RU2650093C1

RU2650093C1 - Method for measuring duration of femtosecond laser pulses

Info

Publication number: RU2650093C1
Application number: RU2017100284A
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Барышников; Ольга Валерьевна Горева
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2018-04-06

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to nonlinear optics. Method for measuring duration of femtosecond laser pulses involves creating with the help of an interferometer of two copies of the investigated femtosecond laser pulse, which are directed to a nonlinear crystal that provides for the simultaneous generation of second-harmonic radiation from one of the pulses and the emission of the total frequency from both copies, and registration of intensity distribution that occurs when the second harmonic beam interferes with the pulse and the total frequency beam. Measure the ratio of the intensity of the total frequency and the second harmonic of two copies of the femtosecond laser pulse tested to the intensity of the total frequency and the second harmonic of two copies of 100 fs duration. By calibration linear dependence of this ratio, the duration of the investigated femtosecond laser pulses is found.

EFFECT: increase in accuracy of measuring the duration of femtosecond laser pulses in the range below 100 fs.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нелинейной оптике, а именно к устройствам измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов, и может быть использовано в измерительных блоках и системах технологических, исследовательских, метрологических и медицинских фемтосекундных лазерных комплексов.The invention relates to nonlinear optics, and in particular to devices for measuring the duration of femtosecond laser pulses, and can be used in measuring units and systems of technological, research, metrological and medical femtosecond laser complexes.

Известен способ [1] измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов, который заключается в использовании схемы двулучевого интерферометра с формированием на выходе второй оптической гармоники в нелинейном оптическом кристалле. Регистрируемый отклик интенсивностей сигналов в каналах интерферометра описывается функцией корреляции второго порядка по разнице во времени задержек сигналов в каналах интерферометра. Недостатком данной оптической схемы является сложность, наличие экспериментальных шумов и необходимость применения в одном из каналов интерферометра подвижных оптических элементов, существенно снижающих точность и достоверность измерения длительности лазерных импульсов в фемтосекундном временном интервале.A known method [1] for measuring the duration of ultrashort laser pulses, which consists in using a two-beam interferometer circuit with the formation of the second optical harmonic in the nonlinear optical crystal at the output. The recorded response of the signal intensities in the channels of the interferometer is described by a second-order correlation function for the time difference of the signal delays in the channels of the interferometer. The disadvantage of this optical scheme is the complexity, the presence of experimental noise and the need to use movable optical elements in one of the channels of the interferometer, which significantly reduce the accuracy and reliability of measuring the duration of laser pulses in a femtosecond time interval.

Известен более точный способ (SHG-FROG) измерения временной зависимости напряженности поля ультракоротких световых импульсов [2], основанный на измерении двумерного изображения - спектрального разложения автокорреляционной функции поля исследуемого импульса.A more accurate method (SHG-FROG) is known for measuring the time dependence of the field strength of ultrashort light pulses [2], based on measuring a two-dimensional image — the spectral decomposition of the autocorrelation function of the field of the studied pulse.

В этом способе исследуемый импульс в интерферометре делится на две копии, с выхода интерферометра лазерные импульсы подаются на нелинейный кристалл. Процедура нелинейного преобразования фемтосекундных импульсов является симметричной по отношению к этим копиям, что в конечном итоге не позволяет однозначно определить положение временной оси на получаемой временной зависимости интенсивности импульса. Поэтому при длительности лазерных импульсов меньше 100 фс точность и достоверность измерения будет существенно снижаться. Кроме того, недостатком данного способа является сложность процедуры преобразования излучения с необходимостью измерения двумерного (Изображения спектрального состава второй гармоники этих импульсов с помощью спектрального прибора. Еще один недостаток способа SHG-FROG заключается в отсутствии прямого соответствия между фрагментами регистрируемого изображения и формой импульса, что не позволяет использовать эти изображения для качественной оценки параметров импульса и требуется компьютерная обработка получаемых изображений. Кроме того, условия сходимости применяемого алгоритма восстановления временной зависимости интенсивности поля импульса не всегда выполняются, что существенно снижает достоверность результатов.In this method, the studied pulse in the interferometer is divided into two copies, from the output of the interferometer the laser pulses are fed to a nonlinear crystal. The nonlinear conversion of femtosecond pulses is symmetric with respect to these copies, which ultimately does not allow us to uniquely determine the position of the time axis on the obtained time dependence of the pulse intensity. Therefore, when the laser pulse duration is less than 100 fs, the accuracy and reliability of the measurement will be significantly reduced. In addition, the disadvantage of this method is the complexity of the radiation conversion procedure with the need to measure two-dimensional (Images of the spectral composition of the second harmonic of these pulses using a spectral device. Another disadvantage of the SHG-FROG method is the lack of direct correspondence between fragments of the recorded image and the pulse shape, which is not allows you to use these images for a qualitative assessment of the parameters of the pulse and requires computer processing of the resulting images. second, the conditions of convergence of the algorithm used recovery time dependence of the pulse intensity of the field is not always carried out, which significantly reduces the reliability of the results.

