自相关仪原理简述
发布人:新特光电 时间:2018-08-03 关注:

自相关仪主要被用来测量锁模激光器的超短脉冲宽度。利用光电探测的方法一般不能测量锁模激光器的脉冲宽度,光电探测器和示波器的最快响应时间约200fs,然而激光脉冲可以做到几个飞秒。自相关仪一般利用到的光学非线性效应有:二次谐波产生(SHG)、双光子吸收(TPA)、以及更高阶的非线性效应。Femto Easy自相关仪,将激光的时间量变成空间量,即将时间的测量变成对长度的测量。将脉冲激光用50/50的分光片分成两束,利用镜片组在一束光里引入延迟,然后将两束光合并,让一束激光对另外一束光进行扫描,使得合并后的激光通过非线性晶体产生非线性效应,或者直接采用双光子吸收测量,再由示波器进行接收,这样就可以得到激光脉冲的脉宽信息。

脉冲宽度是脉冲激光器的重要性能指标,利用扫描自相仪可以测量ps 和fs 的脉冲宽度。随着激光器的问世脉冲激光器由于峰值功率高而获得广泛的应用, 目前在化学反应动力学、非线性光学、光语分析、激光加工、激光测距等科技领域都采用脉冲激光器作为光源。脉冲激光器的脉冲宽度已从毫秒和纳秒提高到皮秒和飞秒。

关于脉冲激光器脉冲宽度的定义,对于单纵模输出,其脉冲宽度定义为脉冲高度50% 的全脉冲宽度(FWHM);对于多模输出,其脉冲宽度为最佳拟合包络脉冲的FWHM 。对于一般脉冲激光器,通常可以利用一台带宽大于350MHz 的示波器,和快速光电二极管(升降时间小于1ns )进行测量。对于ps 和fs 脉冲激光器,则只能使用条纹相机,或扫描自相关仪进行测量。扫描自相关仪是近十多年来发展的专门用于测量脉冲宽度的新型仪器,具有高分辫率、高灵敏度和使用方便等优点。目前已出现多种型号的自相关仪可用于探测超短光学脉冲的瞬时宽度,提供最佳的灵敏度和分辫率,适于测量锁模染料或蓝宝石激光器的fs 脉冲和脉冲半导体激光器或Nd-YAG/YLF 激光器的ps 脉冲。

利用测量激光的脉冲宽度,整套系统应包括光学系统和用于控制与显示的计算机系统。自相关仪的光学系统类似于迈克尔逊干涉仪的结构,可以有两种形式共线的和非共线的,如图所示。图中入射光脉冲经分束片分为两束光,然后分别经两棱镜反射后再次共轴输出,即为共线型。

自相关仪

显然,调节棱镜的位置可以使两束光分别有不同的光程,连续改变棱镜的位置可以形成一个脉冲序列对另一脉冲序列的扫描,形成相关函数的波形。选择倍频晶体的方向使输入光E(t)和E(t-τ)一两束光的波矢量都稍偏离相位匹配方向,因而在单独入射时不产生二次谐波,当两束光同时入射时因合成矢量满足相位匹配条件则产生二次信频其信号与两束光强的乘积有关,由于倍频光信号仅与两束光强度的乘积项有关:因此所产生的二次谐波,由光电倍增管接收并予记录。图所示则是目前应用比较广泛的非共线相关测法,其中两光束通过透镜聚焦于晶体上,其二次谐波通过滤光片和调节光阑为光电倍增管接收并予记录。非共线相关测量法能消除背景光,可以达到较高的测量精度。由此可知,利用光脉冲强度相关法测量脉冲宽度,实质上就是把时间的测量转换成长度的测量,把光脉冲形状的测量转换成相关函数是S(τ)动波形的测量,其半宽度的时间间隔即为脉冲宽度。而自相关仪的光学结构则主要由分束片、延迟器、晶体、滤光片和光电倍增管等组成,其中分束片、晶体、滤光片和光电倍增管主要根据入射激光脉冲和二次谐波波长的匹配来选择。而延迟器则可以采用不同的光学结构,它们可以是平移直角棱镜、转动反射镜和转动玻璃平板等,这在下面的实例中可以看出它们的具体结构。

