WO2021123481A1 - Método y sistema para la caracterización temporal y espectral de la amplitud y fase de pulsos láser ultracortos - Google Patents

Método y sistema para la caracterización temporal y espectral de la amplitud y fase de pulsos láser ultracortos Download PDF

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Iñigo Juan Sola Larrañaga
Benjamín ALONSO FERNÁNDEZ
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Universidad De Salamanca
Sphere Ultrafast Photonics, S.L.
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Definitions

  • This document relates to laser systems and laser pulse characterization methods and presents a method and system for the characterization of ultrashort laser pulses.
  • the first characterization techniques were based on pulse autocorrelation [5], obtained by scanning the time delay between two pulse replicas and measuring the power of a non-linear signal depending on the temporal overlap of both replicas. These methods give a rough idea of the characteristics of the pulse, but cannot reconstruct the actual pulse or provide its spectral phase.
  • the FROG technique [6] used a similar scheme, but acquiring the spectra of the non-linear signal, instead of the global power of the non-linear signal.
  • the so-called FROG spectrograms which consist of non-linear spectra that depend on the delay of the replicas, encode information on the spectral phase and, using reconstruction algorithms [7,8], it is possible to reconstruct the pulses.
  • the SPIDER technique [9] was invented using spectral interferometry, where both replicas remain with a fixed time delay and a spectral shift is introduced through a non-linear process. Therefore, the derivative of the spectral phase of the pulse is encoded in the spectral interference of both replicas and extracted by Fourier analysis.
  • Another evolution of the spectral interferometry strategy is self-referenced spectral interferometry (Wizzler) [10], where the reference pulse is cleared in time, obtaining a flat spectral phase.
  • Wizzler self-referenced spectral interferometry
  • MIIPS multiphoton intrapulse interference phase scan
  • the general idea is to introduce a known set of spectral phases into the test pulse and observe the second order harmonic generation (SHG) signal of the resulting pulse. Therefore, the unknown group delay dispersion (GDD) of the pulse can be extracted at a given wavelength by calculating the amount of GDD within the sweep range necessary to optimize the SHG signal at that wavelength. .
  • the d-scan technique [13] used the concept of spectral phase sweep with some practical modifications and introduced recovery algorithms [14-17] to reconstruct the spectral phase of the test pulse.
  • a related technique was proposed in [18], using an acoustic-optical programmable dispersive filter (AOPDF) for scanning the known spectral phase and an algorithm to reconstruct both the spectral amplitude and the phase of the pulse.
  • AOPDF acoustic-optical programmable dispersive filter
  • the non-linear spectrum will largely depend on its time evolution. Therefore, by scanning the relative amplitude between the two replicas, the spectrum of the non-linear signal can change, encoding information about the original input pulse.
  • the present invention describes a method and system for the temporal and spectral characterization of the amplitude and phase of ultrashort laser pulses.
  • Some reconstruction techniques e.g. autocorrelation, FROG
  • FROG autocorrelation
  • the creation of the replicas and the sweep of the time delay is carried out using an interferometer, which makes the configurations scan sensitive to noise, although several alternative and more compact configurations have been proposed [16-18].
  • SPIDER uses a fixed delay between replicas and techniques like MIIPS and d-scan do not use pulse replicas, being much more stable due to their online configuration.
  • the ultrashort pulse can be a scalar pulse with constant linear polarization or a vector pulse, with polarization evolving spectrally and temporally.
  • the time delay can be chosen in such a way that the at least two replicas overlap in time.
  • the resulting temporal evolution changes due to the interference of the ultrashort pulse in the time domain. If the resulting pulse subsequently generates a non-linear signal (for example, but without limited to, by second harmonic generation, SHG), the non-linear spectra will depend to a great extent on their temporal evolution.
  • the amplitude, the relative amplitude and the variation of the relative amplitude refer to the amplitude of one or more replicas, and where the variation can be in the module of the amplitude or in the module and phase of the complex amplitude.
  • the spectra of the non-linear signal can change, encoding information about the original input ultrashort pulse.
  • the measure of the non-linear spectra depending on the relative amplitude values of the at least two replicas is the signal trace of non-linear spectra.
