ES2928011T3 - Ultrashort laser pulse characterization method and system - Google Patents

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Da Silva Francisco Jose Maia
Rebelo Cerejo Crespo Helder Manuel Paiva
De Meira Guerreiro Paulo Tiago Ferraz
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La presente divulgación generalmente se refiere a sistemas láser y métodos de caracterización de pulsos láser y sistemas respectivos. Una realización del método comprende generar dos réplicas colineales del pulso que se está caracterizando; aplicar dos fases espectrales predeterminadas diferentes a cada réplica, para escanear simultáneamente el retardo y la dispersión; aplicar un proceso no lineal al pulso a caracterizar; medir la señal resultante de la aplicación de las fases espectrales predeterminadas y el proceso no lineal; aplicar un algoritmo iterativo numérico a la señal medida para recuperar la fase espectral del pulso a caracterizar; realizándose dicho proceso como un procedimiento de escaneo o en paralelo utilizando un solo disparo de láser. Las dos réplicas con retardo de tiempo pueden generarse utilizando un etalón birrefringente; un par de cuñas birrefringentes puede proporcionar una cantidad controlable de dispersión y retardo entre réplicas, una de las cuales se traduce para el control de fase; la dispersión y el retraso entre réplicas también se pueden impartir en paralelo mediante el uso de una única cuña birrefringente, que los codifica a lo largo de una dimensión espacial; la dispersión opuesta a la de las cuñas puede introducirse mediante un elemento óptico apropiado, como espejos chirridos o una disposición geométrica dispersiva; el espectro de frecuencia puede medirse así como la dispersión y el segundo armónico dependiente del retardo de la señal que se está modulando en fase. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The present disclosure generally relates to laser systems and methods of characterizing laser pulses and respective systems. One embodiment of the method comprises generating two collinear replicas of the pulse being characterized; apply two different predetermined spectral phases to each replicate, to simultaneously scan delay and dispersion; apply a non-linear process to the pulse to be characterized; measuring the signal resulting from the application of the predetermined spectral phases and the non-linear process; apply a numerical iterative algorithm to the measured signal to recover the spectral phase of the pulse to be characterized; said process being carried out as a scanning procedure or in parallel using a single laser shot. The two time-delayed replicates can be generated using a birefringent etalon; a pair of birefringent wedges can provide a controllable amount of dispersion and delay between aftershocks, one of which translates to phase control; dispersion and inter-aftershock delay can also be imparted in parallel through the use of a single birefringent wedge, which encodes them along one spatial dimension; the dispersion opposite to that of the wedges can be introduced by an appropriate optical element, such as squeak mirrors or a dispersive geometric arrangement; the frequency spectrum can be measured as well as the dispersion and delay dependent second harmonic of the signal being phase modulated. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Método y sistema de caracterización de pulsos de láser ultracortosUltrashort laser pulse characterization method and system

Campo técnicotechnical field

La presente divulgación se refiere a un método ya un dispositivo para la compresión y caracterización simultáneas de pulsos de láser ultracortos.The present disclosure relates to a method and a device for the simultaneous compression and characterization of ultrashort laser pulses.

AntecedentesBackground

La caracterización de pulsos de láser ultracortos es a menudo tan importante como el propio proceso de generación. Dado que no existen métodos para la medición directa de eventos tan cortos, generalmente se emplean técnicas autorreferenciadas.The characterization of ultrashort laser pulses is often as important as the generation process itself. Since there are no methods for direct measurement of such short events, self-referenced techniques are generally employed.

Tradicionalmente, los pulsos ultracortos se han caracterizado utilizando diagnósticos de autocorrelación no lineal (ver, por ejemplo, [1]), que todavía se usan ampliamente en muchos laboratorios. Aunque relativamente sencillos de implementar, no proporcionan información completa (es decir, amplitud y fase) de los pulsos. Aun así, se han ideado varios métodos que permiten la reconstrucción de la amplitud y la fase de los pulsos mediante la combinación de autocorrelación y medidas espectrales (ver, por ejemplo, [2-4]). Una mejora importante con respecto a estas técnicas se produjo en 1993 con la introducción del FROG (frequency-resolved optical gating) [5,6]: al resolver espectralmente una señal de autocorrelación (o correlación cruzada), se crea una traza similar a un sonograma a partir de la cual la caracterización completa de un pulso dado se puede realizar usando un algoritmo iterativo. La calidad de la recuperación se refleja en el error FROG correspondiente, y los marginales de tiempo y frecuencia de la traza también proporcionan un medio para cotejar los resultados. Existen muchas variantes de FROG en la actualidad, y todas ellas se basan en la resolución espectral de alguna señal controlada por el tiempo.Traditionally, ultrashort pulses have been characterized using nonlinear autocorrelation diagnostics (see, for example, [1]), which are still widely used in many laboratories. Although relatively simple to implement, they do not provide complete information (ie amplitude and phase) of the pulses. Even so, several methods have been devised that allow the reconstruction of the amplitude and phase of the pulses by combining autocorrelation and spectral measurements (see, for example, [2-4]). An important improvement with respect to these techniques occurred in 1993 with the introduction of FROG ( frequency-resolved optical gating) [5,6]: by spectrally resolving an autocorrelation (or cross-correlation) signal, a trace similar to a sonogram from which full characterization of a given pulse can be performed using an iterative algorithm. The quality of the recovery is reflected in the corresponding FROG error, and the time and frequency marginals of the trace also provide a means of collating the results. There are many variants of FROG today, and all of them are based on the spectral resolution of some signal controlled by time.

Otros métodos ampliamente utilizados en la actualidad están relacionados con la técnica de interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER), introducida por primera vez en 1998 [7]. Estos métodos no se basan en una compuerta temporal, sino en interferometría en el dominio espectral: el espectro de un pulso dado interfiere con una réplica de sí mismo desplazada en frecuencia (en inglés sheared), y se registra el interferograma espectral resultante. Aunque normalmente es más complicado de implementar, recuperar la fase espectral de una traza SPIDER es numéricamente mucho más simple que en FROG. Sin embargo, el SPIDER estándar es muy sensible a alineamiento y esto puede afectar fácilmente la medida del pulso, ya que no existe un medio directo para determinar la calidad de la medida de fase. Sin embargo, se han ideado métodos recientes relacionados con SPIDER que permiten superar este problema [8,9].Other methods widely used today are related to the Spectral Phase Interferometry technique for Direct Electric Field Reconstruction (SPIDER), first introduced in 1998 [7]. These methods are not based on temporal gating, but on interferometry in the spectral domain: the spectrum of a given pulse interferes with a frequency-shifted replica of itself ( sheared), and the resulting spectral interferogram is recorded. Although usually more complicated to implement, retrieving the spectral phase from a SPIDER trace is numerically much simpler than in FROG. However, the standard SPIDER is very sensitive to alignment and this can easily affect the pulse measurement, since there is no direct means to determine the quality of the phase measurement. However, recent SPIDER-related methods have been devised to overcome this problem [8,9].

Un método reciente es la interferometría espectral autorreferenciada (SRSI), en la que se genera colinealmente un pulso de referencia con una fase espectral plana a partir del pulso de entrada mediante la generación de ondas polarizadas cruzadas (XPW) en un cristal no lineal. El patrón de interferencia espectral resultante de la combinación del pulso de entrada y el pulso de referencia permite la recuperación directa de la fase e intensidad espectral. Sin embargo, este método solo puede medir pulsos con duraciones muy cercanas al límite de Fourier, y no más de 2 veces este límite. Por lo tanto, SRSI tiene una tolerancia muy limitada al chirp del pulso de entrada y un rango de medición pequeño en comparación con la mayoría de las otras técnicas. Además, solo puede medir pulsos de láser amplificados, ya que la generación de XPW es un proceso no lineal de tercer orden que para funcionar requiere varios microjulios de energía por pulso.A recent method is spectral self-referenced interferometry (SRSI), in which a reference pulse with a flat spectral phase is generated collinearly from the input pulse by generating cross-polarized waves (XPW) in a nonlinear crystal. The spectral interference pattern resulting from the combination of the input pulse and the reference pulse allows direct recovery of the spectral phase and intensity. However, this method can only measure pulses with durations very close to the Fourier limit, and no more than 2 times this limit. Therefore, SRSI has a very limited tolerance to input pulse chirping and a small measurement range compared to most other techniques. Furthermore, it can only measure amplified laser pulses, since XPW generation is a third-order non-linear process that requires several microjoules of energy per pulse to function.

Más recientemente, se introdujo un método de caracterización de pulsos basado en el escaneo de fase, conocido como MIIPS (multiphoton intrapulse interference phase sean) [10-12]. Consiste en aplicar fases puramente cuadráticas al pulso que se va a caracterizar y medir la señal de generación de segundo armónico (SHG) resultante. Al encontrar qué cantidad de dispersión de retardo de grupo (GDD) introducida localmente da como resultado el impulso comprimido a una longitud de onda, se puede encontrar una aproximación a la GDD del pulso, lo que permite la reconstrucción de una aproximación de la fase desconocida. Si un modelador de pulsos (en inglés pulse shaper) está disponible en la configuración, esta aproximación de fase ahora se puede aplicar al modelador de pulsos y repetir todo el procedimiento. Este proceso requiere varias iteraciones de medidas a medida que se calcula aproximadamente la fase en cada paso de medida.More recently, a pulse characterization method based on phase scanning, known as MIIPS ( multiphoton intrapulse interference phase sean) was introduced [10-12]. It consists of applying purely quadratic phases to the pulse to be characterized and measuring the resulting second harmonic generation (SHG) signal. By finding what amount of locally introduced group delay dispersion (GDD) results in the compressed pulse at a wavelength, an approximation to the GDD of the pulse can be found, allowing reconstruction of an approximation of the unknown phase . If a pulse shaper is available in the configuration, this phase approximation can now be applied to the pulse shaper and the whole procedure repeated. This process requires several iterations of measurements as the phase is roughly calculated at each measurement step.

Un método relacionado con este método introducido muy recientemente se denomina d-scan (dispersión scan) [14-19], el cual consiste en aplicar fases espectrales bien conocidas al pulso que se va a caracterizar en torno al punto de compresión óptimo (o máximo alcanzable) y midiendo las señales resultantes de generación de suma de frecuencia (SFG) y generación de segundo armónico (SHG). Al acoplar esta medición con un modelo matemático adecuado y un algoritmo de procesamiento, es posible recuperar completamente el pulso que se va a medir en una sola medida d-scan, sin necesidad de aproximaciones, como las que hace MIIPS. Este método es muy resistente al ruido e incluso puede recuperar correctamente la fase cuando no hay señal SHG para una frecuencia determinada, siempre que haya una señal SFG generada al mezclarla con otras partes del espectro. Además, una configuración d-scan duplica su funcionalidad como un compresor de pulso, lo que, junto con su capacidad de medida, permite optimizar la compresión del pulso.A very recently introduced method related to this method is called d-scan (dispersion scan) [14-19], which consists of applying well-known spectral phases to the pulse to be characterized around the optimal (or maximum) compression point. achievable) and measuring the resulting sum frequency generation (SFG) and second harmonic generation (SHG) signals. By coupling this measurement with a suitable mathematical model and processing algorithm, it is possible to fully recover the pulse to be measured in a single d-scan measurement, without the need for approximations, such as those made by MIIPS. This method is very resistant to noise and can even correctly recover phase when there is no SHG signal for a given frequency, as long as there is an SFG signal generated by mixing it with other parts of the spectrum. In addition, a d-scan configuration doubles its functionality as a pulse compressor, which, together with its measurement capabilities, allows optimization of pulse compression.

En todas las técnicas anteriores, la caracterización de los pulsos de láser que son generados por diferentes tipos de láseres en una amplia gama de parámetros (por ejemplo, desde sub-6-fs hasta 100-fs) es difícil, y por lo general requiere adaptaciones severas y modificaciones de aparatos físicos para poder medir los diversos pulsos generados utilizando diferentes tecnologías, por ejemplo, pulsos de banda estrecha con una duración de cientos de femtosegundos a pulsos de banda ancha en el dominio de pocos ciclos (<6 fs). Por lo tanto, se necesita más de un aparato físico de medida para adaptarse a una gama tan amplia de duraciones de pulso.In all of the above techniques, the characterization of laser pulses that are generated by different types of lasers over a wide range of parameters (for example, from sub-6-fs to 100-fs) is difficult, and usually requires severe adaptations and modifications of physical apparatus to be able to measure the various pulses generated using different technologies, for example, narrowband pulses with a duration of hundreds of femtoseconds to broadband pulses in the domain of few cycles (<6 fs). Therefore, more than one physical measuring device is needed to accommodate such a wide range of pulse durations.

Además, para todas las técnicas anteriores excepto d-scan, MIIPS y SRSI, la apertura numérica asociada con las disposiciones experimentales es tan pequeña que requiere un procedimiento de alineamiento preciso y potencialmente prolongado.Furthermore, for all of the above techniques except d-scan, MIIPS, and SRSI, the numerical aperture associated with the experimental setups is so small that it requires a precise and potentially lengthy alignment procedure.

Estos hechos se divulgan para ilustrar el problema técnico abordado por la presente divulgación.These facts are disclosed to illustrate the technical problem addressed by the present disclosure.

El documento US 2008/212103 A1 divulga un método y un sistema para la caracterización de la amplitud y fase espectral de pulsos, tales como pulsos ultracortos (10-50 fs) usando una técnica con el acrónimo SPIDER (spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction). El artículo, "Simultaneous compression and characterization of ultrashort laser pulses using chirped mirrors and glass wedges"; Óptics Express VOL 20; NR 1; páginas 688-697; Miguel Miranda et al; 20120102 divulga un método y un sistema para la caracterización de pulsos de láser ultracortos utilizando espejos chirpeados y cuñas de vidrio BK7. Se realiza un d-scan en el pulso desconocido introduciendo diferentes espesores de vidrio en la trayectoria del haz ajustando el par de cuñas de vidrio.The document US 2008/212103 A1 discloses a method and a system for the characterization of the amplitude and spectral phase of pulses, such as ultrashort pulses (10-50 fs) using a technique with the acronym SPIDER ( spectral phase interferometry for direct electric- field reconstruction). The article, "Simultaneous compression and characterization of ultrashort laser pulses using chirped mirrors and glass wedges"; Optics Express VOL 20; NR 1; pages 688-697; Miguel Miranda et al; 20120102 discloses a method and a system for the characterization of ultrashort laser pulses using chipped mirrors and BK7 glass wedges. A d-scan is performed on the unknown pulse by introducing different thicknesses of glass into the beam path by adjusting the pair of glass wedges.