Известен способ (Способ SPRINT) [3], основанный на использовании интерферометра и измерении двумерного изображения - спектрального разложения интерференционной картины, получающейся в нелинейном кристалле, как результат сложения пучка суммарной частоты и пучка второй гармоники исследуемого импульса. Процедура преобразования фемтосекундных импульсов в этом способе, кроме нелинейного преобразования излучения, включает спектральное разложение излучения и его регистрацию матричным детектором, что значительно усложняет оптическую схему измерения и предъявляет повышенные требования к точности и стабильности оптической системы. Как следствие, снижается точность измерения длительности лазерных импульсов в диапазоне меньше 100 фс. Кроме того, регистрация двумерного изображения требует больших вычислительных ресурсов при обработке данных и, как следствие, снижает оперативность измерений. Алгоритм восстановления временной зависимости интенсивности поля импульса имеет недостаточную устойчивость к экспериментальным шумам, что снижает достоверность результатов.The known method (SPRINT method) [3], based on the use of an interferometer and measuring a two-dimensional image — spectral decomposition of the interference pattern obtained in a nonlinear crystal as a result of addition of the total frequency beam and the second harmonic beam of the pulse under study. The procedure for converting femtosecond pulses in this method, in addition to non-linear conversion of radiation, includes spectral decomposition of radiation and its registration by a matrix detector, which significantly complicates the optical measurement scheme and places high demands on the accuracy and stability of the optical system. As a result, the accuracy of measuring the laser pulse duration in the range of less than 100 fs is reduced. In addition, the registration of a two-dimensional image requires large computational resources when processing data and, as a result, reduces the efficiency of measurements. The algorithm for reconstructing the time dependence of the pulse field intensity has insufficient resistance to experimental noise, which reduces the reliability of the results.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения временных параметров ультракоротких световых импульсов [4], в котором посредством многозеркального интерферометра создаются две копии исследуемого импульса. Затем их направляют на нелинейный кристалл, обеспечивающий одновременную генерацию излучения второй гармоники одного из импульсов и излучения суммарной частоты от обеих копий, и регистрируют одномерное распределение интенсивности, возникающее при интерференции пучка второй гармоники исследуемого импульса и пучка суммарной частоты.The closest technical solution to the claimed one is a method for measuring the time parameters of ultrashort light pulses [4], in which two copies of the studied pulse are created using a multi-mirror interferometer. Then they are directed to a nonlinear crystal, which provides simultaneous generation of the second harmonic radiation of one of the pulses and the total frequency radiation from both copies, and the one-dimensional intensity distribution arising from the interference of the second harmonic beam of the studied pulse and the total frequency beam is recorded.

Данный способ по сравнению с прототипом [2-3] существенно упрощает процедуры оптического преобразования благодаря устранению необходимости в спектральном приборе, увеличивает чувствительность и быстродействие за счет использования обработки распределений с одномерных детекторов излучения второй гармоники и пучков суммарной частоты. Тем самым повышается достоверность измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов.This method compared to the prototype [2-3] significantly simplifies the optical conversion procedures by eliminating the need for a spectral device, increases sensitivity and speed through the use of processing distributions from one-dimensional second-harmonic radiation detectors and total frequency beams. This increases the reliability of measuring the duration of femtosecond laser pulses.

Недостатком данного способа измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов является использование интерферометра, в одном из каналов которого, как ив [1-3], применены подвижные оптические элементы, снижающие точность измерения длительности лазерных импульсов. Кроме того, при использовании линейного многопиксельного фотоприемника производится анализ дискретной автокорреляционной функции, построенной путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора, что существенно увеличивает погрешность измерения при уменьшении длительности импульсов от 100 фс.The disadvantage of this method of measuring the duration of ultrashort laser pulses is the use of an interferometer, in one of the channels of which, as willows [1-3], mobile optical elements are used that reduce the accuracy of measuring the duration of laser pulses. In addition, when using a linear multi-pixel photodetector, a discrete autocorrelation function constructed by using a scanning mirror autocorrelator is analyzed, which significantly increases the measurement error with a decrease in pulse duration from 100 fs.

Целями изобретения являются повышение точности измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов в диапазоне меньше 100 фс, упрощение конструкции оптической схемы измерения и увеличение стабильности интерферометра.The objectives of the invention are to increase the accuracy of measuring the duration of femtosecond laser pulses in the range of less than 100 fs, simplifying the design of the optical measurement circuit and increasing the stability of the interferometer.

Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ включает создание с помощью сферического вогнутого зеркального интерферометра двух одномерных копий исследуемого фемтосекундного лазерного импульса, которые направляют на нелинейный кристалл. Нелинейный кристалл обеспечивает одновременную генерацию от обеих копий излучение второй гармоники и суммарной частоты, которое регистрируется фотоприемным устройством. При этом в нелинейном кристалле с энергией запрещенной зоны, превышающей суммарную энергию двух фотонов, падающего на него излучения, достигается процесс трехфотонной ионизации и обеспечивается линейная зависимость отношения интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники фемтосекундных импульсов к интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники импульсов длительностью 100 фс, по которой с высокой точностью определяется длительность исследуемых фемтосекундных лазерных импульсов.This goal is achieved in that the inventive method involves creating using a spherical concave mirror interferometer two one-dimensional copies of the studied femtosecond laser pulse, which are sent to a nonlinear crystal. A nonlinear crystal provides simultaneous generation of second harmonic and total frequency radiation from both copies, which is detected by a photodetector. In this case, in a nonlinear crystal with a band gap energy exceeding the total energy of two photons incident on it, a three-photon ionization process is achieved and a linear dependence of the ratio of the intensity of two copies of the total frequency and the second harmonic of femtosecond pulses to the intensity of two copies of the total frequency and second harmonic of the pulses is ensured 100 fs in duration, which determines with high accuracy the duration of the studied femtosecond laser pulses.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "novelty."

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:The applicant is unknown from the prior art about the presence of the following symptoms:

1. Наличие градуировочного графика, как линейная зависимость отношения интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий исследуемых фемтосекундных лазерных импульсов к интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий лазерных импульсов длительностью 100 фс:

.1. The presence of the calibration graph, as a linear dependence of the ratio of the intensity of the total frequency and second harmonic of two copies of the studied femtosecond laser pulses to the intensity of the total frequency and second harmonic of two copies of laser pulses with a duration of 100 fs:

.

2. Наличие в канале преобразования нелинейного кристалла трехфотонного процесса ионизации, увеличивающего эффективность генерации второй гармоники и сложения частот, когда энергия запрещенной зоны кристалла больше суммарной энергии двух фотонов фемтосекундного лазерного импульса.2. The presence in the conversion channel of a nonlinear crystal of a three-photon ionization process that increases the efficiency of second-harmonic generation and frequency addition when the energy of the band gap of the crystal is greater than the total energy of two photons of a femtosecond laser pulse.

3. Использование в качестве одномерного фемтосекундного интерферометра сферического зеркала.3. The use of a spherical mirror as a one-dimensional femtosecond interferometer.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - существенно упрощается (по отношению к прототипу) элементная база и схема электроники фотоприемника.Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step". In addition, when the signs interact, a new technical result is obtained - the element base and the photodetector electronics circuitry are significantly simplified (relative to the prototype).

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа. На фигуре 2 отображен градуировочный график определения длительности лазерных фемтосекундных импульсов, как экстраполяция линейной зависимости отношения интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники известной длительности к интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники длительностью 100 фс:

The figure 1 presents a structural diagram of a device for implementing this method. Figure 2 shows a calibration graph for determining the duration of laser femtosecond pulses, as an extrapolation of the linear dependence of the ratio of the intensity of two copies of the total frequency and the second harmonic of known duration to the intensity of two copies of the total frequency and second harmonic with a duration of 100 fs:

Способ осуществляется следующим образом: Исследуемые импульсы фемтосекундного лазера (1) подаются под острым углом на вогнутое сферическое зеркало (2), которое представляет собой интерферометр, перестраиваемый по вертикальной оси относительно центра. Данный одномерный интерферометр формирует по вертикальной оси относительно центра зеркала две копии исследуемого фемтосекундного лазерного импульса, которые направляются в виде сфокусированного излучения на нелинейный кристалл (3), у которого при наличии процесса трехфотонной ионизации энергия запрещенной зоны больше суммарной энергии двух фотонов падающего на него излучения. Нелинейный кристалл обеспечивает одновременную генерацию от обеих копий излучение второй гармоники и излучение суммарной частоты, которое через светофильтр (4) регистрируется фотоприемным устройством (5), например p-i-n фотодиодом, импульсной ПЗС-матрицей, импульсным фотоэлементом и др. Для предварительной градуировки указанной аппаратуры в измерительном канале фемтосекундного лазера используется калиброванный прибор (6) - это сканирующий зеркальный автокоррелятор или оптический спектрометр.The method is as follows: The studied pulses of a femtosecond laser (1) are fed at an acute angle to a concave spherical mirror (2), which is an interferometer tunable along a vertical axis relative to the center. This one-dimensional interferometer generates two copies of the studied femtosecond laser pulse along the vertical axis relative to the center of the mirror, which are directed in the form of focused radiation to a nonlinear crystal (3), which, in the presence of a three-photon ionization process, has a bandgap energy greater than the total energy of two photons of radiation incident on it. A nonlinear crystal provides simultaneous generation of second harmonic radiation and radiation of the total frequency from both copies, which is detected through a light filter (4) with a photodetector (5), for example, a pin photodiode, a pulse CCD matrix, a pulse photocell, etc. For preliminary calibration of the indicated equipment in the measuring The femtosecond laser channel uses a calibrated device (6) - this is a scanning mirror autocorrelator or optical spectrometer.