  • An algorithm retrieves the temporal and spectral structure of the input pulse from said trace of the relative amplitudes of the replicas.
  • a method for the characterization of ultrashort laser pulses comprising:
  • a pulse manipulation step comprising the steps of: o creating at least two replicas of an input pulse to be characterized with a time delay between them, the at least two replicas being characterized by a relative amplitude; or vary the relative amplitude of the at least two replicas, which can be done in a uniform or non-uniform way, between a lower limit and an upper limit of a range, continuously or staggered throughout the range, to obtain a range of relative amplitudes, that is, the variation of the values of the relative amplitudes of the at least two replicates, between the at least two replicates;
  • non-linear stage comprising the step of: o applying a non-linear process to the at least two replicas, obtaining a non-linear signal for each value of relative amplitudes of the at least two replicas;
  • a detection stage comprising the steps of: o measuring and acquiring a spectrum of each non-linear signal, obtaining a two-dimensional trace;
  • stage of processing and reconstruction comprising the steps of: o recovering the amplitude and the temporal and spectral phase of the input pulse, applying an algorithm to the non-linear spectra of the two-dimensional signal.
  • the spectrum of the input pulse can be measured and acquired directly, to be used within the processing and reconstruction stage to calculate the spectral phase and the amplitude and time phase of the input pulse using said algorithm.
  • the linear spectrum of the at least two replicas as a function of their variable amplitudes can be measured and acquired, to be used within the processing and reconstruction stage to calculate the amplitude and the spectral and temporal phase of the input pulse using said algorithm.
  • the non-linear signal spectra generated by the at least two replicas have cut and / or hollow regions, and the processing and reconstruction step can still calculate the amplitude and the spectral and temporal phase of the input pulse.
  • the processing and reconstruction stage can still calculate the amplitude and spectral and temporal phase of the input pulse, with the possibility that the processing step includes a step for the calibration of said non-linear signal.
  • the non-linear process in the non-linear stage can comprise the second harmonic generation, the frequency sum generation, the frequency difference generation, the transverse second harmonic generation, the transverse frequency sum generation, the transverse generation of frequency difference, the optical Kerr effect and non-linear effects related to phase modulation, generation of cross polarization waves and / or generation of third and higher order harmonics, auto-diffraction or a combination thereof.
  • the non-linear process applied in the non-linear stage, and consequently the non-linear signal can comprise a non-linear effect that affects the fundamental spectra, the direction of the beam or the polarization of the pulse of the at least two replicas resulting from the amplitude variation, for example, but not limited to, second harmonic generation, frequency sum generation, frequency difference generation, the optical Kerr effect, self-modulation and cross phase modulation, cross-polarization wave generation, generation of third-order harmonics and higher orders, generation of auto-diffraction, or combinations of the same.
  • the non-linear signal can be detected superimposed with a remaining part of the input pulse or of the (linear) signal of the at least two replicas, in order to be used to calculate the absolute phase (envelope-carrier phase ) of the input pulse.
  • the present invention also comprises a system for the characterization of ultrashort pulses.
  • the system comprises the elements described below: means for creating at least two replicas of an input pulse, varying its relative amplitude and obtaining a range of relative amplitudes, a non-linear means, associated with the means for creating the at least two replicates, which obtains a non-linear signal for each relative amplitude, analysis means, associated with the non-linear medium, to measure and spectrally characterize the non-linear signal for each relative amplitude.
  • system may comprise one or more of the following elements:
  • a filter element placed between the non-linear medium and the analysis means, intended to filter the non-linear signal, and / or
  • the means for creating at least two replicas comprise one or more elements that, by rotation, vary the relative amplitudes between the at least two replicas of the pulse input and introduce the time delay between the at least two replicas, thus as the relative amplitude variation.
  • the means for creating at least two replicas also comprise a polarization element used to select the projection of the polarization in a given direction.
  • the means for creating at least two replicas comprise a birefringent element or a set of birefringent elements and a polarization element or set of polarization elements for the generation of the two replicas of the input pulse and the relative amplitude between them. it is achieved by rotating at least one of the referred birefringent elements.