根据激光脉冲宽度的定义,如果将自相关仪接入示波器,在屏幕上显示出自相关曲线的波形,按设定的示波器时间基a,由其半宽度的格值可以读出其半宽度格值(X),而其实时值则必须考虑定标因子(T/t)(psec/msec),即X(T/t),这里为延迟时间t 为扫描时间,T/t对于不同类型的仪器是不同的,参见具体仪器的说明书。最后,实际的脉冲宽度还要考虑激光脉冲的波形系数高斯型、双曲线正割型、单边指数型,其变换系数分别为0.707、0.648、0.5。也就是说,如果是高斯型脉冲,则其实际脉冲宽度为X*(T/t )*a*0.707 。上述测试控制和计算完全可以由计算机系统实现。

法国Femto Easy是一家专业从事超快测量的公司,位于法国波尔多CELIA实验室,该实验室在高能超短脉冲领域拥有丰富的专业知识,为超快激光器提供强大而可靠的测量设备,已在一些最先进的实验室中使用。产品系列包括单次自动相关仪、紧凑型光谱仪和光束分析仪等,这些产品非常易于使用,紧凑,便携和多功能,使其成为客户服务的理想工具,新特光电授权代理法国Femto Easy所有产品,为国内外广大客户提供售前、售中和售后服务!

1.STFE-ROC系列超紧凑自相关仪

ROC(Row Optical Correlator)自相关仪是一款超紧凑的高品质自相关仪,可进行单次发射测量。优良的设计使其极易进行光束对准,无需校准和调整,即使经过搬运也不影响仪器的优良性能。除了这些优点,ROCs自相关仪还提供了卓越的技术性能和高精度的测量,可应用于不同波长和脉冲宽度的测量。

STFE-ROC系列超紧凑自相关仪

产品特点:

  • 无需校准!
  • 操作极其简便
  • 安装及测量准备仅需两分钟!
  • 适用于任何重复率
  • 单发测量最高可达80 kHz[1]
  • 空间分辨测量
  • 高精度
  • 低至5飞秒
  • 宽光谱范围
  • 超紧凑和便携
型号 STFE-ROC-FC 600 STFE-ROC-FC 400 STFE-ROC-FS 600 STFE-ROC-FS 400 STFE-ROC-PS τ 600 STFE-ROC-PS τ 400
脉宽范围(fs) 5-150 5-150 20-500 20-500 50-10000 50-5000
波长范围(nm) 600-2100* 450-2100** 600-2100* 450-2100** 600-2100* 450-2100**
脉冲重复率 从Hz到GHz
脉冲能量(nJ)[2]
单发:
1 MHz:
1 GHz:
 
>1000
>10
>0.05(低能量选项)
输入偏振 线性垂直或水平
探测 CMOS 12 Bit - 3 Mpx - 72 dB
计算机接口 USB 3 或 GigE
光束直径(mm) 30 - 无限
尺寸规格(mm) 55×56×265 55×56×265 55×56×265 55×56×265 55×56×195 55×56×195
τ4个脉宽范围可选:
  • PS1: 50-1000 fs
  • PS3: 200-3000 fs
  • PS5: 300-5000 fs
  • PS10: 500-10000 fs
* ROC 600的4个波长选项:
  • 700-1200 nm (R)
  • 1000-1600 nm(IR1)
  • 1400-2100 nm(IR2)
  • 700-2100 nm(BB)
** ROC 400的6个波长选项:
  • 与ROC 600(R,IR1,IR2)相同
  • 450-640 nm(B)
  • 500-800 nm(G)
  • 450-2100 nm(BB)
  • 超过80kHz,测量值平均为几个脉冲。脉冲的个数取决于激光的重复率(如:4个脉冲对应于200kHz)。根据您的需求,我们的设备可以制造为具有更高的峰-峰测量能力。
  • 最小的平均输入功率为10mW,1MHz。最大的平均输入功率为2.5W,这意味着绝大多数情况下,光束可以直接入射ROC。

1. 软件界面图。此软件界面直观友好,兼容触摸屏操作,可以在Linux和Windows下运行,它可以通过PC,平板电脑或者智能手机进行远程操控。另外,也可以根据需求提供定制的软件开发。

2. 多周期脉冲宽度测试结果示例(STFE-ROC FC-700)。上图为空间分辨自相关轨迹原始图像;下图为自相关轨迹分析耦合结果,试验数据(红线)被拟合成高斯函数(蓝线)。自相关轨迹的半高全宽是8.3fs,对应的高斯脉宽为5.9fs。

3. 低能量激光脉冲宽度测量结果(STFE-ROC FC-400测试Ti:Sapph振荡器,测量的平均功率仅为20mW,重复率为62MHz,单脉冲能量为0.3nJ)。下图是空间分辨自相关轨迹原始图像。上图自相关轨迹在分析耦合结果。实验数据(蓝线)被拟合成高斯函数(红线)。自相关轨迹的半高全宽为30.4fs,对应的高斯脉宽为21.5fs。

