RU2079941C1 - Device for determining the characteristics of single supershort pulses of laser radiation - Google Patents
Device for determining the characteristics of single supershort pulses of laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2079941C1 RU2079941C1 RU94020223A RU94020223A RU2079941C1 RU 2079941 C1 RU2079941 C1 RU 2079941C1 RU 94020223 A RU94020223 A RU 94020223A RU 94020223 A RU94020223 A RU 94020223A RU 2079941 C1 RU2079941 C1 RU 2079941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- optical
- cells
- correlation function
- intensity
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной лазерной техники, связанной с регистрацией, анализом и определением характеристик лазерного излучения, в частности, зависимости интенсивности от времени для однократных сигналов лазерного излучения малой длительности, до 10-13 10-14 с.The invention relates to the field of measuring laser technology related to the registration, analysis and characterization of laser radiation, in particular, the dependence of the intensity on time for single signals of laser radiation of short duration, up to 10 -13 10 -14 C.
Известные устройства для определения характеристик однократных сверхкоротких импульсов лазерного излучения основаны на измерении корреляционных функций второго порядка или подобных им функций и анализ их структуры для получения информации о длительности импульса. Для измерения этих функций используются различные физические методы. Один из вариантов заключается в использовании схемы двухлучевого интерферометра с формированием на выходе второй оптической гармоники в нелинейном оптическом кристалле с соответствующим типом синхронизма. Регистрируемый отклик описывается функцией корреляции второго порядка
где τ разница во времени задержек сигналов в каналах интерферометра,
I1(t), I2(t) интенсивности сигналов в каналах интерферометра;
ts полная длительность исследуемого сигнала.Known devices for determining the characteristics of single ultrashort pulses of laser radiation are based on measuring second-order correlation functions or similar functions and analyzing their structure to obtain information about the pulse duration. Various physical methods are used to measure these functions. One of the options is to use a two-beam interferometer circuit with the formation of the second optical harmonic in the nonlinear optical crystal at the output with the corresponding type of synchronism. The recorded response is described by a second-order correlation function
where τ is the time difference between the signal delays in the channels of the interferometer,
I 1 (t), I 2 (t) signal intensities in the channels of the interferometer;
t s is the total duration of the signal under investigation.
Интервал времен τ
([1] с. 36 37).Time interval τ
([1] p. 36 37).
Другой вариант включает регистрацию свечения люминесценции, осуществляемой при встречном распространении сверхкоротких оптических сигналов в ячейке с красителем, обеспечивающим возбуждение люминесценции при двухквантовом поглощении. Регистрируемый отклик описывается функцией
Ψ(τ) = I(2)(0)(1+r2)+I(2)(τ)4r,
где I(2)(τ) функция корреляции второго порядка,
r отношение интенсивностей сигналов, соответствующих прямому и обратному распространению излучения.Another option involves recording the luminescence fluorescence that occurs when the ultrashort optical signals are counterpropagated in a cell with a dye that provides luminescence excitation during two-quantum absorption. The logged response is described by the function
Ψ (τ) = I (2) (0) (1 + r 2 ) + I (2) (τ) 4r,
where I (2) (τ) is the second-order correlation function,
r is the ratio of signal intensities corresponding to the forward and backward propagation of radiation.
Интервал времен τ
τpul= τ
([1] с. 37 44).Time interval τ
τ pul = τ
([1] p. 37 44).
Третий вариант схемы основан на использовании скоростных оптических затворов. Для затворов, работающих на линейном электрооптическом эффекте, регистрируется отклик, описываемый функцией корреляции второго порядка
Для затворов на квадратичном электрооптическом эффекте, отклик описывается вырожденной функцией корреляции третьего порядка
зависящей только от одного аргумента и потому не содержащей дополнительной информации по сравнению с функцией корреляции второго порядка. Интервал времен τ
τpul= τ
([1] стр. 57 61).The third version of the scheme is based on the use of high-speed optical shutters. For shutters operating on a linear electro-optical effect, the response described by the second-order correlation function is recorded
For shutters with a quadratic electro-optical effect, the response is described by a degenerate third-order correlation function
depending on only one argument and therefore not containing additional information compared to the second-order correlation function. Time interval τ
τ pul = τ
([1] p. 57 61).
Недостатки этих систем заключаются в том, что они не позволяют провести однозначную интерпретацию результатов без привлечения дополнительной информации. Из-за симметричности функции корреляции второго порядка нельзя получить информацию об ассимметрии сигнала. В спектральном представлении распределения интенсивности нельзя получить информацию о фазах спектральных компонент. The disadvantages of these systems are that they do not allow an unambiguous interpretation of the results without involving additional information. Due to the symmetry of the second-order correlation function, information on the asymmetry of the signal cannot be obtained. In the spectral representation of the intensity distribution, information on the phases of the spectral components cannot be obtained.
Большие возможности открывает применение зависящих от двух аргументов τ1 и τ2 корреляционных функций третьего порядка.Great opportunities are opened up by the application of third-order correlation functions depending on two arguments τ 1 and τ 2 .
для которых разработаны методы обработки, позволяющие определить структуру сверхкоротких оптических сигналов в виде зависимости интенсивности сигнала от времени и отмечены возможности снижения роли случайных аддитивных помех ([2] с. 162 163).
for which processing methods have been developed that make it possible to determine the structure of ultrashort optical signals in the form of a dependence of signal intensity on time and the possibilities of reducing the role of random additive noise are noted ([2] p. 162 163).