  • the means for creating at least two replicas comprise an interferometer where the relative amplitudes between its arms are used to generate the two replicas of the pulse to be characterized and vary the relative amplitude between them.
  • the means for creating at least two replicas comprise a light modulator for the generation of the two replicas of the pulse to characterize and the relative amplitude between them is achieved by changing the modulator conditions.
  • the modulator device can be an acousto-optic programmable dispersive filter, a liquid crystal, an electrically, mechanically or optically controlled spatial light modulator, or another type of device.
  • the means for creating at least two replicas comprise a birefringent element or a set of birefringent elements that present a binrefringence as a function of at least one spatial coordinate, which is used to introduce the variation of the relative amplitudes encoded in different positions of said spatial coordinate.
  • the means for varying the relative amplitude between the at least two replicas may comprise one or more elements that can rotate or translate, introducing the time delay and the relative amplitude variance between the replicas, and selecting the polarization projection at a certain direction by means of a polarizing element.
  • the means for varying the relative amplitude between the at least two replicas may comprise a set of optical components, including one or more birefringent wedges, anisotropic elements, interferometers, acousto-optical modulators, liquid crystal devices, and optical elements.
  • the first optical element can comprise, among others, lenses, optical fibers, GRIN lenses, flat or curved mirrors, which are used to focus the at least two replicas in the non-linear medium to generate the non-linear signal.
  • the filtering element may comprise an optical element or a set of optical elements comprising, but not limited to, dichroic optical elements, spectral filters, space masks, linear polarizers, or polarizing cubes, and are used to separate the linear signal from the non-linear signal.
  • the second optical element may comprise, but is not limited to, lenses, optical fibers, GRIN lenses, or flat or curved mirrors, to collect the non-linear signal.
  • the analysis means may comprise spectrally resolved sensors including, among others, monochromators, spectrometers based on CCD or CMOS cameras or one-dimensional detectors, intended to acquire, analyze and record the spectra of the linear and / or non-linear signal.
  • the numerical analysis unit may comprise an electronic data processor configured to calculate the spectral phase of the input pulse, from the spectral amplitude of the non-linear signal measured for each of the relative amplitudes used between the replicas, and of the spectrum linear spectrum of the input pulse, the linear spectrum being measured directly from the input pulse or recovered from the measured non-linear signal.
  • the spectral phase of the pulse to be characterized is calculated by a numerical algorithm that includes, but is not limited to, an iterative algorithm to approximate the recovered spectral phase to the actual spectral phase of the input pulse in a number of iterations.
  • the algorithm comprises a numerical, analytical or numerical-analytical algorithm, which includes, but does not limit the scope of the invention, optimization, iterative optimization, non-linear optimization, least squares fit, genetic, evolutionary, learning algorithms machine, deep learning, or neural network, and projection-based algorithms, or combinations thereof.
  • the application of a numerical algorithm for the recovery of the spectral phase of the input pulse comprises parameterizing said spectral phase function, which includes, but is not limited to, a Taylor series expansion, a series expansion Fourier, direct discretization and interpolation of the phase or its derivatives, a set of base functions for a range of functions, or combinations of them.
  • Figure 1 Sample, simulated in row 1, and recovered in row 2, the trace of the spectra of the non-linear signal.
  • the different group delay spread (GDD) values of the input pulse are represented in the columns.
  • Figure 2. Shows, in row 1, the simulated spectrum (black), together with the simulated spectral phase (continuous dark gray) and the recovered spectral phase (discontinuous dark gray). In row 2 the intensity and temporal phase simulated (continuous dark gray) and recovered (discontinuous light gray). Different GDDs are represented in the columns.
  • Figure 3 Sample, simulated in row 1, and recovered in row 2, the trace of the spectra of the non-linear signal.
  • the different third-order spread (TOD) values of the input pulse are represented in the columns.
  • Figure 4. Shows, in row 1, the simulated spectrum (black), together with the simulated spectral phase (continuous dark gray) and the recovered spectral phase (discontinuous dark gray). In row 2 the simulated intensity (continuous dark gray) and recovered (discontinuous dark gray). Different TODs are represented in the columns.
