CC BY
120
УДК 006:528 Б.С. Могильницкий
СГГ А, ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
ИЗМЕРЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Представлен метод точного измерения некоторых параметров импульсной генерации: длительности сверхкоротких импульсов и точного числа синхронизованных лазерных импульсов в единицу времени.
B.S. Mogilnitsky
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRIM) 4 Dimitrova, Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
MEASUREMENT OF CERTAIN PARAMETERS ULTRASHORT LASER PULSES
The method of precision measurement of the laser pulse radiation is submitted: duration of the ultrashort pulse and the exact number of synchronized pulses per unit time.
Интенсивно развивающиеся методы генерации сверхкоротких лазерных импульсов длительностью 10-15- 10-9сек поставили задачу о точном измерении их длительности. Непосредственные фотоэлектрические методы измерений длительности таких импульсов затруднительны либо вовсе невозможны. Поэтому вместо фотоэлектрических методов разрабатываются чисто оптические методы, в частности интерферометрические [1]. К настоящему времени предложено несколько методик измерений длительности световых импульсов основанных на разных физических принципах.
Методика измерения длительности сверхкоротких световых импульсов на принципе двухфотонной люминесценции [2], обладает рядом недостатков (ограниченный контраст изображения, неквадратичная зависимость люминесценции от интенсивности радиации, низкая точность). В методе второй гармоники [3] контраст достаточно высок, но контур импульса может быть построен только по отдельным значениям интенсивности второй гармоники, что требует многократности процесса при невысокой точности. Достаточно оригинальной является методика на принципе смешения световых волн в кристаллах [4], но точность метода в работе не обсуждается. В последнее время развит метод FROG (frequency - resolved optical gating) [5,6], основанный на достаточно сложной технологии измерений.
В данной работе предлагается простой метод измерения длительности сверхкоротких импульсов света на основе принципов импульсной интерферометрии. Вернее, речь идет об измерении длительности временной когерентности [7] импульсной генерации. Поскольку сверхкороткие лазерные импульсы формируются на явлении интерференции когерентных волн в резонаторе лазера, то их временная длительность эквивалентна степени
временной когерентности импульсного излучения. Для измерения длительности сверхкоротких лазерных импульсов предлагается использовать интерферометр Фабри-Перо.
Известно, что для одиночных импульсов сверхкороткой длительности интерферометр Фабри-Перо прозрачен только при определенных условиях -когда длительность светового импульса больше времени кругового обхода резонатора ИФП [8]. При выполнении этих условий он становится оптическим временным фильтром для одиночных импульсов света. Метод основан на принципе «включения» ИФП как оптического фильтра в режим пропускания импульсов заданной длительности. Первоначально по порядку величины длительности измеряемого импульса определяется «критическая» база ИФП как с1 >(с г )/2 м, где с-скорость света, г - длительность импульса. Одно из зеркал интерферометра подвижное (закрепленное, например, на пьезокерамике). ИФП с базой несколько большей «критической» юстируется с падающим лучом на максимальное пропускание. После этого база ИФП плавно уменьшается с помощью пьезокерамики до момента «закрытия» пропускания импульсной генерации. Это означает исчезновение интерференции в ИФП (выключение фильтра), которое соответствует условию с1=(сг)/2. Теперь зафиксированная база ИФП точно измеряется с помощью двух вспомогательных диодных или газовых лазеров, частота излучения одного из которых (опорного) стабилизирована стандартным образом: по провалу Лэмба или по насыщению поглощения. Излучение этого лазера проходит через максимум пропускания ИФП (максимум аппаратной функции). Настройка на максимум пропускания осуществляется системой автоподстройки. Излучение второго лазера, перестраиваемого по частоте генерации на величину области свободной дисперсии ИФП, пропускается через ближайший к первому максимум пропускания интерферометра. Измеренная разностная частота биений А г двух вспомогательных лазеров даст прецизионно точную длину базы ИФП как с1=с/ АV м. Таким образом, точное значение длительности импульса определяется как ти=(2/Ау) сек. Таким методом может быть измерена длительность одиночных лазерных сверхкоротких импульсов вплоть до пикосекундного диапазона.
Обсудим проблему измерения разностной частоты, соответствующей межмодовому расстоянию в ИФП, формируемой вспомогательными лазерами. Поскольку разностная частота биений пропорциональна обратной величине длительности измеряемого импульса то для наносекундного импульса она равна 1ГГц. Современные методы частотных измерений позволяют непосредственно измерять такое значение частоты.
Точное измерение длительности пикосекундных импульсов будет определятся степенью развития техники прямых частотных измерений терагерцового диапазона.