Известны измерительные устройства для определения характеристик сверхкоротких импульсов лазерного излучения с трехлучевым коррелятором интенсивности, в которых в итоге на выходе регистрируется функция корреляции третьего порядка. Один из вариантов трехлучевого коррелятора интенсивности содержит на выходе нелинейный кристалл для формирования оптической гармоники на частоте 3ω(ω- частота исходного оптического сигнала), на частоте третьей оптической гармоники ([2] c. 164 165). Пример такой системы представляет собой трехлучевой интерферометр Майкельсона. За счет смещения зеркал в двух каналах интерферометра на выходе формируются три сигнала с временными задержками 0, τ1 и τ2. Сигналы направляются на нелинейный кристалл, в котором осуществляется генерация третьей оптической гармоники, выделяемой фильтром. В результате на выходе для набора различных комбинаций задержек τ1 и τ2, при использовании одинаковых повторяющихся импульсов можно получить последовательность отсчетов, описывающих функцию третьего порядка, на основании анализа которой можно восстановить структуру анализируемого сигнала.Known measuring devices for determining the characteristics of ultrashort pulses of laser radiation with a three-beam intensity correlator, in which the result is recorded at the output of the third-order correlation function. One of the variants of the three-beam intensity correlator contains a nonlinear crystal at the output for generating optical harmonic at a frequency of 3ω (ω is the frequency of the initial optical signal), at a frequency of the third optical harmonic ([2] p. 164 165). An example of such a system is a three-beam Michelson interferometer. Due to the displacement of the mirrors in two channels of the interferometer, three signals are generated at the output with time delays 0, τ 1 and τ 2 . The signals are sent to a nonlinear crystal, in which the third optical harmonic emitted by the filter is generated. As a result, at the output for a set of different combinations of delays τ 1 and τ 2 , using the same repetitive pulses, one can obtain a sequence of samples describing a third-order function, based on which analysis it is possible to restore the structure of the analyzed signal.
Другой вариант схемы содержит два нелинейных кристалла. В первом кристалле формируется оптический сигнал на частоте 2ω на частоте второй гармоники. Во втором кристалле формируется гармоника на суммарной частоте (2ω+ω). Another variant of the circuit contains two nonlinear crystals. An optical signal is formed in the first crystal at a frequency of 2ω at a frequency of the second harmonic. A harmonic is formed in the second crystal at the total frequency (2ω + ω).
Недостаток указанных схем заключается в том, что для регистрации требуется использовать достаточно большой набор повторяющихся одинаковых по структуре сигналов и невозможность использования их для анализа однократных оптических сигналов. The disadvantage of these schemes is that for registration it is required to use a sufficiently large set of repeating identical in structure signals and the inability to use them for the analysis of single optical signals.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту прототипом является устройство для измерения длительности сверхкоротких импульсов лазерного излучения, в основе которого лежит схема двухлучевого коррелятора с электрооптическим затвором [3] (фиг. 1). На этой и дальнейших фигурах, а также в тексте приняты следующие обозначения:
1 делитель светового пучка,
2 зеркало,
3 астигматическая телескопическая система,
4 стигматическая телескопическая система,
5 поляризатор затвора,
6 электрооптическая ячейка затвора,
7 изображающая оптическая система,
8 выходная плоскость или плоскость регистрации.The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved effect of the prototype is a device for measuring the duration of ultrashort pulses of laser radiation, which is based on a two-beam correlator with an electro-optical shutter [3] (Fig. 1). In this and further figures, as well as in the text, the following notation is adopted:
1 beam splitter
2 mirror
3 astigmatic telescopic system,
4 stigmatic telescopic system,
5 shutter polarizer,
6 electro-optical shutter cell,
7 depicting an optical system,
8 output plane or registration plane.
Индексы у цифр указывают порядковый номер соответствующего элемента при использовании в устройстве нескольких однотипных элементов. Рассматриваемая схема содержит на выходе электрооптическую ячейку 6, работающую в качестве скоростного затвора [3] Делительная пластинка 1 и зеркало 21 направляют в один канал интерферометра мощный управляющий сигнал E1(t), распространяющийся по электрооптической ячейке 6, выполняющей роль затвора. В другой канал интерферометра с помощью зеркала 2, направляется слабый сигнал E2(t), играющий роль исследуемого. Этот сигнал расширяется телескопической системой 4 и также проходит через электрооптическую ячейку. Скрещенные поляризаторы 51 и 52 являются частью электрооптического затвора. При прохождении управляющего сигнала по ячейке в определенных местах, смещающихся во времени вместе со смещением сигнала, создается эффект двойного лучепреломления, что приводит к открыванию затвора. Исследуемый сигнал в каждый момент времени пересекается с управляющим сигналом в определенной точке затвора с определенным сдвигом во времени. Таким образом, на выходе регистрируется развертка по координате временной картины, определяемой функцией корреляции второго порядка для структуры исследуемого сигнала и функции пропускания затвора, задаваемой в свою очередь интенсивностью управляющего сигнала. Регистрация выполняется для однократного оптического сигнала. Полученная картина с помощью оптической системы 7 регистрируется в выходной плоскости 8 либо фотоэлектрически линейным многоэлементным или матричным приемником, либо фотографически. Недостатком прототипа, как и других устройств, формирующих функцию корреляции второго порядка, является невозможность получить однозначный результат для изменения интенсивности сигнала во времени: симметрия функции корреляции второго порядка не позволяет определить ассимметрию сигнала, в спектре интенсивности сигнала нельзя получить информацию о фазах.The indices of the numbers indicate the serial number of the corresponding element when using several elements of the same type in the device. The considered circuit contains at the output an electro-optical cell 6 operating as a high-speed shutter [3] The dividing plate 1 and mirror 2 1 send a powerful control signal E 1 (t) propagating along the electro-optical cell 6 acting as a shutter into one channel of the interferometer. Using another mirror 2, a weak signal E 2 (t) is sent to another channel of the interferometer, which plays the role of the subject. This signal is expanded by a
Целью изобретения является создание устройства для получения информации о структуре однократного сверхкороткого лазерного сигнала, определяемой распределением во времени интенсивности сигнала, без привлечения какой-либо дополнительной информации. The aim of the invention is to provide a device for obtaining information about the structure of a single ultrashort laser signal, determined by the distribution of signal intensity over time, without involving any additional information.