2.STFE-FROG系列实时相位还原自相关仪

FROG(Frequency Resolved Optical Gating)系列产品基于二次谐波原理,具有可靠和紧凑的特点。波前分裂技术和微型成像光谱仪的运用使得FROG极易操作和具有极高的品质。6种型号覆盖了超宽的光谱范围和从小于5fs到10ps。FROG主要分为两种类型:长脉冲,主要应用于透射光学;短脉冲,完全消除色差。我们同样提供波长可调式快速FROG,它具有非常宽的光谱范围和极高的光谱分辨率。

STFE-FROG系列实时相位还原自相关仪

产品特点:

  • 操作极其简便
  • 高精度
  • 实时相位还原
  • 无需校准和调试
  • 低于5fs的脉宽
  • 单发测量高达80kHZ[1]
  • 宽光谱范围(450-2000nm)[2]
  • 消色差和非色散的多周期模型[3]
  • 市场上唯一一种真正的短脉冲FORGs
型号 STFE-FORG-FC 600 STFE-FORG-FC 400 STFE-FORG-FS 600 STFE-FORG-FS 400 STFE-FORG-PS 600 STFE-FORG-PS 400
脉宽范围(fs) 4-150 4-150 10-300 10-300 50-10000* 50-5000*
波长范围(nm) 600-2000[2] 450-2100[2] 600-2000[2] 450-2000[2] 600-2000[2] 450-2000[2]
峰-峰测量能力 带有同步器80kHz/不带有同步器40kHz[1]
脉冲重复率 从Hz到GHz
脉冲能量(nJ)[2]
单发:
1 MHz:
100 MHz:
1 GHz:
 
>5000
>100
>5
>0.050(低能量选项)
输入偏振 线性垂直或水平
探测 CMOS 12 Bit - 3 Mpx - 72 dB
计算机接口 USB 3 或 GigE
光束直径(mm) 83 - 180
尺寸规格(mm) 55×56×265 55×56×265 55×56×265 55×56×265 55×56×195 55×56×195
*4个脉宽范围可选:
  • PS1: 50-1000 fs
  • PS3: 200-3000 fs
  • PS5: 300-5000 fs
  • PS10: 500-10000 fs
  • 超过80kHz,测量值平均为几个脉冲。脉冲的个数取决于激光的重复率(如:4个脉冲对应于200kHz)。根据您的需求,我们的设备可以制造为具有更高的峰-峰测量能力。
  • 客户必须在标注的光谱范围内选择一个宽度为Δλ的检测窗口。可根据需求定制光谱窗口和光谱分辨率。
  • FC和FS型号都是非色散和消色差的,从而实现清晰的相位还原。

1.软件界面图。除了界面友好,它还具有优化的还原算法,这允许用户实时还原时间和光谱信息。

2.GHz/低能量(pJ)测试结果示例(低能量和小光束配置的STFE-FROG PS-700)。

3.STFE-BOAR系列相位还原自相关仪

BOAR(Biprism based Optical Autocorrelation with Retrieval)系列是利用单脉冲自相关和双光子吸收来表征超短脉冲的新型技术。时间延迟作为空间干涉图中的变量,用来评估脉冲宽度、2ω光谱和啁啾。由于没有非线性晶体和相位匹配的问题,光谱工作范围十分宽广(1200-2400nm)。BOAR系列具有以下所有优点:简单可靠,精准的测量,空间分辨,适用于啁啾脉冲,直接通过傅里叶变换完成实时还原。

STFE-BOAR系列相位还原自相关仪

产品特点:

