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文檔簡介
1、BBO晶體厚度對光譜相位干涉儀性能的影響 BBO晶體厚度對光譜相位干涉儀性能的影響33柴 路33,何鐵英,張志剛,邢岐榮,王清月(天津大學(xué)精密儀器與光 近些年來,飛秒激光脈沖的寬度在近紅外波段已經(jīng)到達12個光學(xué)周期,在X光波段已經(jīng)進入阿秒(10-18s)量級1,2,這對飛秒脈沖測量技術(shù)提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn).由于飛秒光脈沖只能采用間接測量方法,即利用激光與非線性晶體材料相互作用的頻率上轉(zhuǎn)換效應(yīng),將時間的"超快過程"轉(zhuǎn)換成上轉(zhuǎn)換頻率的相關(guān)函數(shù)強度隨時間分布的"慢變過程",用現(xiàn)有的 3 基金項目:國家自然科學(xué)
2、基金資助項目(60178007);等離子體物理國家級重點實驗室基金資助項目(51480040103J W1401);國家重點基礎(chǔ)研究專項經(jīng)費資助項目(G199907520122,2003CB314904);教育部高等學(xué)校骨干教師資助計劃資助項目33E2mail:ull1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. BBO的透過率也明顯高于LBO晶體.所以,目前飛秒脈沖測量儀器普遍選用BBO晶體.近幾年,測量脈沖相位信息的技術(shù)得到了重視和發(fā)展,其中最具代表性有頻率分辨光 我們知道
3、,測量的原則就是測量過程中不能對待測量引入畸變.由于飛秒脈沖在時域持續(xù)時間越短,在頻域光譜范圍就越寬.因此,對于采用光譜測量的SPIDER方法,必須有適合待測量且足夠大的光譜帶寬,而影響光譜帶寬的最主要因素是BBO晶體的光譜濾波作用.光譜濾波作用是由于不同的波長所對應(yīng)的最佳相位匹配條件不同,因此形成了一個頻譜轉(zhuǎn)換效率的窗口,其作用相當(dāng)于頻譜濾波器.在SPI2DER設(shè)計中,如何選取BBO晶體的參數(shù)使其適合測量的光譜范圍盡量寬,并同時在所要求的帶寬內(nèi)保證盡可能高的轉(zhuǎn)換效率,對于提高測量精度,減小誤差是非常關(guān)鍵的因素.本文通過數(shù)值模擬和實驗驗證重點討論了SPIDER中BBO晶體的光譜濾波作用對測量結(jié)
4、果的影響,以及對于不同的測量脈沖如何選取BBO晶體的參數(shù).本文的結(jié)果對于超短脈沖測量中如何選取非線性光學(xué)晶體具有指導(dǎo)意義.2 BBO晶體的選取原則在SPIDER干涉儀中,2個完全相同帶有時間延遲的待測脈沖與1束帶有強烈啁啾的展寬脈沖在BBO倍頻晶體中進行頻率上轉(zhuǎn)換,從而在頻域上產(chǎn)生大小為的光譜剪切,由此得到的光譜剪切干涉譜包含了待測脈沖的全部光譜相位信息.對得到的光譜剪切干涉譜用相位還原算法進行處理,可以直接得到脈沖的光譜相位,再配以單個待測脈沖光譜的測量,可以快速還原出脈沖的時域電場6.其過程如圖1所示.圖1 SPIDER中脈沖頻率上轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 Frequencyupconvers
5、ioninSPIDER從圖1可見,待測脈沖對與展寬脈沖在非線性晶體中進行頻率上轉(zhuǎn)換,因此非線性晶體的帶寬必須足夠大以保證被測脈沖的所有頻率成分都參加了和頻,即脈沖的相位成分沒有在和頻過程中損失掉.所以,非線性晶體參數(shù)的正確選擇是十分重要的.此外,還要保證和頻信號與脈沖對以及展寬脈沖自身的倍頻信號的有效分離.一般來說,對于脈沖在BBO晶體中的和頻過程,既可以采用類相位匹配,也可以采用類相位匹配.同種類相同厚度的兩種相位匹配晶體相比,類相位匹配的轉(zhuǎn)換效率要高于類;而類中O光光軸方向的帶寬要比類的帶寬大7.采用較薄的BBO晶體可以適當(dāng)加寬類的帶寬,進而補償和頻光譜成分的損失.當(dāng)然這是以犧牲轉(zhuǎn)換效率為