Это достигается формированием в процессе регистрации двумерной корреляционной функции третьего порядка или вырожденной двумерной функции корреляции пятого порядка для одиночного сверхкороткого сигнала излучения независимо от его структуры. В основе оптической схемы устройства лежит трехлучевой коррелятор с объемной трехмерной структурой. This is achieved by forming in the process of recording a two-dimensional correlation function of the third order or a degenerate two-dimensional correlation function of the fifth order for a single ultrashort radiation signal, regardless of its structure. The optical scheme of the device is based on a three-beam correlator with a three-dimensional three-dimensional structure.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что схема для определения длительности однократных сверхкоротких сигналов лазерного излучения на основе измерения корреляционной функции второго порядка, содержащая два канала: (канал исследуемого сигнала с астигматической телескопической системой и канал управляющего сигнала с ячейкой-затвором), согласно изобретению скомпонована в виде объемной трехмерной структуры и в нее дополнительно введен второй канал управляющего сигнала с ячейкой затвором. Отметим, что оба канала с управляющими сигналами содержат астигматические телескопические системы, а канал исследуемого сигнала содержит стигматическую телескопическую систему. Существенное отличие предлагаемой системы от всех известных заключается в том, что в результате использования трехканальной схемы с трехмерной структурой и скоростных оптических затворов, открывание которых происходит во взаимно перпендикулярных направлениях, а исследуемый сигнал распространяется перпендикулярно плоскостям ячеек-затворов, в выходной плоскости формируется и регистрируется двумерная функция корреляции третьего порядка или вырожденная двумерная функция корреляции пятого порядка для анализируемого сигнала при использовании затворов, работающих на линейном или квадратичном электрооптическом эффекте соответственно, причем информация регистрируется для однократного оптического сигнала произвольной формы. При использовании затворов, работающих на линейном электрооптическом эффекте и дающих при регистрации двумерную функцию корреляции третьего порядка, используется известный метод обработки ([2] с. 163 164, [4]). При использовании затворов, работающих на квадратичном электрооптическом эффекте и дающих при регистрации вырожденную двумерную функцию корреляции пятого порядка, использован дополнительно рассмотренный в заявке метод обработки, позволяющий однозначно получить структуру сигнала в виде зависимости интенсивности от времени. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the circuit for determining the duration of single ultrashort laser radiation signals based on measuring the second-order correlation function, containing two channels: (channel of the signal under study with an astigmatic telescopic system and a channel of the control signal with a shutter cell), according to the invention It is arranged in the form of a three-dimensional three-dimensional structure and the second channel of the control signal with a gate cell is additionally introduced into it. Note that both channels with control signals contain astigmatic telescopic systems, and the channel of the signal under study contains a stigmatic telescopic system. A significant difference between the proposed system and all known ones is that as a result of using a three-channel scheme with a three-dimensional structure and high-speed optical shutters, the opening of which occurs in mutually perpendicular directions, and the signal under investigation propagates perpendicular to the planes of the gate cells, a two-dimensional is formed and recorded third-order correlation function or degenerate two-dimensional fifth-order correlation function for the analyzed signal when used the use of shutters operating on a linear or quadratic electro-optical effect, respectively, and the information is recorded for a single optical signal of arbitrary shape. When using shutters operating on a linear electro-optical effect and providing a two-dimensional third-order correlation function during registration, the well-known processing method is used ([2] p. 163 164, [4]). When using gates operating on a quadratic electro-optical effect and giving a fifth-order degenerate two-dimensional correlation function during registration, the processing method additionally considered in the application is used, which makes it possible to unambiguously obtain the signal structure in the form of a dependence of intensity on time.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фиг. 2, на которой представлена оптическая схема коррелятора с объемной трехканальной структурой. Пунктирные линии подчеркивают объемную структуру схемы. Предлагаемая схема для формирования трех каналов в объемной структуре содержит делители световых пучков 11 12, выполненные в виде полупрозрачных зеркал или делительных кубиков и зеркала 21 26.The proposed solution is illustrated in FIG. 2, which shows an optical diagram of a correlator with a three-channel three-dimensional structure. Dotted lines emphasize the volumetric structure of the circuit. The proposed scheme for the formation of three channels in a three-dimensional structure contains dividers of light beams 1 1 1 2 made in the form of translucent mirrors or dividing cubes and mirrors 2 1 2 6 .
Делители световых пучков выполнены так, что они обеспечивают большую интенсивность управляющих сигналов E1(t) и E2(t) и малую интенсивность исследуемого сигнала E3(t). В двух каналах с управляющими сигналами установлены астигматические телескопические системы 31, 32, осуществляющие расширение световых пучков в одном направлении с помощью цилиндрической оптики и формирующие плоские пучки, направляемые в ячейки-затворы 61, 62 во взаимно перпендикулярных направлениях. Ячейки-затворы могут работать на линейном электрооптическом эффекте (эффект Поккельса( [5] на квадратичном электрооптическом эффекте (эффект Керра) [3, 6] или на основе эффекта насыщающегося поглощения [7 9] Для работы затворов на основе электрооптических эффектов в систему введены поляризаторы 51 53, причем поляризаторы 51 и 53 параллельны, а 52 им перпендикулярен. Для затворов, работающих на основе насыщающегося поглощения поляризаторы не требуются. В канале с исследуемым сигналом E3(t) установлена стигматическая телескопическая система 4, осуществляющая расширение пучка для освещения всей площади ячеек-затворов с помощью сферической