FROG超短脉冲表征技术

“测量超快激光，你必须做到更快。”——Rick Trebino，频率分辨光学门控技术（FROG）的开创者。

一、引言

理想状况下，激光脉冲的各光谱部分在时间上一致，此时脉宽最小。

然而，光学材料的色散效应通常会使脉冲的光谱相位关系产生改变，在时间方向上体现为红光和蓝光成分的相位差别，如下图所示。该效应称为脉冲啁啾，会导致超短脉冲的展宽。自相关仪可以测量超短脉冲的脉宽，但受制于光电探头的局限性，无法表征不同波长光谱之间的相位关系，因此不能对脉冲进行完整的表征。

测量脉冲光谱随时间的变化，需要重构电场。频率分辨光学门控（FROG）技术便是一种简单易行的解决方案，有下列多种衍生的搭建方式，分别适用于不同的脉冲表征：

每一种架构各有优劣，在选择时应综合考虑需要测量的激光脉冲属性。本文着重研究适用于放大器输出光的自衍射FROG（SD FROG）和适用于振荡器输出光的二次谐波FROG（SHG FROG）。前者保留了脉冲在时域中的演化这一光路实时调节很重要的特性；而且其光路与长行程自相关仪完全一致，只是用<200 µm的薄玻璃片替代了非线性介质。因此，自衍射FROG性价比高，而且易于搭建。但是它的局限性也很大，即需要振荡器无法提供的高峰值功率，所以只能用于放大器输出系统。对于振荡器输出光，唯一可行的选项是二次谐波FROG。它可以理解为光谱分辨的自相关仪。

二、二次谐波FROG

二次谐波FROG光路图如下。输入脉冲E(t)通过超快分光镜分成两束，一束固定，通过扫描另一束，以产生时间延迟τ。为避免透镜的色散效应，两束光通过一块凹面镜汇聚于非线性晶体（BBO）上产生二次谐波信号。

BBO后方的二次谐波信号位于两束入射光之间。用光阑实现滤波，并照射到光谱仪上。光强随频率和时间的演化可由下述方程表征。此方程仅包含光强E²项，因此无法获取光谱相位的符号

我们用20 fs、600 nm的激光脉冲和一块群色散468 fs²、三级色散282 fs³的介质来演示二次谐波FROG。初始脉宽20 fs，变换极限脉宽（图a），穿过介质后展宽到129 fs（图b）。啁啾脉冲仍然时间对称，因为该过程只有光强发生变化。群色散和三级色散对啁啾脉冲的影响分别显示在图c和图d。群色散导致脉冲展宽，而三级色散在时域上扭曲频率，形成马蹄型图案。

与长程自相关仪不同，为降低色散效应，二次谐波FROG装置中仅有的色散来源是3 mm的超快分光镜或5 µm的薄膜分光片。如果在光谱仪前方安装光电探测器，即可将二次谐波FROG装置转化为低色散自相关仪。

三、自衍射FROG

自衍射FROG的光路与二次谐波FROG类似（见下图）。为减小分光不对称导致的色散效应，应当尽量使用5 µm的薄膜分光片。由于振荡器输出光重复频率较高，需要极高的平均功率才能产生非线性反应需要的脉冲能量，从而会损伤光学元件，因此自衍射FROG不适用于振荡器。

该装置与二次谐波FROG的不同点在于非线性介质的选择——硼硅酸盐玻璃，大约200 µm厚，可产生自衍射信号。光谱仪收集的便是经光阑过滤的自衍射信号

与二次谐波FROG不同，该公式包含电场的一次项，因而保留了相位符号，可以通过逆变换获取完整的光谱相位信息。

上图展示的自衍射FROG光谱与二次谐波FROG类似，但介质的色散导致脉冲不对称（图b）。群延迟色散产生脉冲展宽，其中低频信号先于高频信号被采集（图c），而象征三次啁啾的三级色散产生马蹄型FROG图案，但脉冲仅在T₀之前发生扭曲。

四、数据处理

上文列举的两个公式并没有标准解，需要运用二维相位检索算法。“FROG 3.0”软件便是完美的解决方案。关于软件的安装与使用本文不予赘述，有兴趣的读者可以点击阅读原文详细查看。

五、FROG光路的搭建

Newport供应FROG套件，可自行搭建。FROG的光学元件和配件，如下图所示。

上述子系统准备完毕，并用两面反射镜精确定位输入光路后，便可按照下方示意图搭建FROG光路。

二次谐波FROG光路近似于长程自相关仪。如果在光谱仪前方插入一个光电探测器，即可将该装置用作自相关仪。如需搭建自衍射FROG，也可先按照上述光路搭建二次谐波FROG，再用薄玻璃替代BBO晶体，并在其前方安装一个光阑用来降低光强产生白光。

参考文献

Rick Trebino, “Frequency-Resolved Optical Grating: The Measurement of Ultrafast Laser Pulses”, (Norwell, MA, Kluwer Academic Publishers, 2000)

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