Длительность исследуемого фемтосекундного лазерного импульса определяется по линейному градировочному графику, как зависимость отношения интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники известной длительности к интенсивности двух копий суммарной частоты и второй гармоники при длительности 100 фс:

.The duration of the studied femtosecond laser pulse is determined by a linear calibration graph, as the dependence of the ratio of the intensity of two copies of the total frequency and the second harmonic of known duration to the intensity of two copies of the total frequency and second harmonic with a duration of 100 fs:

.

Указанная линейная закономерность основана на том, что в качестве нелинейного кристалла (преобразователя) используются кристаллы, у которых при наличии процесса трехфотонной ионизации энергия запрещенной зоны (E_g) больше суммарной энергии двух фотонов фемтосекундного лазерного импульса. При уменьшении длительности фемтосекундных лазерных импульсов растет их объемная интенсивность, в канале преобразования нелинейного кристалла возрастает эффективность трехфотонного процесса ионизации, и, как следствие, увеличивается выход генерации второй гармоники и сложения частот. Эффективность трехфотонного процесса ионизации и увеличение нелинейной восприимчивости нелинейного кристалла определяются кубической зависимостью от объемной интенсивности фемтосекунного излучения. При этом выход суммарной частоты и второй гармоники имеют квадратичную зависимость от интенсивности лазерных фемтосекундных импульсов. Таким образом, зависимость отношения

линейна.The indicated linear regularity is based on the fact that crystals are used as a nonlinear crystal (transducer) in which, in the presence of a three-photon ionization process, the energy of the forbidden band (E _g ) is greater than the total energy of two photons of a femtosecond laser pulse. With a decrease in the duration of femtosecond laser pulses, their volume intensity increases, the efficiency of the three-photon ionization process increases in the nonlinear crystal conversion channel, and, as a result, the output of second harmonic generation and frequency addition increases. The efficiency of the three-photon ionization process and the increase in the nonlinear susceptibility of a nonlinear crystal are determined by the cubic dependence on the volumetric intensity of the femtosecond radiation. The output of the total frequency and the second harmonic have a quadratic dependence on the intensity of the laser femtosecond pulses. So the relationship relationship

linear.

Пример 1. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, длительностью τ=50 фс, с частотой 80 МГц и длиной волны λ=800 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Длительность импульса измеряется посредством сканирующего зеркального автокоррелятора АА-20DD в измерительном канале лазера. В область гауссовой перетяжки устанавливают нелинейный кристалл КТР (KTiOPO₄; E_g=3,6 эВ), представляющий собой оптимально вырезанную и полированную пластинку 5×5×1 мм³. Энергия запрещенной зоны E_g=3,6 эВ>2hc/λ=3,11 эВ. Путем регулировки пространственного положения кристалла и по вертикальной оси интерферометра производится настройка на максимальный уровень суммарной частоты и второй гармоники двух копий и фиксируется сигнал с фотоприемника на основе ПЗС матрицы SDU-285 с объективом. Затем, сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, устанавливают длительность импульсов 60 фс при контроле посредством указанного сканирующего зеркального автокоррелятора и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом производят установку и контроль длительности импульсов лазерного излучения 80 фс и 100 фс. По четырем измеренным значениям интенсивности строится линейная градуировочная зависимость отношения

(фиг. 2). После этого настроенную оптическую схему измерения длительности фемтосекундных лазерных импульсов используют без сканирующего зеркального автокоррелятора. Сохраняя настройки измерительной оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, уменьшают длительность импульсов до некоторой величины, измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению

и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов равную 25 фс (фиг. 2). Погрешность этого измерения составляет 5%, поскольку градуировочная кривая строилась на основе калибровки с использованием сканирующего зеркального автокоррелятора в диапазоне 50-100 фс, у которого погрешность 5%. Вместе с тем, точность измерения длительности лазерных импульсов 25 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции, построенной путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора составляет 20%.Example 1. The investigated femtosecond laser beam (tunable TIF-50 laser) with a diameter of 3 mm, a duration of τ = 50 fs, a frequency of 80 MHz and a wavelength of λ = 800 nm is fed at an angle of 5 ° in the horizontal plane to the interferometer - to the center of the spherical mirrors with a diameter of 6 cm and a focal length of 8 cm. The pulse duration is measured by means of a scanning mirror autocorrelator AA-20DD in the measuring channel of the laser. A non-linear KTP crystal (KTiOPO ₄ ; E _g = 3.6 eV) is installed in the region of the Gaussian constriction, which is an optimally cut and polished 5 × 5 × 1 mm ³ plate. Forbidden energy E _g = 3.6 eV> 2hc / λ = 3.11 eV. By adjusting the spatial position of the crystal and along the vertical axis of the interferometer, two copies are tuned to the maximum level of the total frequency and second harmonic, and the signal from the photodetector based on the SDU-285 CCD with the lens is fixed. Then, preserving the settings of the optical scheme, the wavelength, and the laser radiation intensity, the pulse duration of 60 fs is set during monitoring by the indicated scanning mirror autocorrelator and the signal level at the output of the photodetector is measured. In the same way, the installation and control of the duration of laser pulses of 80 fs and 100 fs. Using the four measured intensity values, a linear calibration dependence of the ratio is constructed