оптики. Исследуемый сигнал направляется перпендикулярно плоскости ячеек-затворов. Оптическая система 7 дает в выходной плоскости 8, являющейся плоскостью регистрации, изображение структур ячеек-затворов, проэкспонированное за все время регистрации ts. Регистрация может выполняться либо в простейшем случае фотографически, либо фотоэлектрически на матричном приемнике.The light beam dividers are designed so that they provide a high intensity of the control signals E 1 (t) and E 2 (t) and a low intensity of the investigated signal E 3 (t). Astigmatic telescopic systems 3 1 , 3 2 are installed in two channels with control signals, which expand the light beams in one direction using cylindrical optics and form flat beams directed to the gate cells 6 1 , 6 2 in mutually perpendicular directions. Shutter cells can operate on a linear electro-optical effect (Pockels effect ([5] on a quadratic electro-optical effect (Kerr effect) [3, 6] or on the basis of the saturable absorption effect [7 9]. For the operation of shutters based on electro-optical effects, polarizers have been introduced into the system 5 1 5 3 1 May wherein polarizers 3 and 5 are parallel and perpendicular to them on May 2. for valves operating on the basis of the saturable absorption polarizers are not required. In the channel with a test signal E 3 (t) is set stigmatic
Схема работает следующим образом. Исследуемый импульс излучения
E(t) = ε(t)•cos[ωt]
двумя делительными пластинками 11, 12 и зеркалами 21 26 направляется в три канала интерферометра, причем два сигнала
E1(t+τ1) = ε1(t+τ1)•cos[ω(t+τ1)]
и
E2(t+τ2) = ε2(t+τ2)•cos[ω(t+τ2)]
предназначены для управления ячейками-затворами 61, 62 и характеризуются высокими напряженностями полей и временными задержками, связанными с их распространением в плоскостях ячеек
τ1=x/νx, τ2=y/νy,
где
νx x и νy y скорости распространения световых сигналов в ячейках. Третий сигнал
E3(t)=ε3(t)•cos[ωt] является анализируемым. Он характеризуется малым значением напряженности поля и практически не вызывает электрооптического эффекта. Управляющие сигнала E1(t+τ1) и E2(t+τ2) с помощью астигматических телескопических систем 31 и 32 превращаются в широкие плоские пучки, распространяющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях в плоскостях двух электрооптических ячеек 61 и 62. Третий сигнал E3(t) расширяется стигматической телескопической системой 4 и проходит последовательно через ячейки-затворы 61 и 62 перпендикулярно плоскостям ячеек. На выходе коррелятора распределение интенсивности в анализируемом световом пучке оптической системой 7 фокусируется в плоскость регистрации 8 и регистрируется фотоэлектрически на матричном приемнике или фотографируется. Схема сконструирована таким образом, что оптические пути световых пучков трех каналов коррелятора выровнены для середин ячеек-затворов. Это приводит к тому, что задержки сигналов τ1 и τ2 изменяются при регистрации как в положительную, так и в отрицательную стороны.The scheme works as follows. The studied pulse of radiation
E (t) = ε (t) • cos [ωt]
two dividing plates 1 1 , 1 2 and mirrors 2 1 2 6 sent to the three channels of the interferometer, and two signals
E 1 (t + τ 1 ) = ε 1 (t + τ 1 ) • cos [ω (t + τ 1 )]
and
E 2 (t + τ 2 ) = ε 2 (t + τ 2 ) • cos [ω (t + τ 2 )]
designed to control gate cells 6 1 , 6 2 and are characterized by high field intensities and time delays associated with their propagation in the cell planes
τ 1 = x / ν x , τ 2 = y / ν y ,
Where
ν x x and ν y y the speed of propagation of light signals in cells. Third signal
E 3 (t) = ε 3 (t) • cos [ωt] is analyzed. It is characterized by a low field strength and practically does not cause an electro-optical effect. Using the astigmatic telescopic systems 3 1 and 3 2, the control signals E 1 (t + τ 1 ) and E 2 (t + τ 2 ) turn into wide flat beams propagating in mutually perpendicular directions in the planes of two electro-optical cells 6 1 and 6 2 . The third signal E 3 (t) is expanded by a stigmatic
Рассмотрим действие схемы с электрооптическими ячейками, работающими на основе линейного электрооптического эффекта (ячейки Поккельса). Управляющие сигналы E1(t+τ1) и E2(t+τ2) вызывают в ячейках 6 двойное лучепреломление. Различия в показателях преломления Δn1 и Δn2 существующие между показателями для необыкновенных ne1, ne2 и обыкновенных no1, no2 лучей, равны соответственно
где r1 и r2 электрооптические постоянные, n1 и n2 начальные показатели преломления материалов ячеек.Consider the action of a circuit with electro-optical cells operating on the basis of a linear electro-optical effect (Pockels cells). The control signals E 1 (t + τ 1 ) and E 2 (t + τ 2 ) cause birefringence in cells 6. The differences in the refractive indices Δn 1 and Δn 2 that exist between the indices for extraordinary n e1 , n e2 and ordinary n o1 , n o2 rays are equal, respectively
where r 1 and r 2 are electro-optical constants, n 1 and n 2 are the initial refractive indices of the cell materials.
Рассмотрим действие первой ячейки-затвора. Анализируемое поле представляется в виде двух составляющих, соответствующих обыкновенному и необыкновенному лучам
где γ угол между направлением первого поляризатора 51 и ориентацией вектора напряженности электрического поля для обыкновенного луча. Это иллюстрируется на фиг. 3, на которой представлено формирование составляющих электрического поля анализируемого светового сигнала в электрооптической ячейке для двойного лучепреломления, вызываемого полем E1(t+τ1). Действие первой электрооптической ячейки 61 вносит фазовые сдвиги
ΔΦ1o=(ω/c)l1n1o, ΔΦ1e=(ω/c)l1n1e,
где l1 толщина ячейки в направлении распространения анализируемого сигнала. Ячейка должна быть достаточно тонкая, чтобы за время распространения анализируемого светового сигнала через ячейку затвор не происходило заметного изменения показателя преломления за счет управляющего сигнала, то есть не происходило снижения временного разрешения. В частности, для временного разрешения δt толщина ячейки должна быть не более l = δt c/n, где n
показатель преломления материала ячейки, то есть для с толщина l≈0,2 мм. После второго поляризатора 52, скрещенного с первым, с учетом малости изменений показателей преломления имеет место
где постоянные А1 и α1 равны
Полученное поле можно представить как результат воздействия на анализируемое излучения с амплитудой ε3(t) затвора с изменяющимся во времени пропусканием T1(t+τ1), пропорциональным E1(t+τ1).Consider the action of the first shutter cell. The analyzed field is presented in the form of two components corresponding to ordinary and extraordinary rays.
