利用光谱法测量飞秒激光脉冲宽度研究

董光焰，郭凯敏，高勋

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450047；2.长春理工大学 理学院，长春 130022；3.包头师范学院 物理科学与技术院，包头 014030)

自1985年啁啾脉冲放大技术(CPA技术)发明以来，许多研究小组对飞秒激光脉冲与物质的相互作用进行了广泛的研究。飞秒激光已经成为研究物理、化学、生物学中原子、分子的超快过程，揭示微观物质运动规律的基础研究手段，同时，它又是产生激光等离子体、超短X激光、激光核聚变快速点火和新一代粒子加速器的高新技术途径[1-10]。随着飞秒脉冲激光器的进一步发展和完善，开辟出更多的应用前景。

目前国际上对飞秒激光脉冲没有直接测量的仪器，主要采用间接测量法。超短激光脉冲技术从皮秒进入到飞秒阶段，双光子荧光法，条纹相机等测量技术受时间空间分辨率的限制已经无法使用，仅有相关法沿用至今[8-10]。相关法测量法包括强度自相关法和干涉自相关法。由于强度自相关法只能给出超短脉冲的宽度而不能给出脉冲的相位、脉冲的形状等信息，故在飞秒激光脉冲的测量中很少用。现在国际上公认的用于飞秒脉冲测量的方法主要是基于干涉自相关测量法发展起来的频率分辨光学开关法(Frequency-Resolved Optical Gating，FROG)和自参考光谱相位相干电场重构法(Spectral Phase Interfere Direct Electric-field Reconstruct，SPIDFR)。但是实验室搭建一套FROG系统或者SPIDFR系统测量飞秒激光脉冲宽度非常复杂，若购买一套测试设备非常昂贵，本文利用光谱法测量飞秒激光的谱线宽度，根据谱线的线型函数分布，计算得到脉冲宽度，利用实验室的自相关仪进行测量对比，给出一种简单、廉价的飞秒激光脉冲宽度的测量方法。

1 实验装置

实验测定脉宽的激光器为商用美国Coherent公司生产的飞秒激光振荡系统(型号 Mira-900F)，Nd:YLF激光器(型号：Verdi-V10)输出532nm的泵浦光泵浦Ti:S晶体，利用克尔透镜自锁模效应输出中心波长 800nm，脉宽为 90fs、重复频率为76MHz的飞秒激光脉冲。实验装置如图1所示，在散射板前放一个功率计，测量不同泵浦功率情况下的飞秒激光输出功率如图2所示。经散光板散射的光脉冲信号用海洋公司生产的Ocean4000光栅光谱仪测量飞秒激光光谱。

图1 光谱法测量飞秒激光脉冲宽度的实验装置图Fig.1 The measurement setup of femtosecond pulse width by spectrum

2 结果与讨论

由傅立叶变换可知，脉冲时域半高宽和频域半高宽的乘积(时间带宽积)必须大于等于一个常数k，即：

k依脉冲波形而异，但总是1左右的常数。脉冲的时间带宽积和脉冲宽度存在

由(1)和(2)式，根据测量的不同输出功率条件下的激光脉冲光谱宽度以及谱线线型，可以计算出激光脉冲宽度。

在泵浦功率是7.6 W状态下，调节飞秒激光系统的双折射晶体和棱镜插入损耗，改变激光的输出波长800nm、790nm、780nm对应输出平均功率分别为1.34W、1.37W、1.35W，测得的激光光谱如图3 图5所示。对应的谱线半高宽分别为：11.624nm,9.544nm，8.092nm，实验所测得的谱线形状是高斯线型，对于高斯线型而言，。用高斯拟合得出脉冲谱线半高宽，根据(2)式，可算得脉冲宽度t 分别为 81.05fs，96.30fs，111.71fs。改变泵浦功率，根据测的光谱计算得到对应不同输出波长的脉冲宽度见表1所示。

表1 光谱法测得的脉冲宽度Tab.1 Femtosecond laser pulse width measured by the spectrum

表2 自相关法测得的脉宽Tab.2 Femtosecond laser pulse width measured by the autocorrelator

为了检验利用光谱法计算得到飞秒激光脉冲宽度的正确性，利用德国APE公司生产的自相关仪测量了泵浦功率7.6W 时输出波长800nm、790nm、780nm对应的脉冲宽度如表2所示。比较表1和表2可知，脉冲光谱法测得的脉冲宽度和自相关法所得结果基本吻合。

3 结论

本文进行了光谱法测量飞秒激光脉冲宽度研究。实验结果表明，光谱法测得的飞秒激光脉冲宽度与自相关仪测得脉宽相吻合。从实验结果可以看出，利用脉冲光谱法测量超短激光脉冲，可以直观准确的对飞秒量级的超短脉冲激光进行测量，达到了我们的预期目标。

图2 飞秒激光振荡器的泵浦与输出功率曲线Fig.2 Output power variation with pumping power

图3 中心波长800nm情况下的激光光谱Fig.3 Laser spectral of 800nm

图4 中心波长790nm情况下的激光光谱Fig.4 Laser spectral of 790nm

图5 中心波长780nm情况下的激光光谱Fig.5 Laser spectral of 780nm

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