(Fig. 2). After that, the tuned optical scheme for measuring the duration of femtosecond laser pulses is used without a scanning mirror autocorrelator. Keeping the settings of the measuring optical circuit, the wavelength and the intensity of the laser radiation, reduce the pulse duration to a certain value, measure the signal level at the output of the photodetector. According to the measured value of the signal found by the ratio

and the data of the calibration graph determine the pulse duration equal to 25 fs (Fig. 2). The error of this measurement is 5%, since the calibration curve was built on the basis of calibration using a scanning mirror autocorrelator in the range of 50-100 fs, which has an error of 5%. At the same time, the accuracy of measuring the laser pulse duration of 25 fs when analyzing a discrete autocorrelation function constructed by using a scanning mirror autocorrelator is 20%.

Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов увеличена в четыре раза. При этом по сравнению с прототипом существенно упрощена оптическая схема измерения длительности лазерных импульсов. Тем самым повышена стабильность интерферометра, представляющего собой лишь одно сферическое зеркало, по сравнению с многозеркальной конструкцией интерферометра в прототипе. Кроме того, по сравнению с прототипом, повышена стабильность оптического тракта указанного интерферометра, поскольку в процессе измерения длительности фемтосекундных импульсов исключены механические перемещения и вибрации оптических элементов.Thus, compared with the prototype, the accuracy of the measurement of femtosecond laser pulses is increased four times. Moreover, in comparison with the prototype, the optical scheme for measuring the duration of laser pulses is significantly simplified. This increases the stability of the interferometer, which is only one spherical mirror, compared with the multi-mirror design of the interferometer in the prototype. In addition, in comparison with the prototype, the stability of the optical path of the indicated interferometer is increased, since mechanical movements and vibrations of the optical elements are excluded during the measurement of the duration of femtosecond pulses.

Пример 2. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, с длительностью импульсов τ=50 фс, частотой 80 МГц и длиной волны λ=800 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Оптическая схема та же, как в примере 1, и тот же нелинейный кристалл KTiOPO₄. В данной серии испытаний в измерительный канал фемтосекундного лазера вместо сканирующего зеркального автокоррелятора включен спектрометр ASP-75. Уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий фиксируется фотоприемником на основе p-i-n фотодиода с драйвером. Путем регулировки пространственного положения кристалла и наклона интерферометра производится настройка на максимальный уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий. Посредством спектрометра измеряют ширину оптического спектра лазерных импульсов Δλ и по известной формуле τ=0,44Δλ/c подтверждают длительность лазерных импульсов 50 фс. Затем, сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, устанавливают длительность 55 фс, измеренную посредством этого же спектрометра и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом производят измерение длительности импульсов лазерного излучения 80 фс, 90 фс, 100 фс и соответственно интенсивность на выходе фотоприемника. По полученным данным строится линейная градуировочная зависимость отношения

. Данный график практически идентичен линейной зависимости, измеренной в примере 1 (фиг. 2). Затем спектрометр отключают. Сохраняя настройки оптической схемы, уменьшают с помощью встроенного в лазер решеточного компрессора длительность импульсов, измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению

и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов, которая соответствует значению 10 фс (фиг. 2). Погрешность измерения составляет 2%, поскольку градуировочный график получен на основе калибровки по спектрометру, у которого точность 2%. Вместе с тем, погрешность измерения длительности лазерных импульсов 10 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции, построенной путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора составляет 30%.Example 2. The investigated beam of femtosecond laser radiation (tunable laser TIF-50) with a diameter of 3 mm, with a pulse duration of τ = 50 fs, a frequency of 80 MHz and a wavelength of λ = 800 nm is fed at an angle of 5 ° in the horizontal plane to the interferometer in the center a spherical mirror with a diameter of 6 cm and a focal length of 8 cm. The optical scheme is the same as in example 1, and the same non-linear KTiOPO ₄ crystal. In this series of tests, the ASP-75 spectrometer is included in the measuring channel of a femtosecond laser instead of a scanning mirror autocorrelator. The intensity level of the total frequency and the second harmonic of two copies is fixed by a photodetector based on a pin photodiode with a driver. By adjusting the spatial position of the crystal and the tilt of the interferometer, two copies are tuned to the maximum intensity level of the total frequency and second harmonic. Using a spectrometer, the optical pulse width of the laser pulses Δλ is measured and, using the well-known formula τ = 0.44Δλ / c, the laser pulse duration of 50 fs is confirmed. Then, preserving the settings of the optical scheme, the wavelength, and the laser radiation intensity, a duration of 55 fs is set, measured by the same spectrometer, and the signal level at the output of the photodetector is measured. In the same way, the measurement of the duration of laser pulses of 80 fs, 90 fs, 100 fs and, accordingly, the intensity at the output of the photodetector. Based on the data obtained, a linear calibration dependence of the ratio is constructed