where γ is the angle between the direction of the first polarizer 5 1 and the orientation of the electric field vector for an ordinary beam. This is illustrated in FIG. 3, which shows the formation of the electric field components of the analyzed light signal in an electro-optical cell for birefringence caused by the field E 1 (t + τ 1 ). The action of the first electro-optical cell 6 1 introduces phase shifts
ΔΦ 1o = (ω / c) l 1 n 1o , ΔΦ 1e = (ω / c) l 1 n 1e ,
where l 1 is the thickness of the cell in the direction of propagation of the analyzed signal. The cell must be thin enough so that during the propagation of the analyzed light signal through the gate cell, there is no noticeable change in the refractive index due to the control signal, that is, there is no decrease in time resolution. In particular, for the time resolution δt, the cell thickness should be no more than l = δt c / n, where n
the refractive index of the cell material, i.e., for s thickness l≈0.2 mm. After the second polarizer 5 2 , crossed with the first, given the small changes in the refractive indices,
where the constants A 1 and α 1 are equal
The obtained field can be represented as the result of exposure to the analyzed radiation with a gate amplitude ε 3 (t) with a time-varying transmission T 1 (t + τ 1 ) proportional to E 1 (t + τ 1 ).
Аналогично для поля рассматривается действие второй электрооптической ячейки затвора 62. Составляющие , соответствующие обыкновенному и необыкновенному лучам во второй ячейке 62, имеют вид
где γ угол между направлением второго поляризатора 52 и ориентацией вектора напряженности электрического поля обыкновенного луча и равный углу g, определенному выше. Действие второй ячейки затвора 62 вносит фазовые сдвиги
Dv2o= (ω/c)l2n2e, ΔΦ2e= (ω/c)l2n2o,
где l2 размер ячейки в направлении распространения анализируемого сигнала. После третьего поляризатора 53, скрещенного со вторым, имеет место
где постоянные А2 и α2 имеют вид
A2= 2r2n
α2=α1+(ω/c)l2(n2o-n2e)/2.
Дополнительно к воздействию затвора, работающего на первой ячейке 61, в данном случае имеет место воздействие второго затвора, работающего на второй ячейке 62, с амплитудным пропусканием T2(t+τ2), пропорциональным E2(t+τ2).Similarly for the field the action of the second electro-optical shutter cell 6 2 is considered . Components corresponding to the ordinary and extraordinary rays in the second cell 6 2 have the form
where γ is the angle between the direction of the second polarizer 5 2 and the orientation of the electric field vector of the ordinary beam and equal to the angle g defined above. The action of the second gate cell 6 2 introduces phase shifts
Dv 2o = (ω / c) l 2 n 2e , ΔΦ 2e = (ω / c) l 2 n 2o ,
where l 2 is the cell size in the direction of propagation of the analyzed signal. After the third polarizer 5 3 , crossed with the second, takes place
where the constants A 2 and α 2 have the form
A 2 = 2r 2 n
α 2 = α 1 + (ω / c) l 2 (n 2o -n 2e ) / 2.
In addition to the effect of the shutter operating on the first cell 6 1 , in this case, there is the effect of the second shutter operating on the second cell 6 2 , with an amplitude transmission T 2 (t + τ 2 ) proportional to E 2 (t + τ 2 ).
На выходе распределение интенсивности сформированного сигнала регистриурется фотоэлектрически с последующей обработкой на ЭВМ или фотографически с последующим фотометрированием и обработкой. Регистрируемое распределение интенсивности имеет вид
Соотношения интенсивностей сигналов I1(t), I2(t) и I3(t) в каналах схемы можно описать коэффициентами r1, r2 и r3
I1(t)=r1I(t), I2(t)=r2I(T), I3(t)=r3I(t).At the output, the intensity distribution of the generated signal is recorded photoelectrically, followed by computer processing or photographically, followed by photometry and processing. The recorded intensity distribution has the form
The ratios of signal intensities I 1 (t), I 2 (t) and I 3 (t) in the circuit channels can be described by the coefficients r 1 , r 2 and r 3
I 1 (t) = r 1 I (t), I 2 (t) = r 2 I (T), I 3 (t) = r 3 I (t).
Получаем, что на выходе регистрируется функция корреляции третьего порядка для распределения во времени интенсивности исследуемого сигнала. Анализ полученной картины, представляющей функцию корреляции третьего порядка для ячеек затворов с линейным электрооптическим эффектом, выполняется с использованием известных методов [2] с. 163-164. [4] В зарегистрированной картине для осуществляется переход к спектральному представлению
Анализ зависимости I
Амплитуды спектральных компонент сигнала определяются с точностью до постоянной Iω(0), которая в конечном итоге задается шкалой, в которой измеряется интенсивность.We get that at the output a third-order correlation function is recorded for the time distribution of the intensity of the signal under study. An analysis of the resulting picture, which is a third-order correlation function for gate cells with a linear electro-optical effect, is performed using known methods [2] p. 163-164. [4] In the registered picture for transition to spectral representation
I dependency analysis
The amplitudes of the spectral components of the signal are determined accurate to a constant I ω (0), which is ultimately determined by the scale in which the intensity is measured.
Анализ поведения мнимой части производной I
Это позволяет определить ψ′(ω1) и, следовательно ψ(ω). На основании величин модуля спектры и фаз спектральных компонент j(ω) рассчитывается зависимость интенсивности сигнала от времени в виде обратного преобразования Фурье.Analysis of the behavior of the imaginary part of derivative I
This allows us to determine ψ ′ (ω 1 ) and, therefore, ψ (ω). Based on the values of the modulus, the spectra and phases of the spectral components j (ω), the dependence of the signal intensity on time is calculated in the form of the inverse Fourier transform.
Таким образом, в результате обработки полученной информации известными методами однозначно получается структура исследуемого однократного сверхкороткого оптического сигнала в виде зависимости интенсивности от времени. Кроме того при определенных условиях (средняя величина сигнала помех равна нулю <N>=0 и/или симметричная структура плотности вероятности p(N) распределение помех)) снижается роль случайных аддитивных помех, чего не было при работе с устройствами, в которых формировались функции корреляции второго порядка [2] с. 162-163). Thus, as a result of processing the obtained information by known methods, the structure of the studied single ultrashort optical signal in the form of a dependence of intensity on time is uniquely obtained. In addition, under certain conditions (the average value of the interference signal is zero <N> = 0 and / or the symmetric structure of the probability density p (N) is the distribution of interference)), the role of random additive interference decreases, which was not the case with devices in which the functions were formed second-order correlations [2] p. 162-163).