  • 操作极其简便
  • 时间和光谱测量
  • 实时啁啾测量
  • 无相位匹配问题
  • 宽光谱范围[1]
  • 对偏振不敏感
  • 适用于所有重复率
  • 单发测量高达150kHz[2]
  • 在近红外脉宽小于10fs
  • 消色差和非色散
型号 STFE-BOAR -FS STFE-BOAR-PS
脉宽范围 <10-750 fs <10-1350 fs
时间窗口Δτ 3 ps 5.5 ps
光谱范围(nm) 1200-2400 nm[1]
峰-峰测量能力 带有同步器150 kHz
不带同步器75 kHz[1]
带有同步器30 kHz
不带同步器15 kHz[1]
输入脉冲重复率 从Hz到GHz
输入脉冲能量和平均功率(对于100fs的脉冲) 标准型号
单脉冲:100 nJ
1 MHz:5 nJ/5 mW
100 MHz:200 pJ/20 mW
1 MHz:100 pJ/100 μW
100 MHz:10 pJ/1 mW
1 GHz:1 pJ/1 mW
输入偏振 任何偏振
探测 CMOS 12bit-6Mpx-72dB-USB3.1 CMOS 12bit-18Mpx-72dB-USB3.1
尺寸规格(mm) 125×150×80
  • 使用单一光路时,光谱范围无需调整。
  • 超过80kHz,测量值平均为几个脉冲。脉冲的个数取决于激光的重复率(如:4个脉冲对应于200kHz)。根据您的需求,我们的设备可以制造为具有更高的峰-峰测量能力。

4.STFE-MISS系列紧凑成像光谱仪

创新型的MISS(Mini Imaging Spetial Spectrometer)系列产品封装小巧,但可以提供和摄谱仪一样强大的功能。测量光谱沿入射光束直径空间分辨。单发测量最高可达40kHz。得益于它的紧凑设计,MISS可以整合到激光放大系统的不同阶段。光束可由自由空间输入,这有助于空间分辨;也可如普通光谱仪一样以光纤输入。

STFE-MISS系列紧凑成像光谱仪

产品特点:

  • 友好且强大的软件
  • 紧凑的设计
  • 波长从190-1100nm
  • 高空间和光谱分辨率
  • 输入光束直径可达12.7mm
  • 兼容光纤输入
型号 SPFE-MISS-UV-VIS1 SPFE-MISS-UV-VIS2 SPFE-MISS-
IR1
SPFE-MISS-
IR2
SPFE-MISS-Yb
光谱范围(nm) 190-865 190-635 655-1000 635-1100 960-1090
分辨率 2456×2054  5Mpx
光谱分辨率(nm) 0.28 0.22 0.14 0.23 0.06
光学光谱分辨率
(15μm裂缝)(nm)
0.96 0.63 0.49 0.66 0.19
输入光束尺寸(mm) 8.8 12.7 8.8 12.7 8.8
最大空间分辨率(μm) 4.3 5.2 4.3 5.2 4.3
曝光时间(ms) 0.027-999
传感器 CMOS 12 bits with 72 dB dynamic
计算机接口 USB 3,36帧每秒
同步器
尺寸规格(mm) 130×77×53 155×77×53 130×77×53 155×77×53 130×77×53

5.STFE-BP系列光束分析仪

BP(BeamPro)系列光束分析仪可提供全面的分析和统计数据,使用标准的通信协议,适用于不同的应用,并且可以通过网络操控。适用于190-1100nm波长,测量光束直径可达11mm。我们也提供用于测量聚焦光束,像素小至2.2μm的高分辨率型号。

STFE-BP系列光束分析仪

产品特点:

  • 强大且友好的软件
  • 紧凑的设计
  • 多个波长范围选项
  • 中性密度滤光片选项
  • C接口(提供CS或SM1适配器)
  • 提供定制传感器设计
  • 无窗选项
型号 STFE-BP 6.4 STFE-BP 9.7 STFE-BP 11.7 STFE-BP 11.11 STFE-BP 13.9
光谱范围(nm) 350-1100 nm/紫外选项190-1100 nm
传感器尺寸(mm) 5.6×4.2 8.5×7.1 11.3×7.1 11.2×11.2 13.1×8.7
传感器格式 1/2” 2/3” 1/1.2” 1” 1”
分辨率 2560×1920
5 Mpx
2456×2054
5 Mpx
1936×1216
2 Mpx
2048×2048
4 Mpx
5472×3648
18 Mpx
像素尺寸(μm) 2.2 3.45 5.86 5.5 2.4
帧率 15 36 47 80 18
曝光时间 0.031-2745 0.027-999 0.030-998 0.038-500 0.067-30000
动态(dB) 60 72 73 58 72
传感器类型 CMOS 12 bits
计算机接口 USB 3
同步器
规格尺寸(mm) 30×30×35

除了以上自相关仪外,我们的产品经理还愿意和客户一块开拓更多进口光学仪器的应用领域。例如以下领域:光纤折射率分析仪、光纤模式测量分析仪、激光光束质量分析仪、激光位移/距离测量传感器、动态3D/4D显微成像系统和激光功率计等,相关详细资料请点击“仪器与工具”,或联系我们产品经理:刘经理:18162698935(同微信号)。

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