Descripción generalGeneral description

La presente divulgación generalmente se refiere a sistemas láser y métodos de caracterización de pulsos láser. The present disclosure generally relates to laser systems and methods of characterizing laser pulses.

Presentamos una técnica y un dispositivo flexibles para caracterizar pulsos de láser ultracortos en una amplia gama de parámetros. Consiste en aplicar un conjunto de fases espectrales a dos réplicas colineales del pulso en cuestión y medir los espectros correspondientes tras sufrir un efecto óptico no lineal dado. Esto nos permite recuperar completamente la fase espectral desconocida del pulso utilizando algoritmos numéricos iterativos que aprovechan todo el conjunto de datos en los dominios espectral y de fase, lo que hace que el método sea muy sólido con respecto a la sensibilidad al ruido y los requisitos de ancho de banda. Debido a la presencia de señales multiplexadas de diferente naturaleza en el conjunto de datos, se puede utilizar esta técnica para medir pulsos con características muy diferentes, como el ancho de banda, el chirp y la duración del pulso.We present a flexible technique and device to characterize ultrashort laser pulses over a wide range of parameters. It consists of applying a set of spectral phases to two collinear replicas of the pulse in question and measuring the corresponding spectra after undergoing a given non-linear optical effect. This allows us to fully recover the unknown spectral phase of the pulse using iterative numerical algorithms that take advantage of the entire data set in the spectral and phase domains, making the method very robust with respect to noise sensitivity and power requirements. bandwidth. Due to the presence of multiplexed signals of different nature in the data set, this technique can be used to measure pulses with very different characteristics, such as bandwidth, chirp, and pulse duration.

Una forma de realización del método comprende generar dos réplicas colineales del pulso que se va a caracterizar; aplicar dos fases espectrales predeterminadas diferentes a cada réplica, para escanear simultáneamente el retardo y la dispersión; aplicar un proceso no lineal al pulso que se va a caracterizar; medir la señal resultante de la aplicación de las fases espectrales predeterminadas y el proceso no lineal; aplicar un algoritmo iterativo numérico a la señal medida para recuperar la fase espectral del pulso que se va a caracterizar; realizándose dicho proceso como un procedimiento de escaneo o en paralelo utilizando un solo disparo de láser.One embodiment of the method comprises generating two collinear replicas of the pulse to be characterized; apply two different predetermined spectral phases to each replicate, to simultaneously scan delay and dispersion; applying a non-linear process to the pulse to be characterized; measuring the signal resulting from the application of the predetermined spectral phases and the non-linear process; applying a numerical iterative algorithm to the measured signal to recover the spectral phase of the pulse to be characterized; said process being carried out as a scanning procedure or in parallel using a single laser shot.

Las dos réplicas con retraso en el tiempo pueden generarse usando un etalón birrefringente; un par de cuñas birrefringentes puede proporcionar una cantidad controlable de dispersión y retraso entre réplicas, una de las cuales se traslada para el control de fase; la dispersión y el retraso entre réplicas también se pueden impartir en paralelo mediante el uso de una única cuña birrefringente, que los codifica a lo largo de una dimensión espacial; la dispersión opuesta a la de las cuñas puede introducirse mediante un elemento óptico apropiado, como espejos chirpeados o una disposición geométrica dispersiva; se puede medir la frecuencia del espectro, así como el segundo armónico de la señal que se está modulando en fase dependiente de la dispersión y del retraso.The two time-lag replicas can be generated using a birefringent etalon; a pair of birefringent wedges can provide a controllable amount of spread and delay between aftershocks, one of which is translated for phase control; dispersion and inter-aftershock delay can also be imparted in parallel through the use of a single birefringent wedge, which encodes them along one spatial dimension; the dispersion opposite to that of the wedges can be introduced by an appropriate optical element, such as chipped mirrors or a dispersive geometric arrangement; the frequency of the spectrum can be measured, as well as the second harmonic of the signal being modulated in phase dependent on dispersion and delay.

Se divulga un método para caracterizar la fase espectral de pulsos láser, comprendiendo el método: A method for characterizing the spectral phase of laser pulses is disclosed, the method comprising:

generar dos réplicas de cada pulso que se va a caracterizar;generate two replicates of each pulse to be characterized;

aplicar fases espectrales no lineales predeterminadas a las dos réplicas para escanear un rango de dispersión por una o ambas réplicas;applying predetermined non-linear spectral phases to the two replicates to scan a scattering range across one or both replicates;

combinar ópticamente las dos señales de la etapa anterior;optically combining the two signals from the previous stage;

aplicar un proceso óptico no lineal a la señal combinada de la etapa anterior;applying a non-linear optical process to the combined signal from the previous stage;

para cada una de las fases espectrales aplicadas, medir el espectro de amplitud de la señal resultante de la etapa anterior; for each of the spectral phases applied, measure the amplitude spectrum of the signal resulting from the previous stage;

calcular la fase espectral del pulso que se va a caracterizar, a partir del espectro de amplitud medido, para cada una de las fases espectrales aplicadas, y a partir del espectro lineal del pulso que se va a caracterizar.calculate the spectral phase of the pulse to be characterized, from the amplitude spectrum measured, for each of the spectral phases applied, and from the linear spectrum of the pulse to be characterized.

Un rango comprende la variación de un valor entre un límite inferior y un límite superior de dicho valore. Por ejemplo, un rango de dispersión comprende los valores de dispersión entre un límite inferior y un límite superior de dispersión. Por ejemplo, un rango de retraso comprende los valores de retraso entre un límite inferior y un límite superior de retraso. El límite inferior puede estar incluido o excluido en dicho rango. El límite superior también puede estar incluido o excluido en dicho rango. En particular, un rango en etapas puede incluir solo los puntos de valor límite inferior y superior.A range comprises the variation of a value between a lower limit and an upper limit of said value. For example, a range of dispersion comprises the values of dispersion between a lower limit and an upper limit of dispersion. For example, a delay range comprises the delay values between a lower limit and an upper delay limit. The lower limit may be included or excluded in that range. The upper limit may also be included or excluded in that range. In particular, a staged range may include only the lower and upper limit value points.

En una forma de realización, las fases espectrales no lineales predeterminadas se aplican a las dos réplicas para escanear un intervalo de retardo entre las dos réplicas.In one embodiment, predetermined non-linear spectral phases are applied to the two replicas to scan a delay interval between the two replicas.

En una forma de realización, las fases espectrales no lineales predeterminadas se aplican a las dos réplicas para escanear un rango de dispersión diferencial entre las dos réplicas.In one embodiment, predetermined non-linear spectral phases are applied to the two replicates to scan a range of differential dispersion between the two replicates.

La dispersión diferencial, entre las dos réplicas, obtenida por las fases espectrales predeterminadas aplicadas es la diferencia de dispersión entre las dos réplicas provocada por la aplicación de dichas fases espectrales predeterminadas.The differential dispersion, between the two replicates, obtained by the applied predetermined spectral phases is the dispersion difference between the two replicates caused by the application of said predetermined spectral phases.

En una forma de realización, a partir de dicho pulso, se mide el espectro lineal del pulso que se va a caracterizar. En una forma de realización, calcular el espectro lineal del pulso que se va a caracterizar con el cálculo de la fase espectral del pulso que se va a caracterizar.In one embodiment, from said pulse, the linear spectrum of the pulse to be characterized is measured. In one embodiment, calculating the linear spectrum of the pulse to be characterized by calculating the spectral phase of the pulse to be characterized.

En una forma de realización, la combinación óptica de las dos señales incluye la combinación coherente de las dos señales.In one embodiment, the optical combination of the two signals includes the coherent combination of the two signals.

En una forma de realización, el proceso óptico no lineal aplicado y, en consecuencia, la señal resultante medida, comprende un efecto no lineal que afecta al espectro fundamental del pulso, en particular, la generación de segundo armónico, la generación de suma de frecuencia, la generación de diferencia de frecuencia, el efecto Kerr óptico, la generación del tercer armónico o combinaciones de los mismos.In one embodiment, the applied non-linear optical process, and consequently the resulting measured signal, comprises a non-linear effect affecting the fundamental spectrum of the pulse, in particular second harmonic generation, sum frequency generation , frequency difference generation, optical Kerr effect, third harmonic generation, or combinations thereof.

En una forma de realización, calcular la fase espectral del pulso que se va a caracterizar incluye calcular un algoritmo iterativo numérico para aproximar iterativamente a la fase espectral del pulso que se va a caracterizar. En una forma de realización, el algoritmo numérico iterativo comprende minimizar una función de error definida entre el espectro lineal medido del pulso que se va a caracterizar y un espectro lineal calculado del pulso que se va a caracterizar, mediante una aproximación iterativa a la fase espectral del pulso que se va a caracterizar. En una forma de realización, el algoritmo iterativo numérico comprende minimizar una función de error definida entre el componente de frecuencia más alta a lo largo del eje de escaneado de la señal medida y el componente de frecuencia más alta a lo largo del eje de escaneado de la señal calculada, mediante una aproximación iterativa a la fase espectral del pulso que se va a caracterizar.In one embodiment, calculating the spectral phase of the pulse to be characterized includes calculating a numerical iterative algorithm to iteratively approximate the spectral phase of the pulse to be characterized. In one embodiment, the iterative numerical algorithm comprises minimizing an error function defined between the measured line spectrum of the pulse to be characterized and a calculated line spectrum of the pulse to be characterized, by an iterative approximation to the spectral phase. of the pulse to be characterized. In one embodiment, the numerical iterative algorithm comprises minimizing an error function defined between the highest frequency component along the scan axis of the measured signal and the highest frequency component along the scan axis of the calculated signal, through an iterative approximation to the spectral phase of the pulse to be characterized.

En una forma de realización, el algoritmo numérico iterativo comprende minimizar una función de error definida entre el segundo componente de frecuencia más alta a lo largo del eje de escaneado de la señal medida y el segundo componente de frecuencia más alta a lo largo del eje de escaneado de la señal calculada, mediante una aproximación iterativa a la fase espectral del pulso que se va a caracterizar.In one embodiment, the iterative numerical algorithm comprises minimizing an error function defined between the second highest frequency component along the scan axis of the measured signal and the second highest frequency component along the scan axis. scanning of the calculated signal, by means of an iterative approach to the spectral phase of the pulse to be characterized.

En una forma de realización, el algoritmo numérico iterativo comprende minimizar una función de error calculada: usando la propiedad de que la integral de la señal medida sobre la dispersión para una longitud de onda dada es independiente de la fase del pulso que se va a caracterizar; oIn one embodiment, the iterative numerical algorithm comprises minimizing a computed error function: using the property that the integral of the measured signal over dispersion for a given wavelength is independent of the phase of the pulse to be characterized ; either

localmente, para cada longitud de onda, siendo el error global una función ponderada de todos los errores locales.locally, for each wavelength, the global error being a weighted function of all the local errors.

En una forma de realización, la aplicación de fases espectrales para realizar un escaneo a lo largo de un rango se realiza entre un límite inferior y un límite superior de dicho rango, continuamente a lo largo de dicho rango o de forma escalonada a lo largo de dicho rango.In one embodiment, the application of spectral phases to perform a scan over a range is performed between a lower limit and an upper limit of said range, continuously over said range or stepwise over said range. said range.

En una forma de realización, la aplicación de fases espectrales para realizar el escaneo se realiza con la duración de los pulsos que se van a caracterizar alcanzando un mínimo durante dicho escaneo. In one embodiment, the application of spectral phases to perform the scan is performed with the duration of the pulses to be characterized reaching a minimum during said scan.

En una forma de realización, la aplicación de fases espectrales para realizar un escaneo se realiza sin que dichas réplicas estén sincronizadas durante dicho escaneo.In one embodiment, the application of spectral phases to perform a scan is performed without said replicas being synchronized during said scan.

En una forma de realización, la aplicación de fases espectrales para realizar un escaneo, la aplicación de dicho proceso óptico no lineal y la medición de dicha amplitud del espectro de la señal resultante se realizan en paralelo para una pluralidad de fases espectrales aplicadas.In one embodiment, the application of spectral phases to perform a scan, the application of said non-linear optical processing, and the measurement of said resulting signal spectrum amplitude are performed in parallel for a plurality of applied spectral phases.

En una forma de realización, la aplicación de un algoritmo iterativo numérico comprende definir la función de la fase espectral del pulso que se va a caracterizar como una función de muestreo discreta, una función de expansión de Taylor o una función de serie de Fourier.In one embodiment, applying a numerical iterative algorithm comprises defining the spectral phase function of the pulse to be characterized as a discrete sampling function, a Taylor expansion function, or a Fourier series function.

En una forma de realización, la función de la fase espectral del pulso que se va a caracterizar está representada por las derivadas consecutivas de dicha función con respecto a la frecuencia.In one embodiment, the function of the spectral phase of the pulse to be characterized is represented by the consecutive derivatives of said function with respect to frequency.

Una forma de realización comprende la corrección de una respuesta de detección espectral no plana mediante: simulando una traza para la aproximación del pulso que se va a caracterizar en la iteración actual; comparando el marginal de escaneo simulado con el marginal de escaneo medido para calcular la respuesta espectral que se va a compensar de manera que la integral numérica de la traza sobre el parámetro de escaneo de dispersión, es decir, el marginal de frecuencia, no dependa de la fase espectral original del pulso que se va a caracterizar; yOne embodiment comprises correcting for a non-flat spectral detection response by: simulating a trace for the approximation of the pulse to be characterized in the current iteration; comparing the simulated scan marginal with the measured scan marginal to calculate the spectral response to be compensated such that the numerical integral of the trace over the dispersion scan parameter, i.e., the frequency marginal, does not depend on the original spectral phase of the pulse to be characterized; Y

compensando la respuesta espectral calculada ya sea dividiendo la traza experimental por ella o incluyéndola en el proceso de recuperación, multiplicándola por la traza ideal simulada, en cada iteración.compensating for the calculated spectral response either by dividing the experimental trace by it or by including it in the recovery process, multiplying it by the simulated ideal trace, at each iteration.