Длительность фемтосекундных импульсов удобней оценивать способом работы [4], поскольку «критическая» база ИФП для фемтосекундных импульсов
п
в нашем случае должна быть порядка с! > (с т) 2 =1.5 10' м, что технически не реализуемо.
Погрешность измерения определяется уровнем нестабильности частоты
8 7
опорного лазера, которая оценивается величиной 10" -10" относительно частоты генерации. Соответственно уровень погрешности измерения размера базы ИФП
о п
такого же порядка: Ad = 10" -10" м. Поэтому абсолютная погрешность измерения длительности нано секундного импульса будет А ти = (2/с)-zk/=10"15 -10-16 сек, что составляет относительную погрешность метода измерения наносекундных импульсов на уровне (0.001-0.0001) %.
Весьма часто необходимо иметь точную информацию о числе импульсов, взаимодействующих с исследуемой средой.
Частота следования синхронизованных импульсов оценивается через параметры резонатора лазера как f =(с/2ё)Гц, где d- база резонатора лазера. Как правило, размер базы резонатора лазера имеет оценочный характер. Например, для метрового резонатора лазера межмодовый частотный интервал составляет Av=150 МГц и число лазерных импульсов, формируемых в таком резонаторе за
о
1сек оценивается в 1.5 -10 штук. Ошибка в определении базы метрового резонатора лазера в 0.1% ( Ad = 1мм) приводит к потере 103 - 104 импульсов.
Метод точного определения числа синхронизованных импульсов аналогичен вышеизложенному. Необходимо точно измерить базу измерительного интерферометра как оптического фильтра и по порядку интерференции в ИФП с такой базой, точно определить число прошедших через интерферометр импульсов.
Известно [9], что ИФП прозрачен для последовательности синхронизованных импульсов независимо от их длительности при выполнении условия равенства периода их следования АТ времени двойного обхода лазерным импульсом резонатора ИФП когда AT=(2d/c) сек. При этом необходимо соблюдение условия эквивалентности областей свободных дисперсий (частотных «гребенок» мод) резонаторов лазера и интерферометра.
После подстройки интерферометра на максимум пропускания лазерных синхронизованных импульсов с помощью подвижного зеркала, база интерферометра фиксируется и с помощью дополнительных лазеров точно измеряется как описано выше. После этого по периоду следования рассчитывается число импульсов в единицу времени как N=l/AT=(c/2d)/сек.
Погрешность измерения стабильной базы ИФП определяется нестабильностью частоты опорного лазера, что приводит, как показано, выше к
о п
ошибке измерения базы резонатора ИФП порядка 10- -10- его длины. Такая ошибка, не приводит к неопределенности в подсчете числа импульсов. Таким образом, представленный метод дает возможность точного определения числа синхронизованных лазерных импульсов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Беспалов, В.Г. Спектрально-временной анализ переходных процессов в интерферометре Фабри-Перо [Текст] / В.Г. Беспалов, Ю.Н. Ефимов, Д.И. Стаселько // Оптика и спектроскопия. - 2001. - Т. 90, № 4. - С. 900.
2. Weber, H.P. Phys.Lett [Text] / H.P. Weber // - 1968. - V. 27a. - P.321.
3. Armstrong, J.A. Appl. Phys. Lett [Text] / J.A. Armstrong // - 1967. - V. 10. - P. 16.
4. Кривощеков, Г.В. Об одном способе измерения длительности сверхкоротких импульсов света [Текст] / Г.В. Кривощеков, В.И. Строганов // Труды I-ой Вавиловской конференции по нелинейной оптике «Нелинейные процессы в оптике» / Новосибирск, 1970.
- С. 103.
5. Kane D.J., Trebino R. Single-shot measurement of the intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by using freguency-resolved optical gating. // Opt. Lett. - 1993.-V.18.,-P.823.
6. Trebino R. Freguency-resolved optical gating: The measurement of ultrashort Laser pulses // Boston, MA: Kluwer Academic. 2000.
7. Франсон, М. Когерентность в оптике [Текст] / М. Франсон, С. Сланский // «Наука».
- М., 1967.
8. Mogilnitsky, B.S. Fabry-Perot Interferometer in the World of Pulses: New Approaches and Capabilities / B.S. Mogilnitsky, Ju.N. Ponomarev // Atmospheric and Oceanic Optics. 2009. -V. 22. - № 5. - PP. 544-550.
9. Могильницкий, Б.С. Интерферометр Фабри-Перо при импульсном освещении: новый подход и возможности [Текст] / Б.С. Могильницкий // Измерительная техника. - 2009.
- № 12. - С.11.
©Б.С. Могильницкий, 2010