. This graph is almost identical to the linear dependence measured in example 1 (Fig. 2). Then the spectrometer is turned off. Keeping the settings of the optical circuit, they reduce the pulse duration using the array compressor integrated in the laser, and measure the signal level at the output of the photodetector. According to the measured value of the signal found by the ratio

and the data of the calibration graph determine the pulse duration, which corresponds to a value of 10 fs (Fig. 2). The measurement error is 2%, since the calibration graph is obtained on the basis of calibration by a spectrometer, which has an accuracy of 2%. At the same time, the error in measuring the duration of laser pulses of 10 fs when analyzing a discrete autocorrelation function constructed by using a scanning mirror autocorrelator is 30%.

Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов и увеличивается в 15 раз. Кроме того, использование фотоприемника на основе p-i-n фотодиода, по сравнению с примером 1, существенно упрощает элементную базу и схему электроники фотоприемника.Thus, compared with the prototype, the accuracy of the measurement of femtosecond laser pulses and increases by 15 times. In addition, the use of a photodetector based on a p-i-n photodiode, in comparison with example 1, greatly simplifies the element base and the electronics circuit of the photodetector.

Пример 3. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, длительностью τ=50 фс, с частотой 80 МГц и длиной волны λ=850 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Длительность импульса определяют по данным спектрометра ASP-75, который подключен к измерительному выходу фемтосекундного лазера. В область гауссовой перетяжки устанавливается нелинейный кристалл (LiNbO₃, E_g=3,2 эВ), представляющий собой оптимально вырезанную и полированную пластинку 5×5×1 мм³. Энергия запрещенной зоны E_g=3,2 эВ>2hc/λ=2,92 эВ. Уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий фиксируется фотоприемником на основе p-i-n фотодиода с драйвером. Путем регулировки пространственного положения кристалла и вертикального наклона интерферометра производится настройка на максимальный уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий. Посредством спектрометра измеряют ширину оптического спектра лазерных импульсов Δλ, и по известной формуле τ=0,44Δλ/c подтверждают длительность лазерных импульсов 50 фс. Затем, сохраняя настройки лазера и оптической схемы, устанавливают длительность импульсов 40 фс, измеренную посредством указанного спектрометра и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом устанавливают и контролируют длительность импульсов лазерного излучения 60 фс, 70 фс, 85 фс и соответственно измеряют интенсивность. По измеренным данным строится линейная градуировочная зависимость отношения

. Полученная линейная зависимость для кристалла LiNbO₃ практически идентична зависимости, измеренной в примерах 1-2 (фиг. 2). Далее спектрометр отключают. Сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, уменьшают длительность импульсов до некоторой величины и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению

и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов равную 20 фс. Погрешность измерения составляет 2%, поскольку градуировочный график строился на основе калибровки по спектрометру, у которого погрешность 2%. Вместе с тем, погрешность измерения длительности лазерных импульсов 20 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции, путем использования сканирующего зеркального автокоррелятора составляет 15%.Example 3. The investigated beam of femtosecond laser radiation (tunable TIF-50 laser) with a diameter of 3 mm, a duration of τ = 50 fs, a frequency of 80 MHz and a wavelength of λ = 850 nm is fed at an angle of 5 ° in a horizontal plane to the interferometer in the center of a spherical mirrors with a diameter of 6 cm and a focal length of 8 cm. The pulse duration is determined by the data of the ASP-75 spectrometer, which is connected to the measuring output of a femtosecond laser. A nonlinear crystal (LiNbO ₃ , E _g = 3.2 eV) is installed in the Gaussian constriction region, which is an optimally cut and polished 5 × 5 × 1 mm ³ plate. The energy of the forbidden zone is E _g = 3.2 eV> 2hc / λ = 2.92 eV. The intensity level of the total frequency and the second harmonic of two copies is fixed by a photodetector based on a pin photodiode with a driver. By adjusting the spatial position of the crystal and the vertical tilt of the interferometer, two copies are tuned to the maximum intensity level of the total frequency and second harmonic. Using a spectrometer, the optical spectrum width of the laser pulses Δλ is measured, and the laser pulse duration of 50 fs is confirmed using the well-known formula τ = 0.44Δλ / c. Then, while preserving the settings of the laser and the optical circuit, the pulse duration of 40 fs is determined, measured by the indicated spectrometer, and the signal level at the output of the photodetector is measured. In the same way, the duration of laser pulses is set and controlled at 60 fs, 70 fs, 85 fs and the intensity is measured accordingly. Based on the measured data, a linear calibration dependence of the ratio is constructed