В рассматриваемой схеме, как отмечалось могут использоваться в качестве затворов электрооптические ячейки, работающие на основе квадратичного электрооптического эффекта. В этом случае аналогичный анализ дает следующее. In the considered circuit, as noted, electro-optical cells operating on the basis of the quadratic electro-optical effect can be used as gates. In this case, a similar analysis gives the following.
Различия в показателях преломления Δn1 и Δn2 между показателями для необыкновенных nel, ne2 и обыкновенных no1, no2 лучей равны соответственно
где λ длина волны используемого излучения, B1 и B2 - электрооптические постоянные материалов ячеек.The differences in the refractive indices Δn 1 and Δn 2 between the indices for extraordinary n el , n e2 and ordinary n o1 , n o2 rays are equal, respectively
where λ is the wavelength of the radiation used, B 1 and B 2 are the electro-optical constants of the cell materials.
Для анализируемого сигнала Е3(t) имеет место воздействие двух ячеек для затворов с изменяющимися во времени пропусканиями T1(t+τ1) и T2(t+τ2), пропорциональными E
При введении коэффициентов r1, r2 и r3, описывающих соотношения интенсивностей сигналов I1(t), I2(t) и I3(t) в каналах схемы, распределение интенсивности имеет вид, близкий по структуре к функции корреляции пятого порядка
при выполнении условий то есть описывается вырожденнной двумерной функцией корреляции пятого порядка.For the analyzed signal E 3 (t), two cells act for the gates with time-varying transmittances T 1 (t + τ 1 ) and T 2 (t + τ 2 ) proportional to E
When the coefficients r 1 , r 2, and r 3 are introduced, which describe the ratios of signal intensities I 1 (t), I 2 (t), and I 3 (t) in the circuit channels, the intensity distribution has the form close to the structure of the fifth-order correlation function
subject to the conditions that is, it is described by a degenerate two-dimensional correlation function of the fifth order.
Обработка результатов по сравнению с функцией корреляции третьего порядка в этом случае несколько усложняется. Переход к спектральному представлению для I(5)(τ1,τ2,τ3,τ4) дает
С учетом вида интегралов, описывающих преобразование Фурье для интенсивности I(t+τk), и условий τ1=τ2, τ3=τ4, что приводит к соотношениям ω1=ω2, ω3=ω4, получаем
Анализ зависимости I
где определяется по измеренному распределению интенсивности для функции корреляции I(5)(τ1, τ3), a Iω(0) определяется шкалой измерения интенсивности спектральных компонент.The processing of the results in comparison with the third-order correlation function in this case is somewhat more complicated. The transition to the spectral representation for I (5) (τ 1 , τ 2 , τ 3 , τ 4 ) gives
Taking into account the form of the integrals describing the Fourier transform for the intensity I (t + τ k ) and the conditions τ 1 = τ 2 , τ 3 = τ 4 , which leads to the relations ω 1 = ω 2 , ω 3 = ω 4 , we obtain
I dependency analysis
Where is determined by the measured intensity distribution for the correlation function I (5) (τ 1 , τ 3 ), and I ω (0) is determined by the scale for measuring the intensity of the spectral components.
Анализ поведения мнимой части производной I
и
где
определяются по измеренному распределению интенсивности в функции корреляции пятого порядка I(5)(τ1, τ3). Структура сигнала I(t) при вычисленных амплитудах и фазах ψ(ω)) спектральных компонент определяется обратным преобразованием Фурье.Analysis of the behavior of the imaginary part of derivative I
and
Where
are determined by the measured intensity distribution in the fifth-order correlation function I (5) (τ 1 , τ 3 ). Signal structure I (t) at calculated amplitudes and phases ψ (ω)) of the spectral components is determined by the inverse Fourier transform.
Анализ роли аддитивных случайных стационарных помех может быть выполнен аналогично тому, как это рассмотрено выше для корреляционной функции третьего порядка. An analysis of the role of additive random stationary interference can be performed in the same way as discussed above for the third-order correlation function.
В варианте схемы с затворами с насыщающимся поглощением не требуется применение поляризаторов. Пропускание затворов определяется действующими интенсивностями излучения и описывается формулами
где αo/ коэффициент поглощения материала затвора без действия излучения, Is интенсивность излучения, обеспечивающая насыщение поглощения, и, следовательно, предельное открывание затвора. Следует подчеркнуть, что в данном случае рассматривается пропускание фильтров - затворов для интенсивности излучения, а не для поля, как это делалось ранее. Регистрируемое распределение интенсивности, рассчитанное подобно тому, как это рассмотрено выше, имеет вид
Результат описывается более сложной функцией, чем в предыдущих вариантах схемы, но общий характер соответствует корреляционной функции третьего порядка для I3(t), TII(t+τ1) и T12(t+τ2).