Una forma de realización comprende compensar una respuesta de detección espectral no plana minimizando la función de error para cada longitud de onda, siendo el error global una función ponderada de todos estos errores. En una forma de realización, la señal medida de generación de segundo armónico y generación de suma de frecuencias, SHG/SFG, se calcula:One embodiment comprises compensating for a non-flat spectral detection response by minimizing the error function for each wavelength, the overall error being a weighted function of all these errors. In one embodiment, the measured signal of second harmonic generation and frequency sum generation, SHG/SFG, is calculated:

aplicando una transformada inversa de Fourier inversa al espectro del pulso que se va a caracterizar para obtener el campo eléctrico correspondiente en el dominio del tiempo;applying an inverse inverse Fourier transform to the spectrum of the pulse to be characterized to obtain the corresponding electric field in the time domain;

elevando al cuadrado el campo eléctrico dependiente del tiempo para realizar el cálculo SHG/SFG; y aplicando una transformada de Fourier para obtener el espectro SHG/SFG.squaring the time-dependent electric field to perform the SHG/SFG calculation; and applying a Fourier transform to obtain the SHG/SFG spectrum.

En una forma de realización, para el cálculo de SHG/SFG, el espectro se multiplica por un filtro espectral adecuado. En una forma de realización, los pulsos de láser son pulsos comprendidos en un rango que comprende desde los 300 ciclos a pulsos de láser subciclo.In one embodiment, for the SHG/SFG calculation, the spectrum is multiplied by a suitable spectral filter. In one embodiment, the laser pulses are pulses in the range from 300 cycles to subcycle laser pulses.

También se divulga un sistema para caracterizar pulsos láser que comprende:Also disclosed is a system for characterizing laser pulses comprising:

un generador de réplicas para generar dos réplicas de cada pulso que se va a caracterizar;a replica generator to generate two replicates of each pulse to be characterized;

dos moduladores espectrales no lineales para aplicar fases espectrales no lineales predeterminadas a las dos réplicas para escanear un rango de dispersión por una o ambas réplicas;two nonlinear spectral modulators for applying predetermined nonlinear spectral phases to the two replicates to scan a scattering range by one or both replicates;

un sumador óptico para combinar las dos señales de dicho desfasado espectral;an optical adder to combine the two signals of said spectral offset;

un elemento óptico no lineal para aplicar un proceso óptico no lineal a la señal combinada;a nonlinear optical element for applying nonlinear optical processing to the combined signal;

un sensor para medir la amplitud del espectro de la señal no lineal resultante para cada una de las fases espectrales aplicadas;a sensor for measuring the amplitude of the spectrum of the resulting non-linear signal for each of the applied spectral phases;

un procesador de datos electrónico configurado para calcular la fase espectral del pulso que se va a caracterizar, a partir de la amplitud del espectro medida, para cada una de las fases espectrales aplicadas, y a partir del espectro lineal del pulso que se va a caracterizar.an electronic data processor configured to calculate the spectral phase of the pulse to be characterized, from the measured spectrum amplitude, for each of the applied spectral phases, and from the linear spectrum of the pulse to be characterized.

Una forma de realización comprende un sensor para medir el espectro lineal del pulso que se va a caracterizar. Una forma de realización comprende como fuente de fases espectrales predeterminadas: materiales birrefringentes con diferentes espesores, cuñas birrefringentes, prismas birrefringentes, grisms birrefringentes, o una combinación de una línea de retraso óptico y uno de los siguientes: vidrio con diferentes espesores, cuñas, prismas, grisms, redes de difracción, celdas de gas de presión variable y/o moduladores ópticos tales como dispositivos acusto-ópticos, electroópticos y/o a base de cristales líquidos.One embodiment comprises a sensor for measuring the linear spectrum of the pulse to be characterized. One embodiment comprises as a source of predetermined spectral phases: birefringent materials with different thicknesses, birefringent wedges, birefringent prisms, birefringent grisms, or a combination of an optical delay line and one of the following: glass with different thicknesses, wedges, prisms, grisms, diffraction gratings, variable pressure gas cells, and/or optical modulators such as acousto-optic, electro-optic, and/or devices or based on liquid crystals.

En una forma de realización, la aplicación de fases espectrales predeterminadas para escanear la dispersión independientemente del retraso a través de: el uso de vidrio en diferentes espesuras, cuñas, prismas, grisms, redes de difracción, celdas de gas a presión variable y/o moduladores ópticos tales como dispositivos ópticos, electroópticos y/o a base de cristales líquidos.In one embodiment, the application of predetermined spectral phases to scan scattering regardless of delay through: the use of glass in different thicknesses, wedges, prisms, grisms, gratings, variable pressure gas cells, and/or optical modulators such as optical, electro-optical and/or liquid crystal based devices.

En una forma de realización, el modulador espectral no lineal es un compresor láser.In one embodiment, the nonlinear spectral modulator is a laser compressor.

En una forma de realización, el compresor láser comprende espejos chirpeados y cuñas de vidrio.In one embodiment, the laser compressor comprises chipped mirrors and glass wedges.

En una forma de realización, el sensor comprende un espectrómetro o un sensor basado en cámaras CCD, o un sensor basado en cámara CMOS para medir el espectro de los pulsos que se van a caracterizar.In one embodiment, the sensor comprises a spectrometer or a CCD camera-based sensor, or a CMOS camera-based sensor for measuring the spectrum of the pulses to be characterized.

En una forma de realización, el proceso no lineal comprende generación de segundo armónico, generación de suma de frecuencia, generación de diferencia de frecuencia, el efecto Kerr óptico y efectos de modulación de fase no lineal relacionados, y/o generación del tercer armónico, y el elemento óptico no lineal comprende gases, sólidos, líquidos o plasmas.In one embodiment, the nonlinear process comprises second harmonic generation, sum frequency generation, frequency difference generation, the optical Kerr effect and related nonlinear phase modulation effects, and/or third harmonic generation, and the nonlinear optical element comprises gases, solids, liquids, or plasmas.

Una forma de realización comprende unos medios para ejecutar en paralelo dicha impartición de fases espectrales, conversión no lineal y medición de la señal resultante.One embodiment comprises means for executing said impartation of spectral phases, non-linear conversion and measurement of the resulting signal in parallel.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

Las siguientes figuras proporcionan unas formas de realización preferidas para ilustrar la descripción y no deben verse como limitativas del alcance de la invención.The following figures provide preferred embodiments to illustrate the description and should not be viewed as limiting the scope of the invention.

Figura 1: Traza gd-scan calculada para la implementación simple descrita en el texto, para un pulso con espectro de 700 a 1000 nm y -300 fsA2 y 100 fsA3 de fase, y con una pequeña fase oscilante superpuesta. Figura 2: Izquierda: Transformada de Fourier de la traza gd-scan en la figura 1, a lo largo del eje de inserción. Derecha: Longitud de onda marginal de la señal a la izquierda.Figure 1: Calculated gd-scan trace for the simple implementation described in the text, for a pulse with spectrum from 700 to 1000 nm and -300 fsA2 and 100 fsA3 in phase, and with a small overlapping oscillating phase. Figure 2: Left: Fourier transform of the gd-scan trace in Figure 1, along the insertion axis. Right: Marginal wavelength of the signal on the left.

Figura 3: Izquierda: señal Omega correspondiente al gd-scan de la figura 1. Derecha: señal 2-omega correspondiente al gd- scan de la figura 1.Figure 3: Left: Omega signal corresponding to the gd-scan of Figure 1. Right: 2-omega signal corresponding to the gd-scan of Figure 1.

Figura 4: Ejemplo de recuperación de una traza teórica gd-scan. Fila superior: intensidad espectral simulada (línea continua) y fase (línea discontinua). Fase espectral recuperada (línea de puntos). Fila central: señales Omega y 2omega correspondientes al pulso simulado. Fila inferior: señales Omega y 2omega recuperadas. Figura 5: Diagrama simplificado de una posible implementación experimental, donde la dispersión y el retraso se introducen utilizando un par de cuñas birrefringentes.Figure 4: Example of recovery of a theoretical gd-scan trace. Upper row: simulated spectral intensity (solid line) and phase (dashed line). Recovered spectral phase (dotted line). Central row: Omega and 2omega signals corresponding to the simulated pulse. Bottom row: Omega and 2omega signals recovered. Figure 5: Simplified diagram of a possible experimental implementation, where dispersion and delay are introduced using a pair of birefringent wedges.

Figura 6: Diagrama simplificado de una posible implementación experimental, donde la dispersión se introduce usando cualquier tipo de cuñas y el retardo se introduce usando un interferómetro de Michelson.Figure 6: Simplified diagram of a possible experimental implementation, where the dispersion is introduced using any type of wedges and the delay is introduced using a Michelson interferometer.

Figura 7: Diagrama simplificado de una posible implementación experimental, donde se codifican la dispersión y el retardo en una dimensión espacial usando una cuña birrefringente y la medida de toda la traza se puede hacer con un solo disparo de láser.Figure 7: Simplified diagram of a possible experimental implementation, where dispersion and delay in one spatial dimension are encoded using a birefringent wedge and the measurement of the entire trace can be done with a single laser shot.

Figura 8: Diagrama simplificado de una posible implementación experimental, donde la dispersión y el retardo se introducen mediante cuñas birrefringentes y no se imparte dispersión negativa en el pulso.Figure 8: Simplified diagram of a possible experimental implementation, where dispersion and delay are introduced by birefringent wedges and no negative dispersion is imparted on the pulse.

Figura 9: Medida y recuperación de un pulso experimental. Arriba a la izquierda: intensidad espectral medida y fase espectral recuperada. Arriba a la derecha: Intensidad temporal recuperada del pulso en la inserción 0 (línea punteada, 79 fs FWHM) y en la inserción óptima (línea discontinua, 6,6 fs).Figure 9: Measurement and recovery of an experimental pulse. Top left: measured spectral intensity and recovered spectral phase. Top right: Recovered temporal intensity of the pulse at insertion 0 (dotted line, 79 fs FWHM) and at optimal insertion (dashed line, 6.6 fs).

Descripción detalladaDetailed description

La presente divulgación se refiere a un método y a un dispositivo para la compresión y caracterización simultáneas de pulsos láser ultracortos.The present disclosure refers to a method and a device for the simultaneous compression and characterization of ultrashort laser pulses.

Nuestro método es especialmente apto para medir pulsos ultracortos con diversos anchos de banda y duraciones sin cambios en el aparato o en los parámetros de adquisición. Para hacer esto, un par de réplicas del pulso que se va a medir se dispersan y retrasan en el tiempo de forma independiente y luego se convierten al dominio de las frecuencias mediante un proceso no lineal. Al resolver la frecuencia de la señal no lineal generada para varios conjuntos de parámetros, se puede determinar la intensidad y la fase del pulso a través de un modelo matemático y algoritmo adecuados.Our method is especially suitable for measuring ultrashort pulses with various bandwidths and durations without changes in the apparatus or in the acquisition parameters. To do this, a pair of aftershocks of the pulse that to be measured are spread and delayed in time independently and then converted to the frequency domain by a non-linear process. By solving for the frequency of the generated non-linear signal for various sets of parameters, the intensity and phase of the pulse can be determined through a suitable mathematical model and algorithm.

Esta técnica está relacionada con la técnica d-scan [14-19] en el sentido de que el pulso que se va a medir sufre una dispersión progresiva y se mide una señal no lineal en función de este parámetro. De hecho, cuando el material birrefringente presenta perfiles de dispersión muy similares en ambos ejes ópticos, una señal similar a la señal dscan se codifica en un determinado patrón de franjas de la señal medida en esta técnica (que no es el caso general). Sin embargo, el presente método se distingue por proporcionar varias funcionalidades que no están presentes en la técnica d-scan, a saber, multiplexando varias señales de diferente naturaleza en el mismo conjunto de datos medidos: señales basadas en dispersión que recuerdan a los escaneos de dispersión, señales controladas en el tiempo que recuerdan a las autocorrelaciones resueltas en frecuencia y señales que potencialmente codifican la dispersión de retraso de grupo del pulso que se va a medir en una posición de franja 2D, que recuerda a las trazas 2D SPIDER. Debido a estas señales múltiples, es posible medir el pulso incluso cuando el rango de la dispersión no es suficiente para comprimir el pulso, es decir, para obtener una compresión óptima (a diferencia de la técnica d-scan). Otra forma en que el presente método se distingue de la técnica d-scan está relacionda con los modelos de procesamiento de los datos utilizados, que tienen que modelar una interacción más compleja entre las dos réplicas que son escaneadas tanto en retraso como en dispersión.This technique is related to the d-scan technique [14-19] in the sense that the pulse to be measured undergoes progressive dispersion and a non-linear signal is measured as a function of this parameter. In fact, when the birefringent material presents very similar dispersion profiles in both optical axes, a signal similar to the dscan signal is encoded in a certain fringe pattern of the signal measured in this technique (which is not the general case). However, the present method is distinguished by providing several functionalities that are not present in the d-scan technique, namely, multiplexing several signals of different nature on the same measured data set: scatter-based signals reminiscent of d-scans. scatter, time-controlled signals reminiscent of frequency-resolved autocorrelations, and signals potentially encoding the group delay spread of the pulse to be measured at a 2D fringe position, reminiscent of 2D SPIDER traces. Due to these multiple signals, it is possible to measure the pulse even when the range of the dispersion is not enough to compress the pulse, i.e. to obtain optimal compression (unlike the d-scan technique). Another way in which the present method differs from the d-scan technique is related to the data processing models used, which have to model a more complex interaction between the two replicas that are scanned both in delay and spread.