  • Figure 5. Shows, in column 1, the spectra of the experimental non-linear signal; in column 2 the corresponding signal recovered by the algorithm.
  • the present description presents a method and a system for the reconstruction and temporal and spectral characterization of ultrashort laser pulses, which can be scalar pulses with constant linear polarization or vector pulses, with polarization depending on frequency and time.
  • the method comprises steps to create two replicas (21) of an input pulse (1) to be characterized, varying the relative amplitude of the two replicas (21) throughout a scan (either scanned or spatially encoded), in such a way continuous or step by step, creating in each case of said scan a non-linear signal (31), measuring the spectra of the non-linear signals (31) and recovering the spectral phase (and possibly the spectral amplitude) of the input pulse (1 ) and its complex amplitude in the time domain using a suitable algorithm.
  • a method for characterizing ultrashort laser pulses comprises:
  • a pulse manipulation stage comprising the steps of: o creating two replicas (21) of the input pulse (1) to be characterized, with a time delay between them, in which the two replicas (21) have an amplitude relative; or vary the relative amplitude of the two replicas (21) to obtain a range of relative amplitudes between the two replicas (21);
  • a non-linear stage comprising the steps of: or apply a non-linear process to the two replicas (21), obtaining a non-linear signal (31) for each value of relative amplitudes of the at least two replicas (21); a detection step, comprising the steps of: o measuring and acquiring the spectra of the non-linear signals (31), depending on the relative amplitude between the two replicas (21), obtaining a two-dimensional trace; or measure and acquire the spectral amplitude of the input pulse (1); a stage of processing and reconstruction, comprising the steps of: o calculating with an algorithm the spectral phase of the input pulse (1), applying the algorithm to the spectra of the non-linear signal (31); I calculate the temporal amplitude and the phase of the input pulse (1) to be characterized by applying, preferably, an inverse Fourier transform to the measured linear spectrum and to the recovered spectral phase.
  • the method may further comprise the step of superimposing the spectra of the non-linear signal (31) of the at least two replicas (21) with an intentionally unfiltered remnant part of the input pulse (1) or of the linear signal of the at least minus two replicas (21) and its use to calculate the absolute phase (envelope-carrier phase) of the input pulse (1).
  • the present invention also comprises a system, shown in Figure 6, for the characterization of ultrashort laser pulses.
  • the system comprises the elements described below:
  • non-linear means (3) associated with the means to create at least two replicas (2), which obtains a non-linear signal (31) for each relative amplitude of the at least two resulting replicas (21),
  • a first optical element (6) placed between the means (2) to create at least two replicas (21) and the non-linear medium (3), intended to focus the at least two resulting replicas on the non-linear medium (3 ),
  • a filtering element (7) placed between the non-linear medium (3) and the analysis means (4), intended to filter the non-linear signal (31), a second optical element (8), placed between the filtering element (7) and the analysis means (4), intended to focus the filtered non-linear signal (31) on the analysis means (4), an analysis unit numerical (5), associated with the analysis means (4), to calculate the spectral phase, and additional analysis means (9), associated with the input pulse (1) and the numerical analysis unit (5), intended to measure the spectral amplitude of the input pulse (1).
  • a first embodiment of the invention consists of: the means (2) for creating two replicas (21) comprising a rotating retarding sheet and a linear polarizer, the first optical element (6) comprising focusing optics, the middle non-linear (3), which is a second harmonic generation material, the filtering element (7) comprising optics to separate the fundamental radiation from the non-linear, and the analysis means (4) and the additional analysis means (9).
  • the angle represents the orientation of the fast axis of the retarder sheet.
  • the input pulse (1) is linearly polarized on the x-axis, while the linear polarizer on the x-axis is placed after the retarder sheet and before the second harmonic generating material.
  • figure 2 presents the comparison between the simulated and recovered pulses in each of the cases of the GDD of figure 1: (row 1) simulated spectrum (black) and simulated spectral phase (dark gray) and recovered (light gray); (row 2) intensity and time phase simulated (dark gray) and recovered (light gray).