6、代價的.但是在SPIDER測量中,只要能夠得到足夠清晰的光譜剪切干涉譜,強度對測量結(jié)果的影響不大.此外,類相位匹配的另一個優(yōu)點是不需要寬帶偏振旋轉(zhuǎn)元件,因此在SPIDER裝置的校準(zhǔn)中幾乎不需要改變BBO晶體的位置及取向8.為了方便區(qū)分和頻信號與展寬脈沖對及啁啾脈沖各自的倍頻信號,非共線和頻光路是一種較好的選擇.不同的非線性晶體具有不同的帶寬,對于類相位匹配的250m厚的BBO晶體,其相位匹配函數(shù)的橫截面示意圖如圖2所示9.從圖可以看出,BBO晶體O光光軸方向的帶寬比其E光光軸方向的帶寬大很多.因此,如果待測脈沖很窄,即其帶寬比E光方向的帶寬大,則需要考慮選擇類相位匹配的BBO晶體,且必須保證脈
7、沖對沿O光方向進入晶體,而讓展寬脈沖沿E光方向進入晶體,這樣就保證了非線性晶體沒有對脈沖的頻率產(chǎn)生額外的調(diào)制,使測量結(jié)果的準(zhǔn)確性;如果待測脈沖寬度較寬,帶寬較小且可以完全被非線性晶體E光方向的帶寬覆蓋,則可以考慮使用類相位匹配的BBO晶體以獲得更高圖2 BBO晶體類相位匹配帶寬圖Fig.2 ThebandwidthofBBOwithphasematching092 光電子 激光 2005年 第16卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的和頻效率.3 BBO晶體光譜
8、濾波的數(shù)值模型經(jīng)典的SPIDER光譜剪切干涉譜的信號具有9D(c;,)=d| SA(-cc)d NPl(-) E()+ SPl() E()|2(1)并可以進一步表示為D(c;,)=|E(c)+E(c-)|2其中,E(c)+E(c-)為經(jīng)過頻率上轉(zhuǎn)換的脈沖對電場.在頻域中將其表示為二次諧波的形式,即有E(c,)dE(c)E(c-)expi(/2)+iref(c-).所以有DSHGSPIDER(c;,)|dE(c)E(c-)expi(/2)+iref(c-)|2(2)考慮類相位匹配,且令=c/2,非線性晶體BBO作為光譜濾波器的基本表達式為R(c,L)=Q(c)3c/ne(c)|2(c,c/2,c
9、/2)|2sinc2k(c/2,c/2)L/2(3)其中,Q(c)為儀器探測靈敏度;L為非線性晶體的厚度.根據(jù)經(jīng)典非諧振子模型10,二階極化系數(shù)為2(c,c/2,c/2)1(c) 1(c/2) 1(c/2)=n2o(c/2)-12n2e(c)-1考慮兩路基頻光束為小角度(0)非共線的情況,相位匹配為k(c/2,c/2)=2ko(c/2)cos0no(c/2)-ke(c)則SPIDER實際測量信號可以表示為S(c;L,)R(c,L)DSHGSPIDER(c;,)(4)4 計算結(jié)果根據(jù)式(3)計算的BBO光譜濾波器帶寬曲線如圖3所示,其效率曲線的半高寬達到150nm以上.從圖可以看出,BBO光譜濾
10、波器主要由3部分構(gòu)成;3c因子;二階極化場|2|;相位匹配曲線sinc2.其中,3c因子是由于基頻模式的不同以及麥克斯緯方程的限制,這一因子對濾波器效率的影響較大,主要表現(xiàn)在其效率隨波長的增加存在較大幅度的下降;二階極化場|2|2對濾波器效率影響的形式與3c因子相似,不同之處在于其效率隨波長增加而下降的趨勢比較平緩;相位匹配曲線sinc2是光譜濾波器的重要組成部分,它的形狀和帶寬取決于晶體的厚度,放置方向以及相位匹配的類型.在小角度的情況下,與群速失配相比較,由晶體材料色散引起的脈沖展寬是可以忽略的11.因此,對于一定的帶寬要求,相位匹配條件決定了晶體厚度的范圍.換句話說,在待測脈沖波長和晶體