Debido al retraso variable impartido entre las dos réplicas y la subsiguiente conversión no lineal, la presente técnica está tangencialmente relacionada con las técnicas de autocorrelación o incluso con FROG [5], ya que la señal controlada temporalmente puede pensarse como una correlación resuelta en frecuencia. Sin embargo, la presente técnica se distingue de las técnicas de autocorrelación y FROG simplemente por el hecho de que el pulso a medir se modifica durante el proceso de medida, al introducir dispersión, por lo que ninguno de los formalismos y supuestos en los que se basan las autocorrelaciones y FROG son válidos, ya que requieren un perfil de intensidad temporal constante para cada réplica durante todo el proceso de medida.Due to the variable delay imparted between the two replicates and the subsequent non-linear conversion, the present technique is tangentially related to autocorrelation techniques or even FROG [5], since the temporally controlled signal can be thought of as a frequency-resolved correlation. However, the present technique is distinguished from the autocorrelation and FROG techniques simply by the fact that the pulse to be measured is modified during the measurement process, by introducing dispersion, so none of the formalisms and assumptions in which based on autocorrelations and FROG are valid, since they require a constant temporal intensity profile for each replicate throughout the measurement process.

Ahora, presentamos una descripción de los principios y características de las realizaciones del método y el sistema. Now, we present a description of the principles and characteristics of the embodiments of the method and the system.

Se considera un pulso de láser ultracorto, que puede describirse por su amplitud espectral compleja:It is considered an ultrashort laser pulse, which can be described by its complex spectral amplitude:

U(co)=|U(co)|exp{/9(ío)} (1)U(co)=|U(co)|exp{/9(io)} (1)

A continuación, el pulso se divide en dos réplicas a través de procesos geométricos, birrefringentes o electroópticos, que en general producirán los dos pulsos siguientes:The pulse is then split into two replicas through geometric, birefringent, or electro-optical processes, which will typically produce the following two pulses:

U1(ro)=|U(o)|exp{/9 (o)+/9 l(ro)} (2)U1(ro)=|U(o)|exp{/9 (o)+/9 l(ro)} (2)

U2(o)=|U(o)|exp{/9 (ro)+/92(ro)} (3)U2(o)=|U(o)|exp{/9 (ro)+/92(ro)} (3)

Donde ^ l(om ega) y ^2(omega) son la fase impartida por el proceso de creación de réplicas, que contiene contribuciones tanto de la dispersión como del retraso.Where ^l(om ega) and ^2(omega) are the phase imparted by the replication process, containing contributions from both dispersion and delay.

Las 2 réplicas, que pueden ser colineales o no, están sujetas a un conjunto de fases espectrales independientes y luego, a algún proceso no lineal. Para el caso simple donde las 2 réplicas son colineales y polarizadas perpendicularmente, y las diferentes fases espectrales se imparten debido a la propagación a través de una pieza de material birrefringente con el eje óptico alineado a lo largo del eje de la réplica U1, además ambas réplicas se proyectan en la misma polarización usando un polarizador, y el proceso no lineal es la generación del segundo armónico, la potencia espectral SHG medida en función del espesor del material birrefringente es proporcional a S(w,z), definida como:The 2 aftershocks, which may or may not be collinear, are subject to a set of independent spectral phases and then to some non-linear process. For the simple case where the 2 replicas are collinear and perpendicularly polarized, and the different spectral phases are imparted due to propagation through a piece of birefringent material with the optical axis aligned along the U1 replica axis, plus both aftershocks are projected at the same polarization using a polarizer, and the nonlinear process is second harmonic generation, the SHG spectral power measured as a function of the thickness of the birefringent material is proportional to S(w,z), defined as:

U1’(ro,z)=U1(ro)exp{/zk_e(Q)} (4)U1'(ro,z)=U1(ro)exp{/zk_e(Q)} (4)

U2’(ro,z)=U2(ro)exp{/zk_o(Q)} (5)U2'(ro,z)=U2(ro)exp{/zk_o(Q)} (5)

S(o,z)=| J(J(U1’(Q,z)+ U2’(Q,z))exp(/Qf)dQ)A2exp(-/rof)df|A2 (6)S(o,z)=| J(J(U1'(Q,z)+ U2'(Q,z))exp(/Qf)dQ)A2exp(-/rof)df|A2 (6)

donde z es el espesor del material birrefringente, k_e(Q) la correspondiente fase dependiente de la frecuencia por unidad de longitud (o número de onda) adquirida por el pulso que se propaga con polarización alineada con el eje óptico del material birrefringente y k_o(Q) la correspondiente fase dependiente de la frecuencia por unidad de longitud (o número de onda) adquirida por el pulso que se propaga con polarización alineada perpendicularmente al eje óptico del material birrefringente.where z is the thickness of the birefringent material, k_e(Q) the corresponding phase dependent on the frequency per unit length (or wavenumber) acquired by the pulse that propagates with polarization aligned with the optical axis of the birefringent material, and k_o( Q) the corresponding phase dependent on the frequency per unit length (or wave number) acquired by the propagating pulse with aligned polarization perpendicular to the optical axis of the birefringent material.

En la expresión (6), se toma la suma de las réplicas propagadas definidas en (4) y (5) en el dominio espectral y se aplica la transformada de Fourier para obtener el campo eléctrico en el dominio del tiempo. A continuación, se realiza SHG (el campo dependiente del tiempo se eleva al cuadrado), y una transformada inversa de Fourier proporciona el espectro SHG.In expression (6), the sum of the propagated replicas defined in (4) and (5) in the spectral domain is taken and Apply the Fourier transform to obtain the electric field in the time domain. SHG is then performed (the time-dependent field is squared), and an inverse Fourier transform provides the SHG spectrum.

Se realiza un escaneo, que en adelante se denominará escaneo de dispersión generalizada, o gd-scan para abreviar, sobre el pulso desconocido introduciendo diferentes espesores de material birrefringente y midiendo los espectros SHG correspondientes, lo que da como resultado una traza bidimensional. Se debe tener en cuenta que el uso de un material birrefringente se presenta solo como un ejemplo de implementación: también podría usarse cualquier otro dispositivo capaz de imponer una fase espectral independiente que contenga tanto dispersión como retraso en cada una de las réplicas de pulso, incluyendo dos disposiciones sucesivas, una introduciendo la dispersión gradual (p.ej., obtenida con prismas, grisms, redes de difracción, celdas de gas de presión variable y moduladores ópticos como dispositivos acusto-ópticos, electroópticos y de cristal líquido) y la otra el retraso variable (p. ej., obtenido con una línea de retardo interferométrica). En este último caso, se puede elegir una relación adecuada entre la dispersión y el retardo impartido para medir una traza bidimensional, o adquirir en su lugar un conjunto de datos tridimensionales.A scan, hereinafter referred to as a generalized scattering scan, or gd-scan for short, is performed on the unknown pulse by introducing different thicknesses of birefringent material and measuring the corresponding SHG spectra, resulting in a two-dimensional trace. It should be noted that the use of a birefringent material is presented as an implementation example only: any other device capable of imposing an independent spectral phase containing both spread and delay in each of the pulse replicas could also be used, including two successive arrangements, one introducing gradual dispersion (eg, obtained with prisms, grisms, diffraction gratings, variable-pressure gas cells, and optical modulators such as acousto-optic, electro-optic, and liquid crystal devices) and the other the variable delay (eg, obtained with an interferometric delay line). In the latter case, a suitable relationship between dispersion and imparted delay can be chosen to measure a two-dimensional trace, or instead acquire a three-dimensional data set.

Este modelo supone que el proceso SHG consiste simplemente en elevar al cuadrado el campo eléctrico en el tiempo, lo que supone una no-linealidad instantánea e independiente de la longitud de onda. Se discuten las consecuencias de esta aproximación más adelante. Para simplificar, también se utilizan valores negativos para la inserción del material birrefringente. Si bien esto obviamente no es realista desde un punto de vista experimental, matemáticamente simplemente resulta de establecer una inserción de referencia dada como cero. Independientemente de esta definición, si conocemos el campo eléctrico para una inserción dada, podremos calcularlo para cualquier otra inserción.This model assumes that the SHG process simply consists of squaring the electric field over time, which implies instantaneous and wavelength-independent non-linearity. The consequences of this approach are discussed below. For simplicity, negative values are also used for the insertion of the birefringent material. While this is obviously unrealistic from an experimental point of view, mathematically it simply results from setting a given reference insert to zero. Regardless of this definition, if we know the electric field for a given insertion, we can calculate it for any other insertion.

Como ejemplo, en la figura 1, se muestra una traza gd-scan calculada de un pulso de entrada con espectro de 700 a 1000 nm y -300 fsA2 y 100 fsA3 de fase, incluyendo una pequeña fase oscilante superpuesta.As an example, in Figure 1, a calculated gd-scan trace of an input pulse with spectrum from 700 to 1000 nm and -300 fsA2 and 100 fsA3 in phase is shown, including a small superimposed oscillating phase.

El material birrefringente utilizado es zafiro, y la fase correspondiente se calculó a partir de las ecuaciones de Sellmeier bien conocidas, precisas y fácilmente disponibles. La primera característica obvia de la traza es su naturaleza interferométrica: dado que las dos réplicas del pulso son colineales y se retrasan interferométricamente entre sí, la interferencia constructiva y destructiva ocurre con un período de medio ciclo, de ahí la modulación vertical. Es esta naturaleza interferométrica de la traza gd-scan la que permite la multiplexación de señales de diferentes naturalezas en el mismo conjunto de datos medidos.The birefringent material used is sapphire, and the corresponding phase was calculated from the well-known, precise and readily available Sellmeier equations. The first obvious feature of the trace is its interferometric nature: since the two pulse aftershocks are collinear and interferometrically lag each other, constructive and destructive interference occurs with a period of half a cycle, hence the vertical modulation. It is this interferometric nature of the gd-scan trace that allows the multiplexing of signals of different natures in the same set of measured data.

Utilizando el análisis de Fourier, se pueden desenredar las diferentes señales multiplexadas. Mediante la transformada de Fourier de la señal a lo largo del eje de inserción, se pueden obtener 5 picos diferentes, es decir, señales que oscilan a diferentes frecuencias de inserción (FIG 2). Se llama a la señal alrededor de 0 umA-1 la señal DC, la señal que oscila en la frecuencia de inserción más alta la señal 2omega y la señal intermedia la señal omega (ignoramos las señales en frecuencias negativas). Aislando los picos correspondientes a estas señales con, por ejemplo, funciones de filtro supergaussianas y haciendo nuevamente transformadas de Fourier para el dominio de las inserciones, las senales se pueden analizar por separado.Using Fourier analysis, the different multiplexed signals can be disentangled. By Fourier transforming the signal along the insertion axis, 5 different peaks can be obtained, that is, signals that oscillate at different insertion frequencies (FIG 2). The signal around 0 umA-1 is called the DC signal, the signal oscillating at the highest insertion frequency the 2omega signal, and the intermediate signal the omega signal (we ignore signals at negative frequencies). By isolating the peaks corresponding to these signals with, for example, super-Gaussian filter functions and again doing Fourier transforms for the domain of insertions, the signals can be analyzed separately.

Desde el punto de vista de la recuperación de pulsos, los datos más importantes están codificados en las señales en omega y 2omega (figura 3). La señal de 2omega es el promedio entre las trazas de d-scan de ambas réplicas. La señal omega está controlada por el tiempo (del inglés, time-gated), es decir, su extensión en la dirección de inserción está estrechamente relacionada con la duración del pulso. Curiosamente, para un pulso con una fase no plana, esta señal muestra una serie de franjas verticales, donde se codifica la dispersión del retraso de grupo del pulso. La combinación entre estas tres señales (d-scan, time-gated, gdd-fringes) permite la recuperación del campo eléctrico en una amplia gama de parámetros, a saber: cuando el pulso no experimenta un punto de compresión máxima durante el escaneo completo; cuando el pulso a medir es más largo que el retraso intra-réplica máximo, debido al chirp; cuando el aparato no escanea el retraso de los pulsos de negativo a positivo, sino que escanea exclusivamente retrasos negativos o retrasos positivos; o cuando a las réplicas nunca se le aplica una dispersión negativa.From the point of view of pulse recovery, the most important data is encoded in the omega and 2omega signals (figure 3). The 2omega signal is the average between the d-scan traces of both replicates. The omega signal is time-gated, ie its extension in the insertion direction is closely related to the duration of the pulse. Interestingly, for a pulse with a non-flat phase, this signal shows a series of vertical fringes, where the group delay spread of the pulse is coded. The combination between these three signals ( d-scan, time-gated, gdd-fringes) allows the recovery of the electric field in a wide range of parameters, namely: when the pulse does not experience a maximum compression point during the full scan; when the pulse to be measured is longer than the maximum intra-replica delay, due to the chirp; when the apparatus does not scan the delay of the pulses from negative to positive, but only scans negative delays or positive delays; or when the aftershocks are never negatively dispersed.

Es de interés el régimen en el que el pulso que se va a medir se escanea en el rango de retraso positivo y de dispersión positiva (retraso negativo, dispersión negativa en regiones donde el material de la cuña es anómalo), ya que simplifica enormemente el proceso de producción de réplicas, y no es necesario introducir retrasos negativos ni dispersión negativa (retraso positivo, dispersión positiva en regiones donde el material de la cuña es anómalo). En este régimen, la señal medida contiene suficiente información para recuperar completamente el pulso, aunque el pulso no sufre la máxima compresión, como es forzosamente necesario en la técnica d-scan [14], o las réplicas nunca estén sincronizadas en el tiempo. Esto se debe a la redundancia mostrada en los patrones de interferencia no lineal observados.The regime in which the pulse to be measured is scanned in the range of positive delay and positive dispersion (negative delay, negative dispersion in regions where the wedge material is anomalous) is of interest, as it greatly simplifies the replica production process, and it is not necessary to introduce negative lags or negative scatter (positive lag, positive scatter in regions where the wedge material is anomalous). In this regime, the measured signal contains enough information to fully recover the pulse, even if the pulse does not undergo maximum compression, as is necessarily necessary in the d-scan technique [14], or the aftershocks are never synchronized in time. This is due to the redundancy shown in the observed non-linear interference patterns.