  • figure 4 presents the comparison between the simulations and the pulses recovered in each of the TOD cases in figure 3: (row 1) simulated spectrum (black) and simulated spectral phase (dark gray) and recovered (light gray); (row 2) Simulated (dark gray) and recovered (light gray) temporal intensity.
  • the agreement between simulations and reconstructions is good.

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Abstract

El método comprende crear al menos dos réplicas (21) de un pulso de entrada (1) a caracterizar, variando la amplitud relativa de las dos réplicas (21) dentro de un rango, creando una señal no lineal (31) en cada caso de dicha variación de amplitud, midiendo los espectros de las señales no lineales (31) y recuperando la amplitud espectral y la fase del pulso de entrada (1) mediante un algoritmo adecuado. El sistema comprende medios (2) para crear al menos dos réplicas (21) del pulso de entrada (1) y variar su amplitud relativa dentro de un rango de amplitudes relativas, un medio no lineal (3), que obtiene una señal no lineal (31) para cada amplitud relativa, y medios de análisis (4), para medir y caracterizar espectralmente cada señal no lineal (31).

Description

MÉTODO Y SISTEMA PARA LA CARACTERIZACIÓN TEMPORAL Y ESPECTRAL
DE LA AMPLITUD Y FASE DE PULSOS LÁSER ULTRACORTOS
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El presente documento se refiere a sistemas láser y métodos de caracterización de pulsos láser y presenta un método y sistema para la caracterización de pulsos láser ultracortos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El surgimiento de la óptica ultrarrápida y el aumento de sus aplicaciones van en paralelo a la necesidad de caracterizar pulsos láser ultracortos [1]. A medida que estos se vuelven cada vez más complejos y cortos (hasta el extremo del régimen de ciclo único [2,3] o incluso más cortos [4]), las medidas de los pulsos son cada vez más exigentes.
Las primeras técnicas de caracterización se basaron en la autocorrelación del pulso [5], obtenida al escanear el retardo temporal entre dos réplicas de pulso y la medida de la potencia de una señal no lineal dependiendo de la superposición temporal de ambas réplicas. Estos métodos dan una idea aproximada de las características del pulso, pero no pueden reconstruir el pulso real ni proporcionar su fase espectral.
Más tarde, la técnica FROG [6] utilizó un esquema similar, pero adquiriendo los espectros de la señal no lineal, en lugar de la potencia global de la señal no lineal. Los llamados espectrogramas FROG, que consisten en espectros no lineales que dependen del retardo de las réplicas, codifican información de la fase espectral y, mediante algoritmos de reconstrucción [7,8], se logra reconstruir los pulsos.
Algunos años más tarde, se inventó la técnica SPIDER [9] utilizando interferometría espectral, donde ambas réplicas permanecen con un retardo temporal fijo y se introduce un desplazamiento espectral por medio de un proceso no lineal. Por lo tanto, se codifica la derivada de la fase espectral del pulso en la interferencia espectral de ambas réplicas y se extrae mediante análisis de Fourier. Otra evolución de la estrategia de interferometría espectral es la interferometría espectral autorreferenciada (Wizzler) [10], donde el pulso de referencia se limpia en el tiempo, obteniendo una fase espectral plana. En 2004 se presentó una estrategia diferente con la caracterización del pulso mediante escaneo de fase, el llamado escaneo multifotónico de la fase de interferencia entre pulsos o multiphoton intrapulse interference phase scan (MIIPS) [11 , 12]. La idea general consiste en introducir un conjunto conocido de fases espectrales en el pulso de prueba y observar la señal de generación de armónico de segundo orden (SHG) del pulso resultante. Por lo tanto, la dispersión de retardo de grupo o group delay dispersión (GDD) desconocida del pulso se puede extraer a una longitud de onda dada calculando la cantidad de GDD dentro del rango de barrido necesario para optimizar la señal SHG a esa longitud de onda.
