董光焰，郭凱敏，高勛

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州 450047；2.長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022；3.包頭師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)院，包頭 014030)

自1985年啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA技術(shù))發(fā)明以來，許多研究小組對飛秒激光脈沖與物質(zhì)的相互作用進行了廣泛的研究。飛秒激光已經(jīng)成為研究物理、化學(xué)、生物學(xué)中原子、分子的超快過程，揭示微觀物質(zhì)運動規(guī)律的基礎(chǔ)研究手段，同時，它又是產(chǎn)生激光等離子體、超短X激光、激光核聚變快速點火和新一代粒子加速器的高新技術(shù)途徑[1-10]。隨著飛秒脈沖激光器的進一步發(fā)展和完善，開辟出更多的應(yīng)用前景。

目前國際上對飛秒激光脈沖沒有直接測量的儀器，主要采用間接測量法。超短激光脈沖技術(shù)從皮秒進入到飛秒階段，雙光子熒光法，條紋相機等測量技術(shù)受時間空間分辨率的限制已經(jīng)無法使用，僅有相關(guān)法沿用至今[8-10]。相關(guān)法測量法包括強度自相關(guān)法和干涉自相關(guān)法。由于強度自相關(guān)法只能給出超短脈沖的寬度而不能給出脈沖的相位、脈沖的形狀等信息，故在飛秒激光脈沖的測量中很少用?，F(xiàn)在國際上公認的用于飛秒脈沖測量的方法主要是基于干涉自相關(guān)測量法發(fā)展起來的頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(Frequency-Resolved Optical Gating，F(xiàn)ROG)和自參考光譜相位相干電場重構(gòu)法(Spectral Phase Interfere Direct Electric-field Reconstruct，SPIDFR)。但是實驗室搭建一套FROG系統(tǒng)或者SPIDFR系統(tǒng)測量飛秒激光脈沖寬度非常復(fù)雜，若購買一套測試設(shè)備非常昂貴，本文利用光譜法測量飛秒激光的譜線寬度，根據(jù)譜線的線型函數(shù)分布，計算得到脈沖寬度，利用實驗室的自相關(guān)儀進行測量對比，給出一種簡單、廉價的飛秒激光脈沖寬度的測量方法。

1 實驗裝置

實驗測定脈寬的激光器為商用美國Coherent公司生產(chǎn)的飛秒激光振蕩系統(tǒng)(型號 Mira-900F)，Nd:YLF激光器(型號：Verdi-V10)輸出532nm的泵浦光泵浦Ti:S晶體，利用克爾透鏡自鎖模效應(yīng)輸出中心波長 800nm，脈寬為 90fs、重復(fù)頻率為76MHz的飛秒激光脈沖。實驗裝置如圖1所示，在散射板前放一個功率計，測量不同泵浦功率情況下的飛秒激光輸出功率如圖2所示。經(jīng)散光板散射的光脈沖信號用海洋公司生產(chǎn)的Ocean4000光柵光譜儀測量飛秒激光光譜。

圖1 光譜法測量飛秒激光脈沖寬度的實驗裝置圖Fig.1 The measurement setup of femtosecond pulse width by spectrum

2 結(jié)果與討論

由傅立葉變換可知，脈沖時域半高寬和頻域半高寬的乘積(時間帶寬積)必須大于等于一個常數(shù)k，即：

k依脈沖波形而異，但總是1左右的常數(shù)。脈沖的時間帶寬積和脈沖寬度存在

由(1)和(2)式，根據(jù)測量的不同輸出功率條件下的激光脈沖光譜寬度以及譜線線型，可以計算出激光脈沖寬度。

在泵浦功率是7.6 W狀態(tài)下，調(diào)節(jié)飛秒激光系統(tǒng)的雙折射晶體和棱鏡插入損耗，改變激光的輸出波長800nm、790nm、780nm對應(yīng)輸出平均功率分別為1.34W、1.37W、1.35W，測得的激光光譜如圖3 圖5所示。對應(yīng)的譜線半高寬分別為：11.624nm,9.544nm，8.092nm，實驗所測得的譜線形狀是高斯線型，對于高斯線型而言，。用高斯擬合得出脈沖譜線半高寬，根據(jù)(2)式，可算得脈沖寬度t 分別為 81.05fs，96.30fs，111.71fs。改變泵浦功率，根據(jù)測的光譜計算得到對應(yīng)不同輸出波長的脈沖寬度見表1所示。

表1 光譜法測得的脈沖寬度Tab.1 Femtosecond laser pulse width measured by the spectrum

表2 自相關(guān)法測得的脈寬Tab.2 Femtosecond laser pulse width measured by the autocorrelator

為了檢驗利用光譜法計算得到飛秒激光脈沖寬度的正確性，利用德國APE公司生產(chǎn)的自相關(guān)儀測量了泵浦功率7.6W 時輸出波長800nm、790nm、780nm對應(yīng)的脈沖寬度如表2所示。比較表1和表2可知，脈沖光譜法測得的脈沖寬度和自相關(guān)法所得結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

本文進行了光譜法測量飛秒激光脈沖寬度研究。實驗結(jié)果表明，光譜法測得的飛秒激光脈沖寬度與自相關(guān)儀測得脈寬相吻合。從實驗結(jié)果可以看出，利用脈沖光譜法測量超短激光脈沖，可以直觀準(zhǔn)確的對飛秒量級的超短脈沖激光進行測量，達到了我們的預(yù)期目標(biāo)。

圖2 飛秒激光振蕩器的泵浦與輸出功率曲線Fig.2 Output power variation with pumping power

圖3 中心波長800nm情況下的激光光譜Fig.3 Laser spectral of 800nm

圖4 中心波長790nm情況下的激光光譜Fig.4 Laser spectral of 790nm

圖5 中心波長780nm情況下的激光光譜Fig.5 Laser spectral of 780nm

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