Se debe tener en cuenta que la descripción actual no se limita a medir múltiples disparos: así como el d-scan de un solo disparo [18], al codificar el eje de inserción en una dirección espacial y hacer la imagen del plano donde se codificó dicha variación en la superficie de un cristal no lineal, y analizando la señal no lineal variable espacialmente resultante con un espectrómetro multicanal capaz de resolver dicha variación espacial (por ejemplo, un espectrómetro de imagen), se puede medir un escaneo dado en una sola adquisición, que posiblemente contenga solo un único disparo láser .It should be noted that the current description is not limited to measuring multiple shots: as well as the single shot d-scan [18], by encoding the insertion axis in a spatial direction and imaging the plane where it was encoded. said variation in the surface of a nonlinear crystal, and analyzing the variable nonlinear signal spatially resulting With a multichannel spectrometer capable of resolving such spatial variation (for example, an imaging spectrometer), a given scan can be measured in a single acquisition, possibly containing only a single laser shot.

Surge ahora la cuestión de cómo encontrar el campo eléctrico que genera un escaneo. Utilizando el modelo de las ecuaciones (1-6), junto con el proceso de filtrado descrito en el último párrafo, podemos simular los escaneos medidos para un campo eléctrico dado. Mediante el empleo de un algoritmo capaz de determinar el campo eléctrico que genera una traza simulada idéntica a la medida (con respecto a las trazas omega o 2-omega; o considerando ambas simultáneamente ajustando la señal medida real sin filtrado de frecuencia) se reconstruye el campo eléctrico del pulso a medir (aparte de una fase constante, también conocida como la fase entre la portadora y la envolvente, carrier-envelope phase), tanto en el dominio espectral como en el temporal. En el dominio espectral, el pulso se define por la intensidad espectral y la fase, siendo la intensidad espectral fácil de medir. Por lo tanto, aunque es posible determinar tanto la intensidad espectral como la fase a partir de este procedimiento, es beneficioso complementar la medición de gd-scan con una medición de la intensidad espectral, lo que introduce redundancia en el conjunto de datos y hace que este procedimiento sea menos propenso a errores, ya que ahora solo se necesita determinar la fase espectral.The question now arises of how to find the electric field that generates a scan. Using the model of equations (1-6), together with the filtering process described in the last paragraph, we can simulate the measured scans for a given electric field. By using an algorithm capable of determining the electric field that generates a simulated trace identical to the measurement (with respect to the omega or 2-omega traces; or considering both simultaneously adjusting the real measured signal without frequency filtering) the electric field of the pulse to be measured (apart from a constant phase, also known as the phase between the carrier and the envelope, carrier-envelope phase), both in the spectral and temporal domains. In the spectral domain, the pulse is defined by the spectral intensity and the phase, with the spectral intensity being easy to measure. Therefore, although it is possible to determine both spectral intensity and phase from this procedure, it is beneficial to supplement the gd-scan measurement with a spectral intensity measurement, which introduces redundancy into the data set and makes this procedure less error prone, since now only the spectral phase needs to be determined.

El algoritmo empleado para la determinación del campo eléctrico del conjunto de datos (que puede o no incluir la intensidad espectral) puede basarse en varios métodos diferentes, incluidos algoritmos de optimización no lineal, algoritmos genéticos, aprendizaje automático, redes neuronales, métodos estocásticos, estimación de algoritmos de distribución, proyecciones generales o cualquier algoritmo capaz de ajustar un conjunto de datos simulados a un conjunto de datos medido dado un conjunto de variables independientes (en este caso, la fase espectral del pulso de entrada, 9 (w)). Como ejemplo, utilizamos el algoritmo Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS), un método de optimización no lineal cuasi-Newton ilimitado/sin fronteras. Esencial para el uso de dichos algoritmos es definir una métrica de aptitud o mérito para comparar conjuntos de datos medidos y simulados. Utilizamos métricas similares a las utilizadas en el método d-scan [14]. Esta función de mérito puede ser de dimensión cero o unidimensional, y definida respectivamente por:The algorithm employed for the determination of the electric field from the data set (which may or may not include the spectral intensity) may be based on a number of different methods, including non-linear optimization algorithms, genetic algorithms, machine learning, neural networks, stochastic methods, estimation from distribution algorithms, general projections, or any algorithm capable of fitting a simulated data set to a measured data set given a set of independent variables (in this case, the spectral phase of the input pulse, 9(w)). As an example, we use the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) algorithm, a boundless/boundary quasi-Newton nonlinear optimization method. Essential to the use of such algorithms is to define a fitness or merit metric to compare measured and simulated data sets. We use metrics similar to those used in the d-scan method [14]. This merit function can be zero-dimensional or one-dimensional, and defined respectively by:

G_0D=sqrt{1/(MNj)Z/,j(Smeas(ro/,z/)-|i/Ssim(ro/,z/))A2} (7)G_0D=sqrt{1/(MNj)Z/,j(Smeas(ro/,z/)-|i/Ssim(ro/,z/))A2} (7)

G_1D(ro)=sqrt{1/(Ny)Z/(Smeas(ro,z/)-|i/Ss¡m(ro,z/))A2} (8)G_1D(ro)=sqrt{1/(Ny)Z/(Smeas(ro,z/)-|i/Ss¡m(ro,z/))A2} (8)

Donde Smeas y Ssim se refieren a los escaneos medidos y simulados (ya sea las señales filtradas omega o 2omega; o la señal medida interferométrica completa), Ni y Nj son el número de puntos en los ejes de frecuencia y dispersión, respectivamente, y ^i es el factor que minimiza el error para cada componente de frecuencia raí y viene dado por:Where Smeas and Ssim refer to the measured and simulated scans (either the omega or 2omega filtered signals; or the full interferometric measured signal), Ni and Nj are the number of points on the frequency and dispersion axes, respectively, and ^ i is the factor that minimizes the error for each rai frequency component and is given by:

|i/=Z/Smeas(o/,zj)Ssim(ra/,zj)/Ssim(ra/,zj)A2 (9)|i/=Z/Smeas(o /,zj)Ssim ( ra/,zj)/Ssim ( ra/,zj)A2 (9)

Los algoritmos como el BFGS operan minimizando una función de mérito de dimensión cero (7), pero, por ejemplo, algoritmos como el algoritmo de Levenberg-Marquardt (LMA) [20] son aptos para minimizar funciones de mérito unidimensionales (8) que puede tener beneficios de convergencia para ciertos conjuntos de datos.Algorithms such as the BFGS operate by minimizing a zero-dimensional merit function (7), but, for example, algorithms such as the Levenberg-Marquardt algorithm (LMA) [20] are apt to minimize one-dimensional merit functions (8) that can have convergence benefits for certain data sets.

Para facilitar la convergencia del algoritmo y mejorar las condiciones de convergencia, la función de fase debe describirse de manera conveniente. Como suele ser necesario, se quiere minimizar el número de dimensiones en el problema sin dejar de describir con precisión la fase, y se desea una base cuyas funciones estén lo más desacopladas posible, para evitar que el algoritmo se atasque en los mínimos locales. Aquí se pueden adoptar diferentes enfoques.To facilitate the convergence of the algorithm and to improve the convergence conditions, the phase function must be described in a suitable way. As is often necessary, one wants to minimize the number of dimensions in the problem while still accurately describing the phase, and one wants a basis whose functions are as decoupled as possible, to avoid getting the algorithm stuck at local minima. Here you can take different approaches.

Algunos autores optan por permitir que cada punto de la fase temporal o espectral compleja muestreada sea una variable independiente (p. ej. [2]), y como tal, el número de dimensiones del problema será determinado por el muestreo. Otra opción, muy común, es utilizar una expansión de Taylor como base.Some authors choose to allow each sampled complex spectral or temporal phase point to be an independent variable (eg [2]), and as such, the number of dimensions of the problem will be determined by sampling. Another very common option is to use a Taylor expansion as a base.

En el primer caso, la gran cantidad de parámetros hace que el algoritmo sea bastante lento, mientras que en el último también hay un alto grado de acoplamiento entre los términos pares (es decir, dispersión de segundo orden, dispersión de cuarto orden, etc.). como entre los términos impares (dispersión de tercer orden, dispersión de quinto orden, etc.).In the former case, the large number of parameters makes the algorithm quite slow, while in the latter there is also a high degree of coupling between the even terms (i.e., 2nd order spread, 4th order spread, etc. ). as between the odd terms (third-order scattering, fifth-order scattering, etc.).

Esta base seguiría siendo una buena opción, u óptima, para funciones de fase simple, como las que se presentan por vidrios, redes, compresores de prisma, etc., que se describen con precisión de esta forma.This basis would still be a good, or optimal, choice for simple phase functions, such as those presented by glasses, gratings, prism compressors, etc., which are accurately described in this way.

En nuestro caso ejemplificativo, se puede optar por escribir la fase como una serie de Fourier o como una representación dispersa punto por punto en el espacio de longitud de onda o de frecuencia con una interpolación bicúbica entre puntos. Se comprueba que cualquiera de los enfoques converge siempre que el algoritmo numérico sea lo suficientemente apto y las cuadrículas de representación sean adecuadas para el problema (no demasiado dispersas). A pesar de esto, cualquier otra base de fase o representación puede ser adecuada, incluyendo el uso de las primeras o segundas derivadas de la fase con respecto a la frecuencia como variables independientes; incluyendo el ajuste no solo de la fase espectral sino también de la intensidad espectral; utilizando la intensidad temporal y la fase como variables independientes; utilizando la transformada fraccionaria de Fourier [21] u otro tipo de transformada canónica lineal en lugar de la transformada de Fourier para describir el problema en el espacio fraccionario de tiempo-frecuencia.In our exemplary case, one can choose to write the phase as a Fourier series or as a point-by-point sparse representation in wavelength or frequency space with bicubic interpolation between points. Either approach is checked for convergence as long as the numerical algorithm is fit enough and the representation grids are suitable for the problem (not too scattered). Despite this, any other basis for phase or representation may be suitable, including the use of the first or second derivatives of phase with respect to frequency as independent variables; including adjustment of not only the spectral phase but also the spectral intensity; using temporal intensity and phase as independent variables; using the fractional Fourier transform [21] or another type of canonical linear transform instead of the Fourier transform to describe the problem in fractional time-frequency space.

El método descrito no se limita al uso de SHG: cualquier otra no linealidad óptica, como la generación de suma de frecuencia, la generación de diferencia de frecuencia, el efecto Kerr óptico (y los efectos de modulación de fase no lineal relacionados) y la generación de tercer armónico, que se produzca en gases, sólidos, líquidos o plasmas, y de hecho cualquier efecto no lineal que cambie/afecte el espectro fundamental, en principio se puede utilizar con este método. El conjunto de fases espectrales aplicadas también puede ser arbitrario siempre que afecten temporalmente al campo eléctrico y, en consecuencia, a los espectros no lineales generados.The described method is not limited to the use of SHG: any other optical nonlinearities, such as frequency sum generation, frequency difference generation, optical Kerr effect (and related nonlinear phase modulation effects), and Third harmonic generation, whether it occurs in gases, solids, liquids or plasmas, and indeed any non-linear effect that changes/affects the fundamental spectrum, can in principle be used with this method. The set of applied spectral phases can also be arbitrary as long as they temporarily affect the electric field and consequently the non-linear spectra generated.

La figura 4 muestra un ejemplo de un espectro simulado (espectro de potencia medido y fase simulada), su SHG gd-scan y la correspondiente fase recuperada. La concordancia entre las fases recuperada y original es muy buena incluso en regiones donde la potencia espectral es de alrededor del 2 % de la potencia espectral máxima.Figure 4 shows an example of a simulated spectrum (measured power spectrum and simulated phase), its SHG gd-scan and the corresponding recovered phase. The agreement between the recovered and original phases is very good even in regions where the spectral power is around 2% of the maximum spectral power.

El gd-scan simulado se limitó artificialmente en longitud de onda para simular un proceso SHG con un ancho de banda limitado o una transmisión espectral limitada proveniente de la óptica presente en la configuración, lo que conduce a una señal atenuada e incluso cero en varias longitudes de onda (más corta que 370 nm y más larga de 460 nm) - un problema experimental común. A pesar de esto, es posible recuperar correctamente la fase para una determinada frecuencia, incluso si no hay señal en la frecuencia SHG (doblada) correspondiente, como se puede ver en el resultado de la Fig. 4; la fase se recupera correctamente en todo el espectro. Esto no sería posible con MIIPS, chirp-scan u otras técnicas de recuperación.The simulated gd-scan was artificially limited in wavelength to simulate a SHG process with limited bandwidth or limited spectral transmission coming from the optics present in the setup, leading to attenuated and even zero signal at various lengths. waveform (shorter than 370 nm and longer than 460 nm) - a common experimental problem. Despite this, it is possible to correctly recover the phase for a certain frequency, even if there is no signal at the corresponding SHG (doubled) frequency, as can be seen in the result of Fig. 4; the phase recovers correctly across the spectrum. This would not be possible with MIIPS, chirp-scan, or other recovery techniques.

