр второй гармоники результирующего импульса имеет максимальную амплитуду на частоте, на которой вторая производная импульса была скомпенсирована. Строки, описывающие ${ displaystyle omega _ {m} ( omega)}$ 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 ${ displaystyle pi}$. Как только спектральные фазовые искажения устранены, формирователь может использоваться для введения калиброванных фаз и амплитуд для управления процессами, индуцированными лазером.

Технология MIIPS успешно применяется для селективного возбуждения многофотонных изображений и исследования фемтосекундного взаимодействия света и массы.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка двухпроходной системы МИИПС.

Расширенный лазерный луч достигает Дифракционная решетка (G) сначала отражение первого порядка отклоняется к зеркалу (M), а затем к зеркалу. изогнутое зеркало (СМ). 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 (ГВГ, ГТГ и т. Д.) Спектры в зависимости от фазового сканирования могут быть записаны как трасса MIIPS для характеристики импульса. Как только импульс охарактеризован, к ультракороткому импульсу через ПМС может быть применена фаза компенсации.

Другие методы измерения ультракоротких импульсов

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

Рекомендации

• 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. Сюй, 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) ).