Выражение для I(τ1, τ2) может быть упрощено с учетом того, что управляющие сигналы I1(t) и I2(t) имеют интенсивность значительно меньшую, чем интенсивность Is насыщения поглощения. В этом случае можно воспользоваться разложением в ряд по малому параметру I1(t)/Is или I2(t)/Is. С учетом коэффициентов r1, r2 и r3, описывающих соотношения интенсивностей сигналов в каналах интерферометра, и ограничиваясь членами второго порядка малости, пропускания фильтров затворов будут описываться формулами
Регистрируемое распределение интенсивности с точностью до членов второго порядка малости и несуществующих постоянных коэффициентов будет описываться формулой
Переход к спектральному представлению в выражении для интенсивности I(τ1, τ2) с учетом спектрального представления корреляционных функций второго и третьего порядков дает
Исключим из рассмотрения области с ω1, ω2=0, тогда с точностью до несущественных постоянных множителей видим, что спектральное распределение интенсивности Iω(ω1, ω2) совпадает со спектральным распределением для функции корреляции третьего порядка и описывается выражением
Анализ зависимости функции Iω(ω1, ω2) от ω1 при выполнении условия ω2= -ω1 позволяет определить амплитуды спектральных компонент сигнала подобно тому, как это описано выше
где определяется из зарегистрированного распределения интенсивности
Анализ зависимости мнимой части производной Iω(ω1, ω2) по ω2 при выполнении условия ω2=-ω1, как и выше, позволяет определить фазы спектральных компонент сигнала. С учетом условия ψ(0)=0, характеризующего начало отсчета фазы, и принимая за начало отсчета времени t0, определяемое условием ψ′(0)=0, получаем
где
Величины определяются из зарегистрированного распределения интенсивности I(τ1, τ2). Структура I(t) при вычисленных амплитудах и фазах j(ω))( спектральных компонент определяется обратным преобразованием Фурье.In the embodiment of a circuit with saturable absorption gates, the use of polarizers is not required. The gate transmission is determined by the current radiation intensities and is described by the formulas
where α o / is the absorption coefficient of the shutter material without the action of radiation, I s is the radiation intensity, which ensures saturation of the absorption, and, therefore, the maximum opening of the shutter. It should be emphasized that in this case the transmission of filter - gates is considered for the radiation intensity, and not for the field, as was done earlier. The recorded intensity distribution, calculated similarly as described above, has the form
The result is described by a more complex function than in the previous versions of the scheme, but the general nature corresponds to a third-order correlation function for I 3 (t), T II (t + τ 1 ) and T 12 (t + τ 2 ).
The expression for I (τ 1 , τ 2 ) can be simplified taking into account the fact that the control signals I 1 (t) and I 2 (t) have an intensity much lower than the absorption saturation intensity I s . In this case, one can use the series expansion in the small parameter I 1 (t) / I s or I 2 (t) / I s . Given the coefficients r 1 , r 2 and r 3 describing the ratio of signal intensities in the channels of the interferometer, and limiting ourselves to the terms of the second order of smallness, the transmission of the gate filters will be described by the formulas
The recorded intensity distribution up to second-order terms of smallness and non-existent constant coefficients will be described by the formula
The transition to the spectral representation in the expression for the intensity I (τ 1 , τ 2 ) taking into account the spectral representation of the correlation functions of the second and third orders gives
We exclude from consideration the regions with ω 1 , ω 2 = 0, then, up to insignificant constant factors, we see that the spectral distribution of intensity I ω (ω 1 , ω 2 ) coincides with the spectral distribution for the third-order correlation function and is described by the expression
An analysis of the dependence of the function I ω (ω 1 , ω 2 ) on ω 1 when the condition ω 2 = -ω 1 is fulfilled, it is possible to determine the amplitudes of the spectral components of the signal, similar to that described above
Where determined from recorded intensity distribution
An analysis of the dependence of the imaginary part of the derivative I ω (ω 1 , ω 2 ) with respect to ω 2 under the condition ω 2 = -ω 1 , as above, allows us to determine the phases of the spectral components of the signal. Taking into account the condition ψ (0) = 0, which characterizes the origin of the phase reference, and taking as the reference time t 0 defined by the condition ψ ′ (0) = 0, we obtain
Where
Quantities are determined from the recorded intensity distribution I (τ 1 , τ 2 ). Structure I (t) at calculated amplitudes and phases j (ω)) (spectral components is determined by the inverse Fourier transform.
Нужно отметить некоторую непоследовательность в расчетах , связанную с указанным выше исключением из рассмотрения области w1, ω2=0 для функции Iω(ω1, ω2). Дело в том, что условие ω2 = -ω1 с необходимостью включает значение функции Iω(ω1, ω2) в точке ω1=ω2=0. Это обстоятельство оказывается не слишком существенным, если величина
пренебрежимо мала или равна нулю. Следует отметить, что это не относится к функции Iω(ω), описывающей спектр сигнала, то есть деление на Iω(0) не приводит к обращению в бесконечность величины .It is necessary to note some inconsistency in the calculations associated with the above exclusion from consideration of the region w 1 , ω 2 = 0 for the function I ω (ω 1 , ω 2 ). The fact is that the condition ω 2 = −ω 1 necessarily includes the value of the function I ω (ω 1 , ω 2 ) at the point ω 1 = ω 2 = 0. This circumstance is not too significant if the quantity
negligible or equal to zero. It should be noted that this does not apply to the function I ω (ω), which describes the spectrum of the signal, i.e., division by I ω (0) does not lead to the infinity .
Оценка роли помех, естественно, совпадает с той, которая была сделана выше для корреляционной функции третьего порядка. Evaluation of the role of interference naturally coincides with that made above for the third-order correlation function.
Временное разрешение устройства определяется быстродействием затвора, работающего на электрооптической ячейке ([10] с. 87-89). The temporary resolution of the device is determined by the speed of the shutter operating on the electro-optical cell ([10] p. 87-89).