En la figura 5, se muestra un diagrama simplificado de una posible implementación experimental, donde tanto la dispersión como el retardo se introducen dentro del mismo elemento óptico. La fuente de pulsos ultrarrápidos para medir y comprimir fue un oscilador láser ultrarrápido (Enora de Sphere Photonics, que no se muestra), en el que dichos pulsos tienen una polarización p. La producción de réplicas con la fase adecuada para la medición se realiza mediante los siguientes tres elementos: un par de espejos chirpeados (50,51) imparten dispersión negativa (-fs2) en el pulso, una placa de media longitud de onda gira la polarización del pulso de entrada (52) y le sigue una placa de calcita (53) con el eje óptico paralelo a la mesa, que retrasará de forma diferente tanto la polarización vertical como la horizontal. La etapa de producción de réplicas es seguida por un par de cuñas de cuarzo (54, 55), una de las cuales se encuentra en una etapa móvil para introducir retraso y dispersión variables. Posteriormente, un polarizador (56) proyecta las réplicas con dispersión y retraso variable en el mismo plano de polarización entre la polarización p y s-pol, y luego se genera la señal SFG/SHG al enfocar el haz resultante con una parábola fuera de eje recubierta de aluminio (57) en un cristal estándar no lineal (58). A continuación, un espectrómetro (59) registra la señal resultante. Esta configuración se puede transformar en un compresor variable simplemente girando la placa de media longitud de onda para no girar la polarización de entrada y girando el polarizador para transmitir completamente la polarización p, y el pulso se desvía, por ejemplo, a un experimento en lugar de enviarse a la etapa de generación SFG/SHG. Por lo tanto, uno no solo puede medir el pulso sino también optimizarlo (dentro del rango del compresor, que depende del diseño). Dicha configuración también se puede usar como un dispositivo de medición de pulso independiente, siempre que se reste una calibración de la dispersión del sistema desde la entrada del sistema hasta el cristal SHG. Dichas mediciones se realizan de forma rutinaria utilizando varias técnicas, por ejemplo, interferometría de luz blanca.In figure 5, a simplified diagram of a possible experimental implementation is shown, where both dispersion and delay are introduced within the same optical element. The source of ultrafast pulses to be measured and compressed was an ultrafast laser oscillator ( Enora from Sphere Photonics, not shown), where the ultrafast pulses have a bias p. Producing aftershocks with the proper phase for the measurement is accomplished by the following three elements: a pair of chirped mirrors (50,51) impart negative dispersion (-fs2) on the pulse, a half-wavelength plate rotates the polarization of the input pulse (52) and is followed by a calcite plate (53) with the optical axis parallel to the table, which will delay the vertical and horizontal polarization differently. The replica production stage is followed by a pair of quartz wedges (54, 55), one of which is on a moving stage to introduce variable delay and scattering. Subsequently, a polarizer (56) projects the aftershocks with variable dispersion and delay in the same polarization plane between the p and s-pol polarization, and then the SFG/SHG signal is generated by focusing the resulting beam with a coated off-axis parabola. of aluminum (57) in a non-linear standard crystal (58). A spectrometer (59) then records the resulting signal. This setup can be transformed into a variable compressor by simply rotating the half-wavelength plate to not rotate the input bias, and rotating the polarizer to fully transmit p-bias, and the pulse is diverted, for example, to an experiment instead. to be sent to the SFG/SHG generation stage. Thus, one can not only measure the pulse but also optimize it (within the range of the compressor, which depends on the design). Such a setup can also be used as a stand-alone pulse measurement device, provided a calibration of the system spread is subtracted from the system input to the SHG crystal. Such measurements are routinely made using various techniques, eg white light interferometry.

En la figura 6, se proporciona un diagrama simplificado de una segunda posible implementación experimental, donde se introducen la dispersión y el retardo con diferentes elementos ópticos. La fuente de pulsos ultrarrápidos para medir y comprimir fue un oscilador láser ultrarrápido (Enora de Sphere Photonics, que no se muestra), en el que tales pulsos tienen polarización p. La producción de réplicas con la fase adecuada para la medida se realiza mediante los siguientes dos elementos: un par de espejos chirpados (60, 61) imparten dispersión negativa (-fs2) en el pulso, y un interferómetro de Michelson (62, 63, 64) crea la dos réplicas con retardo variable. La etapa de producción de réplicas es seguida por un par de cuñas de vidrio BK7 (65, 66), una de las cuales está en una etapa móvil para introducir una dispersión variable. Posteriormente, la señal SFG/SHG se genera enfocando el haz resultante con una parábola fuera del eje recubierta de aluminio (67) en un cristal no lineal estándar (68). A continuación, un espectrómetro (69) registra la señal resultante. En principio, esta configuración se puede transformar en un compresor variable ajustando el retardo en el interferómetro de Michelson a cero y desviando el pulso a, por ejemplo, un experimento en lugar de enviarlo a la etapa de generación de SFG/SHG. Por lo tanto, se puede tanto medir el pulso como también optimizarlo (dentro del rango del compresor, que depende del diseño). Dicha configuración también se puede usar como un dispositivo de medida de pulso independiente, siempre que se reste una calibración de la dispersión del sistema desde la entrada del sistema hasta el cristal SHG. Tales mediciones se realizan de forma rutinaria utilizando varias técnicas, por ejemplo, interferometría de luz blanca. In Figure 6, a simplified diagram of a second possible experimental implementation is provided, where dispersion and delay are introduced with different optical elements. The source of ultrafast pulses to be measured and compressed was an ultrafast laser oscillator ( Enora from Sphere Photonics, not shown), where such pulses have p-bias. The production of aftershocks with the appropriate phase for the measurement is performed by the following two elements: a pair of chirped mirrors (60, 61) imparting negative dispersion (-fs2) on the pulse, and a Michelson interferometer (62, 63, 64) creates the two replicas with variable delay. The replica production stage is followed by a pair of BK7 glass wedges (65, 66), one of which is on a moving stage to introduce variable dispersion. Subsequently, the SFG/SHG signal is generated by focusing the resulting beam with an aluminum coated off-axis parabola (67) onto a standard non-linear crystal (68). A spectrometer (69) then records the resulting signal. In principle, this setup can be transformed into a variable compressor by setting the delay in the Michelson interferometer to zero and diverting the pulse to, for example, an experiment instead of sending it to the SFG/SHG generation stage. Therefore, the pulse can be measured as well as optimized (within the range of the compressor, which depends on the design). Such a setup can also be used as a stand-alone pulse measurement device, provided a calibration of the system spread is subtracted from the system input to the SHG crystal. Such measurements are routinely made using various techniques, eg white light interferometry.

En la figura 7, se proporciona un diagrama simplificado de una posible tercera implementación experimental, donde la dispersión y el retardo se introducen con el mismo elemento óptico y la medida se realiza con un solo disparo de láser. In figure 7, a simplified diagram of a possible third experimental implementation is provided, where dispersion and delay are introduced with the same optical element and the measurement is made with a single laser shot.

La fuente de pulsos ultrarrápidos a medir fue un oscilador láser ultrarrápido (Enora de Sphere Photonics, no mostrado), en el que dichos pulsos tienen una polarización p.The source of ultrafast pulses to be measured was an ultrafast laser oscillator ( Enora from Sphere Photonics, not shown), in which said pulses have a polarization p.

La producción de réplicas con la fase adecuada para la medida se realiza mediante los siguientes tres elementos: un par de espejos chirpeados (70, 71) imparten dispersión negativa (-fs2) en el pulso, una placa de media longitud de onda (72) gira la polarización del pulso de entrada y le sigue una placa de calcita (73) con el eje óptico paralelo a la mesa, que retrasará de forma diferente tanto la polarización vertical como la horizontal.The production of aftershocks with the appropriate phase for the measurement is accomplished by the following three elements: a pair of chirped mirrors (70, 71) imparting negative dispersion (-fs2) on the pulse, a half-wavelength plate (72) the polarization of the input pulse rotates and is followed by a calcite plate (73) with the optical axis parallel to the table, which will retard both the vertical and horizontal polarization differently.

Un telescopio (74) aumenta significativamente el tamaño del haz, que luego se propagará a través de una cuña (75) con el eje óptico perpendicular a la mesa óptica, creando una dispersión espacialmente variable y un retraso entre réplicas a través del haz.A telescope (74) significantly increases the size of the beam, which will then propagate through a wedge (75) with the optical axis perpendicular to the optical table, creating spatially variable spread and aftershock delay across the beam.

Posteriormente, un polarizador (76) proyecta las réplicas, que están tanto retardadas como dispersas de forma variable, en el mismo plano de polarización a 45 grados entre la polarización p y s-pol, un sistema óptico (77) crea una imagen reducida del haz en el plano de entrada de la cuña en el cristal no lineal (78). Un sistema óptico (79) vuelve a generar la imagen del plano de cristal SHG/SFG en la rendija de entrada (800) de un espectrómetro de imágenes, que es capaz de registrar la traza completa en una sola exposición, posiblemente correspondiente a un solo pulso de láser. Dicha configuración se puede usar como un dispositivo de medición de pulso, siempre que se reste una calibración de la dispersión del sistema desde la entrada del sistema hasta el cristal SHG. Tales mediciones de calibración se realizan rutinariamente utilizando varias técnicas, por ejemplo, interferometría de luz blanca.Subsequently, a polarizer (76) projects the aftershocks, which are both delayed and variably scattered, into the same plane of polarization at 45 degrees between p- and s-pol polarization, an optical system (77) creates a reduced image of the beam. in the input plane of the wedge in the nonlinear crystal (78). An optical system (79) reimages the SHG/SFG crystal plane at the entrance slit (800) of an imaging spectrometer, which is capable of recording the entire trace in a single exposure, possibly corresponding to a single laser pulse. Such a setup can be used as a pulse measurement device, provided a calibration of the system spread is subtracted from the system input to the SHG crystal. Such calibration measurements are routinely made using various techniques, eg white light interferometry.

En la figura 8, se proporciona un diagrama simplificado de una posible cuarta implementación experimental, donde tanto la dispersión como el retardo se introducen dentro del mismo elemento óptico, sin necesidad de que las réplicas generadas tengan dispersión negativa (en caso de que las cuñas introduzcan una dispersión normal; positivo en caso de que dichas cuñas introduzcan una dispersión anómala) o que el escaneo pase por cero de retraso. La fuente de pulsos ultrarrápidos para medir y comprimir fue un oscilador láser ultrarrápido (Enora de Sphere Photonics, que no se muestra), en el que tales pulsos tienen polarización p. Una placa de media longitud de onda (80) gira la polarización del pulso de entrada y el pulso resultante se propaga a través de un par de cuñas de cuarzo (81, 82), una de las cuales está en una etapa móvil para variar la distancia de propagación recorrida dentro de las cuñas. La proyección de pulso de entrada a lo largo de la polarización del eje óptico se dispersará y retrasará en cantidades diferentes de la proyección de pulso en la polarización perpendicular al eje óptico, creando efectivamente las dos réplicas necesarias e introduciendo las fases espectrales necesarias en cada una de ellas. Posteriormente, un polarizador (83) proyecta las réplicas dispersadas y retardadas de forma variable en el mismo plano de polarización entre la polarización p y s-pol, y luego se genera la señal SFG/SHG al enfocar el haz resultante con una parábola fuera del eje (84) en un cristal no lineal estándar (85). A continuación, un espectrómetro (86) registra la señal resultante. Dicha configuración se puede utilizar como un dispositivo de medición de pulso independiente, siempre que se reste la calibración de la dispersión del sistema desde la entrada del sistema hasta el cristal SHG. Dichas mediciones de calibración se realizan rutinariamente utilizando varias técnicas, por ejemplo, interferometría de luz blanca.In figure 8, a simplified diagram of a possible fourth experimental implementation is provided, where both the dispersion and the delay are introduced within the same optical element, without the need for the replicates generated to have negative dispersion (in case the wedges introduce normal dispersion; positive in case such wedges introduce anomalous dispersion) or the scan goes through zero delay. The source of ultrafast pulses to be measured and compressed was an ultrafast laser oscillator (Enora from Sphere Photonics, not shown), where such pulses have p-bias. A half-wavelength plate (80) rotates the bias of the input pulse, and the resulting pulse is propagated through a pair of quartz wedges (81, 82), one of which is on a moving stage to vary the frequency. propagation distance traveled inside the wedges. The input pulse projection along the polarization of the optical axis will be spread and delayed by different amounts from the pulse projection in the polarization perpendicular to the optical axis, effectively creating the two necessary aftershocks and introducing the necessary spectral phases into each. of them. Subsequently, a polarizer (83) projects the variably scattered and delayed aftershocks into the same polarization plane between the p- and s-pol polarization, and then the SFG/SHG signal is generated by focusing the resulting beam with an off-axis parabola. (84) in a standard nonlinear crystal (85). A spectrometer (86) then records the resulting signal. Such a setup can be used as a stand-alone pulse measurement device, provided the system spread calibration is subtracted from the system input to the SHG crystal. Such calibration measurements are routinely made using various techniques, eg white light interferometry.

Usando la configuración de la figura 5, se realizó un escaneo gd-scan con una espesura fina de muestreo (2048 espectros adquiridos, con un paso de espesura de aproximadamente 9 pm), representado en la figura 9, junto con el filtrado de las señales omega y 2omega. Debido al ángulo de las cuñas, este paso de espesura corresponde a un paso de traslación de la cuña de 10 pm, por lo que la precisión de posicionamiento no es exigente en comparación con los métodos interferométricos. Un diseño de cuña diferente permitiría una disminución adicional en la precisión de posicionamiento, es decir, se puede diseñar el aparato para que funcione con diferentes tipos de tecnologías de posicionamiento.Using the setup of Figure 5, a gd-scan was performed with a fine sampling thickness (2048 spectra acquired, with a thickness step of approximately 9 pm), depicted in Figure 9, along with filtering of the signals. omega and 2omega. Due to the angle of the wedges, this thickness step corresponds to a wedge translation step of 10 pm, so the positioning accuracy is not demanding compared to interferometric methods. A different wedge design would allow for a further decrease in positioning accuracy, ie the apparatus can be designed to work with different types of positioning technologies.