11、材料確定之后,決定光譜濾波窗口寬度的參量是晶體的厚度.圖3 20mBBO晶體的光譜濾波器效率Fig.3 TheefficiencyofspectralfilterR(c,L)ofBBOwiththicknessof20m不同厚度BBO晶體的光譜帶寬曲線如圖4所示.從圖可以看出,隨著晶體厚度L的增加,BBO光譜濾波器的帶寬向長波長漂移,呈明顯變窄的趨勢:L=20m時,其半高寬在150nm以上;但當(dāng)L增大到200m時,其半高寬下降到不足50nm.隨著晶體厚度的減小,轉(zhuǎn)換效率逐漸降低,圖中轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)歸一化.SPIDER測量技術(shù)以光譜儀測到的光譜剪切干涉譜為基礎(chǔ).也就是說,光譜剪切干涉譜是否失真,直
12、接決定著最終還原出待測量的真實性和精度;而晶體轉(zhuǎn)換效率高低也決定著測量的靈敏度.因此,合理地選擇BBO晶體的參數(shù)就成為SPIDER裝置設(shè)計的關(guān)鍵.由于不同的脈沖有不同的光譜帶寬,所以對不于不同寬度的待測脈沖,要選擇適當(dāng)厚度的圖4 不同厚度BBO晶體的光譜帶寬圖Fig.4 BandwidthsofBBOwithdifferentthickness192第3期 柴 路等:BBO晶體厚度對光譜相位干涉儀性能的影響 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. BBO晶體,既要保證必
13、要的光譜帶寬窗口,又要保證在光譜帶寬窄窗口內(nèi)足夠的轉(zhuǎn)換效率.圖5表示了對2種不同脈沖寬度的中心波長為800nm的待測脈沖,可選擇的BBO晶體厚度以及形成的光譜濾波窗口與測量脈沖干涉譜的關(guān)系.在圖5(a)中,對于20fs的脈沖,可采用L=50m的BBO晶體,其光譜轉(zhuǎn)換效率大于0.5的帶寬完全可以覆蓋整個干涉譜的波長范圍;在圖5(b)中,對于50fs的脈沖,可采用100m的BBO晶體,其光譜帶寬就已經(jīng)可以滿足其譜寬的要求.圖5 (a)50m晶體帶寬及20fs脈沖干涉譜;(b)100m晶體帶寬及50fs脈沖干涉譜Fig.5 (a)Bandwidthof50mBBOan 為了驗證以上計算結(jié)果,在SPI
14、DER裝置中分別使用2種厚度的BBO晶體,對同一臺摻鈦藍寶石飛秒激光器的輸出脈沖(大約20fs)進行了測量.圖6顯示了采用厚度為1mm和50m的BBO晶體測量同一對象獲得的光譜帶寬和還原出的光譜相位.圖6 實測不同厚度BBO晶體的帶寬和對應(yīng)的光譜位相Fig.6 Spectralbandwidthsandphaseswith1mmBBOand50mBBO由于較厚晶體的光譜濾波窗口較窄,切掉了待測脈沖的光譜成分,引入了極大的測量誤差;而薄晶體具有足夠?qū)挼墓庾V光譜濾波窗口,測量結(jié)果誤差很小.因此,為了使SPIDER的適用較大的測量范圍,應(yīng)該選擇盡可能薄的BBO晶體;但是晶體太薄又導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率太低和測
15、量靈敏度下降.所以,SPIDER裝置中BBO晶體的選擇要兼顧以上兩個方面.根據(jù)可能測量的待測脈沖寬度的變化范圍以及能夠測量飛秒激光振蕩器輸出脈沖能量水平的要求,我們選擇50m厚度的BBO晶體具有較高的性能價格比.6 結(jié) 論通過建立SPIDER測量裝置的BBO晶體光譜濾波器模型,運用數(shù)值方法定量計算了不同厚度BBO晶體的光譜濾波窗口的帶寬;指出了BBO晶體的光譜濾波效應(yīng)對測量結(jié)果的影響極其選取的基本原則,并通過實驗給予驗證.本文的結(jié)果對于超短脈沖測量中如何選取非線性光學(xué)晶體的參數(shù)具有指導(dǎo)意義.參考文獻:1 SchenkelB,BiegertJ,KellerU,etal.Generationof3
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