. The obtained linear dependence for the LiNbO ₃ crystal is almost identical to the dependence measured in examples 1-2 (Fig. 2). Next, the spectrometer is turned off. Keeping the settings of the optical scheme, the wavelength and the laser radiation intensity, they reduce the pulse duration to a certain value and measure the signal level at the output of the photodetector. According to the measured value of the signal found by the ratio

and the data of the calibration graph determine the pulse duration equal to 20 fs. The measurement error is 2%, since the calibration graph was built on the basis of calibration with a spectrometer, which has an error of 2%. At the same time, the error in measuring the duration of laser pulses of 20 fs when analyzing a discrete autocorrelation function by using a scanning mirror autocorrelator is 15%.

Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов увеличивается в 7,5 раз. Кроме того, сохраняется стабильность градуировочного линейного графика при переходе на другой нелинейный кристалл для другой длины волны лазерных импульсов.Thus, compared with the prototype, the accuracy of the measurement of femtosecond laser pulses increases by 7.5 times. In addition, the calibration curve remains stable during the transition to another nonlinear crystal for a different wavelength of laser pulses.

Пример 4. Исследуемый пучок фемтосекундного лазерного излучения (перестраиваемый лазер TIF-50) диаметром 3 мм, длительностью τ=50 фс, с частотой 80. МГц и длиной волны λ=750 нм подают под углом 5° в горизонтальной плоскости на интерферометр - в центр сферического зеркала диаметром 6 см и фокусным расстоянием 8 см. Длительность импульса измеряют посредством спектрометра ASP-75, который подключен к измерительному выходу фемтосекундного лазера. В область гауссовой перетяжки устанавливается нелинейный кристалл КТА (KTiOAsO₄, E_g=3,8 эВ), представляющий собой оптимально вырезанную и полированную пластинку 5×5×1 мм³. Энергия запрещенной зоны E_g=3,8 эВ>2hc/λ=3,2 эВ. Уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий фиксируется фотоприемником на основе p-i-n фотодиода с драйвером. Путем регулировки пространственного положения кристалла и вертикального наклона интерферометра производится настройка на максимальный уровень интенсивности суммарной частоты и второй гармоники двух копий. Посредством спектрометра измеряют ширину оптического спектра лазерных импульсов Δλ, и по известной формуле τ=0,44Δλ/c подтверждают длительность лазерных импульсов 50 фс. Затем, сохраняя настройки лазера и оптической схемы, устанавливают и контролируют длительность импульсов 45 фс посредством спектрометра и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. Таким же образом производят установку и контроль длительности импульсов лазерного излучения 65 фс, 75 фс, 95 фс и соответственно измеряют интенсивность. По этим данным строится линейная градуировочная зависимость отношения

. Полученная линейная зависимость для кристалла KTiOAsO₄ практически идентична зависимости, измеренной в примерах 1-3 (фиг. 2). Далее спектрометр отключают. Сохраняя настройки оптической схемы, длину волны и интенсивность излучения лазера, уменьшают длительность импульсов с помощью встроенного в лазер решеточного компрессора до некоторой величины и измеряют уровень сигнала на выходе фотоприемника. По измеренной величине сигнала, найденному отношению

и данным градуировочного графика определяют длительность импульсов равную 15 фс (фиг. 2). Погрешность измерения составляет 2%, поскольку градуировочный график строился на основе калибровки по спектрометру, у которого точность 2%. В прототипе погрешность измерения длительности лазерных импульсов 15 фс при анализе дискретной автокорреляционной функции составляет 25%. Проведенное испытание показало, что по сравнению с прототипом точность измерения фемтосекундных лазерных импульсов увеличена в 12,5 раз. Кроме того, как и в примере 3, сохраняется стабильность градуировочного линейного графика при переходе на третий нелинейный» кристалл для другой длины волны лазерных импульсов, что является подтверждением, заявленной в примере 1, стабильности одномерного интерферометра в виде сферического зеркала.Example 4. The investigated beam of femtosecond laser radiation (tunable TIF-50 laser) with a diameter of 3 mm, a duration of τ = 50 fs, a frequency of 80. MHz and a wavelength of λ = 750 nm is fed at an angle of 5 ° in a horizontal plane to the interferometer in the center a spherical mirror with a diameter of 6 cm and a focal length of 8 cm. The pulse duration is measured using an ASP-75 spectrometer, which is connected to the measuring output of a femtosecond laser. A nonlinear KTA crystal (KTiOAsO ₄ , E _g = 3.8 eV) is installed in the Gaussian constriction region, which is an optimally cut and polished 5 × 5 × 1 mm ³ plate. Forbidden energy E _g = 3.8 eV> 2hc / λ = 3.2 eV. The intensity level of the total frequency and the second harmonic of two copies is fixed by a photodetector based on a pin photodiode with a driver. By adjusting the spatial position of the crystal and the vertical tilt of the interferometer, two copies are tuned to the maximum intensity level of the total frequency and second harmonic. Using a spectrometer, the optical spectrum width of the laser pulses Δλ is measured, and the laser pulse duration of 50 fs is confirmed using the well-known formula τ = 0.44Δλ / c. Then, preserving the settings of the laser and the optical circuit, the pulse duration of 45 fs is established and controlled by a spectrometer and the signal level at the output of the photodetector is measured. In the same way, the installation and control of the duration of laser pulses of 65 fs, 75 fs, 95 fs and accordingly measure the intensity. Based on these data, a linear calibration dependence of the ratio is constructed