El pulso medido se recuperó usando los algoritmos descritos anteriormente y los resultados representados en la figura 9. La inserción "cero" en la presente memoria se refiere a la inserción en la que el pulso es más corto y para la cual se muestran las reconstrucciones de fase y tiempo. El ancho de pulso recuperado en la inserción cero fue de 79 fs, aunque con un espectro que consigue 6,0 fs de duración. A partir de los datos recuperados, es sencillo determinar que en la posición de cuña donde la inserción corresponde a -3,0 mm, el pulso es más corto, lo que corresponde a 6,6 fs. Se debe tener en cuenta que no hay ambigüedad en la dirección del tiempo en el pulso recuperado. Incluso si la fuente láser y la configuración tal como están no permiten pulsos más cortos, la medida precisa de la fase realmente permite rediseñar el compresor si es necesario, es decir, usando diferentes lentes y/o espejos chirpeados.The measured pulse was retrieved using the algorithms described above and the results depicted in Figure 9. The "zero" insert as used herein refers to the insert in which the pulse is shortest and for which the reconstructions of the pulse are shown. phase and time. The recovered pulse width at zero insertion was 79 fs, albeit with a spectrum that achieves 6.0 fs in duration. From the retrieved data, it is easy to determine that in the wedge position where the insertion corresponds to -3.0 mm, the pulse is shorter, corresponding to 6.6 fs. It should be noted that there is no ambiguity in the direction of time in the recovered pulse. Even if the laser source and setup as it is doesn't allow for shorter pulses, the precise measurement of the phase actually allows one to redesign the compressor if necessary, ie using different lenses and/or chipped mirrors.

Cabe señalar que la recuperación de fase es muy robusta incluso en regiones de densidad de potencia espectral muy baja. Y, teniendo en cuenta que hay muy poca señal de SHG por encima de 500 nm y por debajo de 350 nm, es sorprendente que la fase se recupere constantemente mucho más allá de 1000 nm y por debajo de 700 nm. Una vez más, esto se debe al acoplamiento entre todas las componentes de frecuencia en la traza y el espectro original, lo que da redundancia de datos en la traza SHG d-scan, uno de los aspectos clave de esta técnica. It should be noted that phase recovery is very robust even in regions of very low power spectral density. And, considering that there is very little SHG signal above 500 nm and below 350 nm, it is surprising that the phase consistently recovers well beyond 1000 nm and below 700 nm. Again, this is due to the coupling between all frequency components in the trace and the original spectrum, which gives data redundancy in the SHG d-scan trace, one of the key aspects of this technique.

La técnica de recuperación de fase utilizada en esta demostración de la técnica ciertamente no es la única posible. Incluso si funcionó extremadamente bien para nuestros propósitos, los enfoques numéricos mejores, más rápidos y más elegantes son sin duda posibles y se estudiarán en trabajos futuros.The phase recovery technique used in this demonstration of the technique is certainly not the only one possible. Even if it worked extremely well for our purposes, better, faster, and more elegant numerical approaches are certainly possible and will be studied in future work.

Después de tener bien caracterizado el campo para una inserción dada, es sencillo calcularlo para cualquier otra inserción aplicando a la fase recuperada la curva de fase conocida del vidrio. De esta forma, se puede simplemente rodar el lambda/2 para no cambiar la polarización y encontrar la inserción que minimizó la longitud del pulso y mover las cuñas a la posición correspondiente, lo que da como resultado una compresión óptima del pulso donde va a ser utilizado (del inglés, on target). After having well characterized the field for a given insert, it is easy to calculate it for any other insert by applying the phase curve known from the glass to the recovered phase. In this way, one can simply roll the lambda/2 to not change the bias and find the insert that minimized the pulse length and move the wedges to the corresponding position, resulting in optimal compression of the pulse where it is going to be. used (from English, on target).

Se ha descrito y demostrado un método simple, económico y robusto para caracterizar pulsos de láser ultracortos basados en la recuperación de fase iterativa de escaneos de dispersión, utilizando espejos chirpados, cuñas y un cristal SHG estándar. Para la implementación mostrada, la alineación es muy fácil (no se necesita precisión ni estabilidad interferométrica). Además, no se está tan limitado por las restricciones del ajuste de fase del cristal SHG como con otras técnicas, lo que permite la caracterización de pulsos de ancho de banda extremadamente amplio sin tener que sacrificar la eficiencia de SHG al emplear cristales difíciles de fabricar por su pequeño espesor. Como resultado, es posible obtener un dispositivo simple, eficiente y robusto capaz de medir con exito pulsos de luz ultracortos desde el régimen de pocos ciclos hasta >100 fs con la misma configuración y parámetros de adquisición. Esta nueva técnica y dispositivo de medida de pulsos debería ser importante para cualquier persona que utilice pulsos de láser de femtosegundos tanto en la investigación científica como en usos del mundo real, desde aplicaciones médicas hasta industriales.A simple, inexpensive, and robust method for characterizing ultrashort laser pulses based on iterative phase recovery of scattering scans, using chirped mirrors, wedges, and a standard SHG crystal, has been described and demonstrated. For the implementation shown, the alignment is very easy (no precision or interferometric stability needed). In addition, you are not as constrained by the phasing constraints of the SHG crystal as you are with other techniques, allowing the characterization of extremely wide-bandwidth pulses without having to sacrifice SHG efficiency by using difficult-to-manufacture crystals. its small thickness. As a result, it is possible to obtain a simple, efficient and robust device capable of successfully measuring ultra-short light pulses from the regime of few cycles up to >100 fs with the same configuration and acquisition parameters. This new pulse measurement device and technique should be important to anyone using femtosecond laser pulses in both scientific research and real-world uses, from medical to industrial applications.

El término "comprende", siempre que se utilice en este documento, pretende indicar la presencia de funcionalidades, elementos, etapas, componentes descritos, pero no excluye la presencia o adición de una o más funcionalidades, elementos, etapas, componentes o grupos de los mismos.The term "comprising", whenever used in this document, is intended to indicate the presence of described functionalities, elements, steps, components, but does not exclude the presence or addition of one or more functionalities, elements, steps, components or groups thereof. themselves.

Los diagramas ópticos o de flujo de las formas de realización particulares de los métodos actualmente descritos se representan en las figuras. Los diagramas no representan ningún significado en particular, sino que los diagramas ilustran la información funcional un experto en la materia necesitaría para realizar dichos métodos necesarios de acuerdo con la presente invención.Optical or flow diagrams of particular embodiments of the presently disclosed methods are depicted in the figures. The diagrams do not represent any particular meaning, but rather the diagrams illustrate the functional information a person skilled in the art would need to perform such necessary methods in accordance with the present invention.

Los expertos en la materia apreciarán que, a menos que se indique lo contrario en la presente memoria, la secuencia particular de etapas descrita es solo ilustrativa y que puede variar sin apartarse de la invención. Por lo tanto, a menos que se indique lo contrario, las etapas descritas no siguen un orden estricto, lo que significa que, cuando sea posible, las etapas se pueden realizar en cualquier orden conveniente o deseable para obtener el mismo resultado.Those skilled in the art will appreciate that, unless otherwise indicated herein, the particular sequence of steps described is illustrative only and may vary without departing from the invention. Therefore, unless otherwise indicated, the steps described do not follow a strict order, which means that, where possible, the steps can be performed in any convenient or desirable order to achieve the same result.

La invención no debe verse de ninguna manera restricta a las formas de realización descritas y un experto ordinario en la materia preverá muchas posibles modificaciones de las mismas.The invention should in no way be restricted to the described embodiments and one of ordinary skill in the art will envision many possible modifications thereto.

Las formas de realización preferenciales descritas anteriormente son combinables.The preferred embodiments described above are combinable.

Las siguientes reivindicaciones establecen además formas de realización particulares de la divulgación.The following claims further set forth particular embodiments of the disclosure.

Se hace referencia a las siguientes publicaciones:Reference is made to the following publications:

[1] J.A. Armstrong, "Measurement of picosecond laser pulse widths," Appl. Phys. Lett. 10 (1), 16 (1967).[1] J.A. Armstrong, "Measurement of picosecond laser pulse widths," Appl. Phys. Lett. 10(1), 16 (1967).

[2] K. Naganuma.; K. Mogi; Yamada, "General method for ultrashort light pulse chirp measurement," Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol.25, no.6, 1225-1233, (1989).[2] K. Naganuma.; K. Mogi; Yamada, "General method for ultrashort light pulse chirp measurement," Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol.25, no.6, 1225-1233, (1989).

[3] A. Baltuska, Z. Wei, M. S. Pshenichnikov, D. A. Wiersma, and R. Szipocs, "All-solid-state cavity-dumped sub-5-fs laser," Appl. Phys. B 65, 175-188 (1997).[3] A. Baltuska, Z. Wei, M. S. Pshenichnikov, D. A. Wiersma, and R. Szipocs, "All-solid-state cavity-dumped sub-5-fs laser," Appl. Phys. B 65, 175-188 (1997).

[4] J. W. Nicholson, J. Jasapara, W. Rudolph, F. G. Omenetto, and A. J. Taylor, "Full-field characterization of femtosecond pulses by spectrum and cross-correlation measurements," Opt. Lett. 24, 1774-1776 (1999).[4] J. W. Nicholson, J. Jasapara, W. Rudolph, F. G. Omenetto, and A. J. Taylor, "Full-field characterization of femtosecond pulses by spectrum and cross-correlation measurements," Opt. Lett. 24, 1774-1776 (1999).

[5] D.J. Kane; R. Trebino; "Characterization of arbitrary femtosecond pulses using frequency-resolved optical gating," Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol.29, no.2, pp.571-579, February 1993.[5] D.J. Kane; R. Trebino; "Characterization of arbitrary femtosecond pulses using frequency-resolved optical gating," Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol.29, no.2, pp.571-579, February 1993.

[6] R. Trebino and D. J. Kane, "Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses:[6] R. Trebino and D. J. Kane, "Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses:

frequency-resolved optical gating," J. Opt. Soc. Am. A 10, 1101-1111 (1993).frequency-resolved optical gating," J. Opt. Soc. Am. A 10, 1101-1111 (1993).

[7] C. laconis and I. A. Walmsley, "Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses," Opt. Lett. 23, 792-794 (1998). [7] C. laconis and IA Walmsley, "Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses," Opt. Lett. 23, 792-794 (1998).

[8] A. S. Wyatt, I. A. Walmsley, G. Stibenz, and G. Steinmeyer, "Sub-10 fs pulse characterization using spatially encoded arrangement for spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction," Opt. Lett. 31, 1914-1916 (2006).[8] A. S. Wyatt, I. A. Walmsley, G. Stibenz, and G. Steinmeyer, "Sub-10 fs pulse characterization using spatially encoded arrangement for spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction," Opt. Lett. 31, 1914-1916 (2006).

[9] J. R. Birge, Helder M. Crespo, and Franz X. Kartner, "Theory and design of two-dimensional spectral shearing interferometry for few-cycle pulse measurement," J. Opt. Soc. Am. B 27, 1165-1173 (2010).[9] J. R. Birge, Helder M. Crespo, and Franz X. Kartner, "Theory and design of two-dimensional spectral shearing interferometry for few-cycle pulse measurement," J. Opt. Soc. Am. B 27, 1165-1173 (2010).

[10] V. V. Lozovoy, I. Pastirk, and M. Dantus, “Multiphoton intrapulse interference. IV. Ultrashort laser pulse spectral phase characterization and compensation,” Optics Letters, Vol. 29, pp. 775-777 (2004)[10] V. V. Lozovoy, I. Pastirk, and M. Dantus, “Multiphoton intrapulse interference. IV. Ultrashort laser pulse spectral phase characterization and compensation,” Optics Letters, Vol. 29, pp. 775-777 (2004)

[11] V. V. Lozovoy, I. Pastirk, and M. Dantus, “Multiphoton intrapulse interference. IV. Ultrashort laser pulse spectral phase characterization and compensation,” Opt. Lett. 29(7), 775-777 (2004).[11] V. V. Lozovoy, I. Pastirk, and M. Dantus, “Multiphoton intrapulse interference. IV. Ultrashort laser pulse spectral phase characterization and compensation,” Opt. Lett. 29(7), 775-777 (2004).

[12] B. Xu, J. M. Gunn, J. M. D. Cruz, V. V. Lozovoy, and M. Dantus, “Quantitative investigation of the multiphoton intrapulse interference phase scan method for simultaneous phase measurement and compensation of femtosecond laser pulses,” J. Opt. Soc. Am. B 23(4), 750-759 (2006).[12] B. Xu, J. M. Gunn, J. M. D. Cruz, V. V. Lozovoy, and M. Dantus, “Quantitative investigation of the multiphoton intrapulse interference phase scan method for simultaneous phase measurement and compensation of femtosecond laser pulses,” J. Opt. Soc. Am. B 23(4), 750-759 (2006).

[13] Y. Coello, V. V. Lozovoy, T C. Gunaratne, B. Xu, I. Borukhovich, C.-H. Tseng, T Weinacht, and M. Dantus, “Interference without an interferometer: a different approach to measuring, compressing, and shaping ultrashort laser pulses,” J. Opt. Soc. Am. B 25(6), A140-A150 (2008).[13] Y. Coello, V. V. Lozovoy, T C. Gunaratne, B. Xu, I. Borukhovich, C.-H. Tseng, T Weinacht, and M. Dantus, “Interference without an interferometer: a different approach to measuring, compressing, and shaping ultrashort laser pulses,” J. Opt. Soc. Am. B 25(6), A140-A150 (2008).

[14] Patent application WO-A1-2013/054292[14] Patent application WO-A1-2013/054292

[15] M. Miranda, C. L. Arnold, Thomas Fordell, F. Silva, B. Alonso, R. Weigand, A. L'Huillier, and H. Crespo, “Characterization of broadband few-cycle laser pulses with the d-scan technique,” Opt. Express 20, 18732­ 18743 (2012).[15] M. Miranda, C. L. Arnold, Thomas Fordell, F. Silva, B. Alonso, R. Weigand, A. L'Huillier, and H. Crespo, “Characterization of broadband few-cycle laser pulses with the d-scan technique,” Opt. Express 20, 18732 18743 (2012).

[16] M. Miranda, T Fordell, C. Arnold, A. L'Huillier, and H. Crespo, "Simultaneous compression and characterization of ultrashort laser pulses using chirped mirrors and glass wedges," Opt. Express 20, 688­ 697 (2012).[16] M. Miranda, T Fordell, C. Arnold, A. L'Huillier, and H. Crespo, "Simultaneous compression and characterization of ultrashort laser pulses using chirped mirrors and glass wedges," Opt. Express 20, 688 697 (2012).