Приведем некоторые численные оценки для рассмотренной схемы с затворами, работающими на основе квадратичного электрооптического эффекта. Временное разрешение dt определяемое временем срабатывания затвора tcel имеет для жидкостного затвора на основе CS2 величину порядка 10-12 с при мощности управляющего оптического сигнала порядка 100 МВт ([10] с. 86-92). и для затворов на основе стекол оценивается величиной менее 10-14 с при мощности, оцениваемой на основе величины нелинейного показателя преломления, на два порядка больше [11] ). Аналогичные оценки имеют место и для электрооптических кристаллов с квадратичным эффектом [12] Для полной длительности исследуемого сигнала ts=10-10 с и временного разрешения dt=10-12 с размеры рабочей области 2х0, 2y0 в ячейках должны быть больше (c/n)ts=2см и рабочая толщина области, lz менее (c/n)dt=0,2 мм. Регистрация должна выполняться c разрешением не хуже 0,2 мм. Для временного разрешения dt порядка 10-14 с толщиной рабочей области ячейки lz должна быть менее 0,002 мм и разрешение также лучше 0,002 мм.We give some numerical estimates for the considered circuit with gates operating on the basis of the quadratic electro-optical effect. The temporal resolution dt determined by the shutter response time t cel has a value of the order of 10 -12 s for a liquid shutter based on CS 2 with a power of the control optical signal of the order of 100 MW ([10] p. 86-92). and for gates based on glasses, it is estimated to be less than 10 -14 s at a power estimated based on the magnitude of the nonlinear refractive index, two orders of magnitude larger [11]). Similar estimates hold for electro-optical crystals with a quadratic effect [12] For the total duration of the signal under investigation t s = 10 -10 s and time resolution dt = 10 -12 s, the dimensions of the working area 2x 0 , 2y 0 in the cells should be larger (c / n) t s = 2 cm and the working thickness of the region, l z less than (c / n) dt = 0.2 mm. Registration should be performed with a resolution of at least 0.2 mm. For a temporary resolution dt of the order of 10 -14 with a cell working area thickness l z must be less than 0.002 mm and the resolution is also better than 0.002 mm
Для затворов, работающих на основе линейного электрооптического эффекта и насыщающегося поглощения, оценки носят характер близкий к тому, который приведен выше для стекол и кристаллов [5] For shutters operating on the basis of a linear electro-optical effect and saturable absorption, the estimates are close to that given above for glasses and crystals [5]
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94020223A RU2079941C1 (en) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Device for determining the characteristics of single supershort pulses of laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94020223A RU2079941C1 (en) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Device for determining the characteristics of single supershort pulses of laser radiation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94020223A RU94020223A (en) | 1996-05-10 |
RU2079941C1 true RU2079941C1 (en) | 1997-05-20 |
Family
ID=20156629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94020223A RU2079941C1 (en) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Device for determining the characteristics of single supershort pulses of laser radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2079941C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2621487C2 (en) * | 2011-10-11 | 2017-06-06 | Универсидади Ду Порту | Method and device for simultaneous compressing and determinating parameters of ultrashort laser pulses |
-
1994
- 1994-06-01 RU RU94020223A patent/RU2079941C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Bradley D.J., New G.H.C. Ultrashort Pulse Measurement.-Proceedings IEEE, v. 62, N 3, 1974, р. 313 - 345.- Перевод: Брэдли Д., Нью Дж. Измерение ультракоротких импульсов. - ТИИЭР, т. 62, N 3, 1974, с. 31 - 71. 2. Lohmann A.W., Wirnitrer B. Triple Correlations-Proceedings IEEE v. 72, N 7, 1984, р. 889 - 901. - Перевод: Ломанн А.В., Вирнитцер Б. Корреляционная функция третьего порядка. - ТИИЭР, т. 72, N 7, 1984, с. 158 - 172. 3. Chimuzu F., Stoicheff B.P. Stady of the Duration and Birefringenee of Self - Trapped Filaments in CS 2 - IEEE J. Quantum Electron, v. QE - 5, Nov.- 1969, p. 544 - 546. 4. Blount E.I., Klauder I.R. Recovery of Laser Intensity from Correlation Data - J., Apple Pliys, v. 40, June 1969, р. 2874 - 2875. 5. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света.- М.: Наука, 1970. 6. Mayer G., Gires F. Action d'une onde Limineuse intense sur I'indice de refraction des Liguides.- C.R.Acad.Sei., v. 258, Feb. 1964, р. 2039 - 2042. 7. Wourou G., Busca G., Denari * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2621487C2 (en) * | 2011-10-11 | 2017-06-06 | Универсидади Ду Порту | Method and device for simultaneous compressing and determinating parameters of ultrashort laser pulses |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU94020223A (en) | 1996-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4905169A (en) | Method and apparatus for simultaneously measuring a plurality of spectral wavelengths present in electromagnetic radiation | |
Palese et al. | Femtosecond optical Kerr effect studies of water | |
Froehly et al. | II shaping and analysis of picosecond light pulses | |
US4193690A (en) | Heterodyne detection of coherent Raman signals | |
Liberati et al. | Quantum vacuum radiation in optical glass | |
JPH06213813A (en) | Method and device for determining substance and/or characteristic thereof | |
Labeyrie et al. | Coherent backscattering of light by an inhomogeneous cloud of cold atoms | |
US7365851B2 (en) | Method of measuring a physical function using a composite function which includes the physical function and an arbitrary reference function | |
Pastorczak et al. | Femtosecond infrared pump–stimulated Raman probe spectroscopy: the first application of the method to studies of vibrational relaxation pathways in the liquid HDO/D 2 O system | |
Chen et al. | Two-dimensional Z scan for arbitrary beam shape and sample thickness | |
Chui et al. | Study of hyper-Rayleigh scattering and two-photon absorption induced fluorescence from crystal violet | |
RU2079941C1 (en) | Device for determining the characteristics of single supershort pulses of laser radiation | |
Etchepare et al. | Molecular dynamics of liquid benzene via femtosecond pulses laser excitation | |
Masters et al. | Time-resolved stimulated emission depletion and energy transfer dynamics in two-photon excited EGFP | |
JPH01176920A (en) | Spectral measuring instrument | |
Harilal et al. | Laser plasma density measurements using interferometry | |
Diaz | Measuring the pulse duration and the time-dependent polarisation state of ultrashort laser pulses with the d-scan technique | |
Mewes | Non-equilibrium dynamics of di-platinum complexes and molecular dyes in solution: Insights from transient absorption and two-dimensional Fourier transform spectroscopy | |
Everett | Atom-light interfaces for quantum information processing | |
Närhi | Measurements of noise-seeded dynamics in nonlinear fiber optics | |
JPH02264831A (en) | Interferometer system for generating two or more transmission light beams from one incident light beam | |
Bousquet et al. | Phase measurement in a collinear pump probe experiment: Application to molecular dynamics studies in liquids | |
Oberto | Nonlinear correction of spectrally recovered, RF spectral features, readout with high frequency-chirped laser fields | |
Wagner et al. | Single Photon Quantum Interference | |
Riza et al. | Acoustooptic technique for beam scanning and beam formation In phased array radars |