. The obtained linear dependence for the KTiOAsO ₄ crystal is almost identical to the dependence measured in examples 1-3 (Fig. 2). Next, the spectrometer is turned off. Keeping the settings of the optical scheme, the wavelength and the intensity of the laser radiation, they reduce the pulse duration using a grating compressor built into the laser to a certain value and measure the signal level at the output of the photodetector. According to the measured value of the signal found by the ratio

and the data of the calibration graph determine the pulse duration equal to 15 fs (Fig. 2). The measurement error is 2%, since the calibration graph was built on the basis of calibration with a spectrometer, which has an accuracy of 2%. In the prototype, the error in measuring the duration of laser pulses of 15 fs when analyzing a discrete autocorrelation function is 25%. The test showed that, compared with the prototype, the accuracy of the measurement of femtosecond laser pulses increased by 12.5 times. In addition, as in example 3, the stability of the calibration linear graph is maintained when switching to the third non-linear crystal for a different wavelength of laser pulses, which is a confirmation of the stability of a one-dimensional interferometer in the form of a spherical mirror, stated in example 1.

Таким образом, достижение цели изобретения подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:Thus, the achievement of the objectives of the invention is confirmed experimentally. The use of the invention in comparison with the known invention provides the following advantages:

- увеличение точности способа.- increasing the accuracy of the method.

- повышение стабильности интерферометра.- increasing the stability of the interferometer.

- упрощение конструкции оптической схемы измерения- simplification of the design of the optical measurement circuit

Источники информацииInformation sources

1. Bradley D.J., New G.H.C. Ultrashort Pulse Measurement. - Proceedings IEEE, v. 62, N3, 1974, p. 313-345.1. Bradley D.J., New G.H.C. Ultrashort Pulse Measurement. - Proceedings IEEE, v. 62, N3, 1974, p. 313-345.

2. K.W. DeLong, R. Trebino, J. Hunter, W.E. White «Frequency-resolved optical gating with the use of second-harmonic generation» // J. Opt. Soc. Am. B, 1994, v. 11, p. 2206.2. K.W. DeLong, R. Trebino, J. Hunter, W.E. White “Frequency-resolved optical gating with the use of second-harmonic generation” // J. Opt. Soc. Am. B, 1994, v. 11, p. 2206.

3. A. Masalov, S. Nikitin. Qiang Fu «SPRINT - technique for fs-pulse retrieval)) // Technical Digest, IQEC-2002, 2002, p. 448.3. A. Masalov, S. Nikitin. Qiang Fu “SPRINT - technique for fs-pulse retrieval)) // Technical Digest, IQEC-2002, 2002, p. 448.

4. Патент РФ на изобретение №2305259. Способ измерения временной зависимости поля ультракоротких световых импульсов (Оптическое осциллографирование). От 2006 г. Кл. G01J 11/00. А.В. Масалов, А.В. Чудновский.4. RF patent for the invention No. 2305259. A method of measuring the time dependence of the field of ultrashort light pulses (Optical oscillography). From 2006, Cl. G01J 11/00. A.V. Masalov, A.V. Chudnovsky.

Claims

1. A method for measuring the duration of a femtosecond laser pulse, including creating using an interferometer two copies of the studied femtosecond laser pulse, which are sent to a nonlinear crystal, providing simultaneous generation of second-harmonic radiation of one of the pulses and the total frequency radiation from both copies, and recording the intensity distribution that occurs upon interference of the second harmonic beam of the studied pulse and the total frequency beam, characterized in that the ratios e the intensity of the total frequency and second harmonic of two copies of the test femtosecond laser pulse to the intensity of the total frequency and second harmonic of two copies of a duration of 100 fs and the linear length of the studied femtosecond laser pulses is found by the calibration linear relationship of this ratio.

2. The method according to p. 1, characterized in that a nonlinear crystal is used, in which, in the presence of a three-photon ionization process, the energy of the forbidden zone (E _g ) exceeds the total energy of two photons (2hc / λ) of femtosecond laser pulses.

3. The method according to p. 1, characterized in that a concave spherical mirror is used as a femtosecond interferometer.