[17] F. Silva, M. Miranda, B. Alonso, J. Rauschenberger, V. Pervak, and H. Crespo, “Simultaneous compression, characterization and phase stabilization of GW-level 1.4 cycle VIS-NIR femtosecond pulses using a single dispersion-scan setup,” Optics express, 22(9), pp.10181-10191. (2014)[17] F. Silva, M. Miranda, B. Alonso, J. Rauschenberger, V. Pervak, and H. Crespo, “Simultaneous compression, characterization and phase stabilization of GW-level 1.4 cycle VIS-NIR femtosecond pulses using a single dispersion-scan setup,” Optics express, 22(9), pp.10181-10191. (2014)

[18] D. Fabris, W. Holgado, F. Silva, T Witting, J. W. G. Tisch, and H. Crespo, "Single-shot implementation of dispersion-scan for the characterization of ultrashort laser pulses," Opt. Express 23, 32803-32808 (2015);[18] D. Fabris, W. Holgado, F. Silva, T Witting, J. W. G. Tisch, and H. Crespo, "Single-shot implementation of dispersion-scan for the characterization of ultrashort laser pulses," Opt. Express 23, 32803-32808 (2015);

[19] V. Loriot, G. Gitzinger, and N. Forget, “Self-referenced characterization of femtosecond laser pulses by chirp scan,” Optics Express, Vol. 21, pp. 24879-24893 (2013);[19] V. Loriot, G. Gitzinger, and N. Forget, “Self-referenced characterization of femtosecond laser pulses by chirp scan,” Optics Express, Vol. 21, pp. 24879-24893 (2013);

[20] D. Marquardt, "An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters." Journal of the society for Industrial and Applied Mathematics 11, no. 2: 431-441 (1963);[20] D. Marquardt, "An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters." Journal of the society for Industrial and Applied Mathematics 11, no. 2: 431-441 (1963);

[21] E. U. Condon, "Immersion of the Fourier transform in a continuous group of functional transformations", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 23, 158-164 (1937).[21] E. U. Condon, "Immersion of the Fourier transform in a continuous group of functional transformations", Proc. Natl. Acad. Sci. USA 23, 158-164 (1937).

[22] Th. Maiman, “Stimulated optical radiation in ruby,” Nature 187, 493-494 (1960) [22] Th. Maiman, “Stimulated optical radiation in ruby,” Nature 187, 493-494 (1960)

Claims (15)

REIVINDICACIONES 1. Método para caracterizar la fase espectral de pulsos de láser, comprendiendo el método:1. Method for characterizing the spectral phase of laser pulses, the method comprising: (i) generar dos réplicas de cada pulso que se va a caracterizar;(i) generate two replicates of each pulse to be characterized; (ii) aplicar cambios de fase espectrales no lineales predeterminados a las dos réplicas;(ii) apply predetermined non-linear spectral phase shifts to the two replicates; (iii) combinar ópticamente las dos señales de la etapa anterior;(iii) optically combining the two signals from the previous stage; (iv) aplicar un proceso óptico no lineal a la señal combinada de la etapa anterior;(iv) applying a non-linear optical process to the combined signal from the previous stage; (v) medir la amplitud del espectro de la señal resultante de la etapa anterior;(v) measuring the amplitude of the spectrum of the signal resulting from the previous stage; (vi) realizar las etapas (ii), (iii), (iv) y (v) con diferentes cambios de fase espectrales no lineales predeterminados para escanear un rango de dispersión, así como un rango de retraso de tiempo entre las dos réplicas y de este modo, generar un conjunto de espectros de amplitud medidos, correspondiendo cada espectro a un respectivo cambio de fase espectral no lineal predeterminado;(vi) perform steps (ii), (iii), (iv) and (v) with different predetermined non-linear spectral phase shifts to scan a scattering range as well as a time lag range between the two replicates and thereby generating a set of measured amplitude spectra, each spectrum corresponding to a respective predetermined non-linear spectral phase shift; determinar la fase espectral del pulso que se va a caracterizar, utilizando el espectro lineal del pulso que se va a caracterizar y un algoritmo numérico iterativo para aproximar iterativamente la fase espectral del pulso que se va a caracterizar, utilizando el algoritmo iterativo la fase espectral aproximada para proporcionar un conjunto de espectros de amplitud simulados, correspondiendo cada uno a uno de los respectivos cambios de fase espectrales no lineales predeterminados aplicados, siendo los espectros con amplitudes simuladas ajustados a los espectros de amplitud medida;determine the spectral phase of the pulse to be characterized, using the linear spectrum of the pulse to be characterized, and an iterative numerical algorithm to iteratively approximate the spectral phase of the pulse to be characterized, using the iterative algorithm the approximate spectral phase to provide a set of simulated amplitude spectra, each corresponding to one of the respective applied predetermined non-linear spectral phase shifts, the simulated amplitude spectra being fitted to the measured amplitude spectra; en el que el proceso óptico no lineal comprende un efecto no lineal que afecta al espectro fundamental del pulso, en particular a la generación de segundo armónico, generación de suma de frecuencia, generación de diferencia de frecuencia, el efecto Kerr óptico, generación de tercer armónico, o combinaciones de los mismos.wherein the nonlinear optical process comprises a nonlinear effect affecting the fundamental spectrum of the pulse, in particular second harmonic generation, sum frequency generation, frequency difference generation, the optical Kerr effect, third harmonic generation harmonic, or combinations thereof. 2. Método según la reivindicación anterior, en el que las fases espectrales no lineales predeterminadas se aplican a las dos réplicas para escanear un rango de dispersión diferencial entre las dos réplicas.A method according to the preceding claim, wherein predetermined non-linear spectral phases are applied to the two replicates to scan a range of differential dispersion between the two replicates. 3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el espectro linear del pulso que se va a caracterizar se mide a partir de dicho pulso.A method according to any of the preceding claims, wherein the linear spectrum of the pulse to be characterized is measured from said pulse. 4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, que comprende calcular el espectro lineal del pulso que se va a caracterizar con el cálculo de la fase espectral del pulso que se va a caracterizar.4. Method according to any of claims 1-2, comprising calculating the linear spectrum of the pulse to be characterized by calculating the spectral phase of the pulse to be characterized. 5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el algoritmo iterativo numérico comprende minimizar una función de error definida entre el espectro lineal medido del pulso que se va a caracterizar y un espectro lineal calculado del pulso que se va a caracterizar, mediante una aproximación iterativa de la fase espectral del pulso que se va a caracterizar.5. Method according to any of the preceding claims, wherein the numerical iterative algorithm comprises minimizing an error function defined between the measured linear spectrum of the pulse to be characterized and a calculated linear spectrum of the pulse to be characterized, by an iterative approximation of the spectral phase of the pulse to be characterized. 6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la aplicación de fases espectrales para realizar un escaneo se realiza alcanzando un mínimo en la duración del pulso que se va a caracterizar durante dicho escaneo.6. Method according to any of the preceding claims, in which the application of spectral phases to perform a scan is performed by reaching a minimum in the duration of the pulse to be characterized during said scan. 7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la aplicación de fases espectrales para realizar un escaneo, la aplicación de dicho proceso óptico no lineal y la medición de dicho espectro de amplitud de la señal resultante se lleva a cabo en paralelo para una pluralidad de fases espectrales aplicadas.A method according to any one of the preceding claims, wherein the application of spectral phases to perform a scan, the application of said non-linear optical process and the measurement of said amplitude spectrum of the resulting signal is carried out in parallel to a plurality of applied spectral phases. 8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende corregir una respuesta de detección espectral no plana:A method according to any of the preceding claims, comprising correcting for a non-flat spectral detection response: simulando una traza para la aproximación del pulso que se va a caracterizar en la iteración actual; comparando el marginal de escaneo simulado con el marginal de escaneo medido para calcular la respuesta espectral que se va a compensar de manera que la integral numérica de la traza sobre el parámetro de escaneo de dispersión, es decir, el marginal de frecuencia, no dependa de la fase espectral original del pulso que se va a caracterizar; ysimulating a trace for the approximation of the pulse to be characterized in the current iteration; comparing the simulated scan marginal with the measured scan marginal to calculate the spectral response to be compensated such that the numerical integral of the trace over the dispersion scan parameter, i.e., the frequency marginal, does not depend on the original spectral phase of the pulse to be characterized; Y compensando la respuesta espectral calculada ya sea dividiendo la traza experimental por ella o incluyéndola en el proceso de recuperación, multiplicándola por la traza ideal simulada, en cada iteración.compensating for the calculated spectral response either by dividing the experimental trace by it or by including it in the recovery process, multiplying it by the simulated ideal trace, at each iteration. 9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una generación de segundo armónico y una generación de suma de frecuencia, SHG/SFG, de la señal medida se calcula:A method according to any of the preceding claims, wherein a second harmonic generation and a frequency sum generation, SHG/SFG, of the measured signal is calculated: aplicando una transformada inversa de Fourier al espectro del pulso que se va a caracterizar para obtener el campo eléctrico correspondiente en el dominio del tiempo;applying an inverse Fourier transform to the spectrum of the pulse to be characterized to obtain the corresponding electric field in the time domain; elevando al cuadrado el campo eléctrico dependiente del tiempo para realizar el cálculo SHG/SFG; y aplicando una transformada de Fourier para obtener un espectro SHG/SFG.squaring the time-dependent electric field to perform the SHG/SFG calculation; and applying a Fourier transform to obtain a SHG/SFG spectrum. 10. Sistema para caracterizar la fase espectral de pulsos láser que comprende:10. System to characterize the spectral phase of laser pulses comprising: un generador de réplicas (50, 51, 52, 53) para generar dos réplicas de cada pulso que se va a caracterizar; dos desfasadores espectrales no lineales (54, 55) para aplicar cambios de fase espectrales no lineales predeterminados a las dos réplicas aptas para escanear tanto un rango de dispersión, así como un rango de retraso de tiempo entre dichas dos réplicas;a replica generator (50, 51, 52, 53) to generate two replicates of each pulse to be characterized; two non-linear spectral phase shifters (54, 55) for applying predetermined non-linear spectral phase shifts to the two replicas capable of scanning both a dispersion range, as well as a time delay range between said two replicas; un sumador óptico para combinar las dos señales de dichos desfasadores;an optical adder to combine the two signals from said phase shifters; un elemento óptico no lineal (58) para aplicar un proceso óptico no lineal a la señal combinada;a nonlinear optical element (58) for applying nonlinear optical processing to the combined signal; un sensor (59) para medir el espectro de amplitud de la señal no lineal resultante para cada uno de los cambios de fase espectrales aplicados;a sensor (59) for measuring the amplitude spectrum of the resulting non-linear signal for each of the applied spectral phase shifts; un procesador de datos electrónico configurado para determinar la fase espectral del pulso que se va a caracterizar, usando el espectro lineal del puso que se va a caracterizar y un algoritmo iterativo numérico para aproximar de forma iterativa la fase espectral del pulso que se va a caracterizar, utilizando el algoritmo iterativo la fase espectral aproximada para proporcionar un conjunto de espectros simulados, correspondiendo cada uno de ellos a uno de los respectivos cambios de fase espectrales no lineales predeterminados aplicados, siendo los espectros de amplitud simulados ajustados a la amplitud de los espectros medidos;an electronic data processor configured to determine the spectral phase of the pulse to be characterized, using the linear spectrum of the pulse to be characterized and a numerical iterative algorithm to iteratively approximate the spectral phase of the pulse to be characterized , using the approximate spectral phase iterative algorithm to provide a set of simulated spectra, each corresponding to one of the respective applied predetermined non-linear spectral phase shifts, the simulated amplitude spectra being fitted to the amplitude of the measured spectra ; en el que el proceso óptico no lineal comprende un efecto no lineal que afecta al espectro fundamental del pulso, en particular a la generación de segundo armónico, generación de suma de frecuencia, generación de diferencia de frecuencia, el efecto Kerr óptico, generación de tercer armónico, o combinaciones de los mismos.wherein the nonlinear optical process comprises a nonlinear effect affecting the fundamental spectrum of the pulse, in particular second harmonic generation, sum frequency generation, frequency difference generation, the optical Kerr effect, third harmonic generation harmonic, or combinations thereof. 11. Sistema según la reivindicación 10 que comprende un sensor para medir el espectro lineal del pulso que se va a caracterizar.11. System according to claim 10 comprising a sensor for measuring the linear spectrum of the pulse to be characterized. 12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-11 que comprende como fuente de fases espectrales predeterminadas: materiales birrefringentes de diferentes espesores, cuñas birrefringentes, prismas birrefringentes, grisms birrefringentes, o una combinación de una línea de retardo óptico y uno de entre los siguientes: vidrio en diferentes espesores, cuñas, prismas, grisms, redes de difracción, celdas de gas de presión variable y/o moduladores ópticos como dispositivos acusto-ópticos, electroópticos y/o dispositivos a base de cristal líquido.12. System according to any of claims 10-11 comprising as a source of predetermined spectral phases: birefringent materials of different thicknesses, birefringent wedges, birefringent prisms, birefringent grisms, or a combination of an optical delay line and one of the following : glass in different thicknesses, wedges, prisms, grisms, diffraction gratings, variable pressure gas cells and/or optical modulators such as acousto-optic, electro-optic and/or liquid crystal based devices. 13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, en el que el desfasador de fase espectral no lineal es un compresor láser.13. System according to any of claims 10-12, wherein the non-linear spectral phase shifter is a laser compressor. 14. Sistema según la reivindicación anterior, en el que el compresor láser comprende espejos chirpeados y cuñas de vidrio.System according to the preceding claim, in which the laser compressor comprises chipped mirrors and glass wedges. 15. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-14 en el que el sensor comprende un espectrómetro o un sensor basado en cámaras CCD, o un sensor basado en cámara CMOS para medir el espectro de los pulsos que se van a caracterizar. 15. System according to any of claims 10-14, wherein the sensor comprises a spectrometer or a CCD camera-based sensor, or a CMOS camera-based sensor for measuring the spectrum of the pulses to be characterized.
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