Más tarde, la técnica d-scan [13] utilizó el concepto de barrido de fase espectral con algunas modificaciones prácticas e introdujo algoritmos de recuperación [14-17] para reconstruir la fase espectral del pulso de prueba. Se propuso una técnica relacionada en [18], utilizando un filtro dispersivo programable acústico-óptico (AOPDF) para el escaneo de la fase espectral conocida y un algoritmo para reconstruir tanto la amplitud espectral como la fase del pulso.
En general, la parte principal de la caracterización temporal del pulso opera en condiciones de estabilidad de laboratorio. Un desafío importante hoy en día es implementar configuraciones de caracterización lo suficientemente robustas y simples para trabajar en condiciones menos controladas.
Por lo tanto, uno de los objetivos principales del presente trabajo es estudiar la idea y la implementación de sistemas de reconstrucción capaces de afrontar esas demandas. Por otro lado, para diseñar un sistema de caracterización, es necesario tener en cuenta los rangos de duración temporal y la longitud de onda central del pulso para reconstruir, ya que son condicionantes importantes para la implementación del sistema. Aquí, nuestro objetivo era desarrollar un sistema simple y robusto para la caracterización del pulso, presentando una configuración en línea, pudiendo adaptarse fácilmente a una amplia gama de duraciones de pulso. Aquí presentamos un enfoque diferente para la reconstrucción del pulso utilizando réplicas retrasadas y variando la amplitud relativa entre ellas. El retardo temporal se puede elegir de tal manera que las dos réplicas se superpongan en el tiempo. Al variar la amplitud relativa entre ellos, la evolución temporal resultante cambia debido a la interferencia del pulso en el dominio temporal.
Si posteriormente el pulso resultante genera una señal no lineal (por ejemplo, pero sin limitarse a ella, por segunda generación armónico, SHG), el espectro no lineal dependerá en gran medida de su evolución temporal. Por lo tanto, al escanear la amplitud relativa entre las dos réplicas, el espectro de la señal no lineal puede cambiar, codificando información sobre el pulso de entrada original. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un método y sistema para la caracterización temporal y espectral de la amplitud y fase de pulsos láser ultracortos. Algunas técnicas de reconstrucción (p. ej., autocorrelación, FROG) consisten en un barrido del retraso temporal de dos réplicas con amplitud constante (se puede hacer en configuraciones colineales o no colineales) de un pulso de entrada original, y la generación, en cada retraso temporal, de una señal no lineal dada de la interacción, con un medio no lineal, de la distribución de la superposición de amplitud temporal resultante.
Por lo general, la creación de las réplicas y el barrido del retardo temporal se realiza utilizando un interferómetro, lo que hace que las configuraciones scan sensibles al ruido, aunque se han propuesto varias configuraciones alternativas y más compactas [16-18], La técnica SPIDER, por otro lado, utiliza un retraso fijo entre las réplicas y las técnicas como MIIPS y d-scan no utilizan réplicas del pulso, siendo mucho más estables debido a su configuración en línea.
En la presente invención, se describe una técnica diferente para la reconstrucción del pulso. Mediante el uso de al menos dos réplicas de un pulso ultracorto, desplazadas un retardo temporal dado y variando la amplitud relativa entre ellos. El pulso ultracorto puede ser un pulso escalar con polarización lineal constante o un pulso vectorial, con polarización evolucionando espectral y temporal.
El retraso temporal se puede elegir de tal manera que las al menos dos réplicas se superpongan en el tiempo. Al variar la amplitud relativa entre ellas, la evolución temporal resultante cambia debido a la interferencia del pulso ultracorto en el dominio del tiempo. Si posteriormente el pulso resultante genera una señal no lineal (por ejemplo, pero sin limitarse a, por generación de segundo armónico, SHG), los espectros no lineales dependerán en gran medida de su evolución temporal.
La amplitud, la amplitud relativa y la variación de la amplitud relativa se refieren a la amplitud de una o más réplicas, y donde la variación puede estar en el módulo de la amplitud o en el módulo y fase de la amplitud compleja.
Por lo tanto, al escanear el balance de la amplitud entre al menos dos réplicas, los espectros de la señal no lineal pueden cambiar, codificando información sobre el pulso ultracorto de entrada original. La medida de los espectros no lineales dependiendo de los valores de amplitud relativa de las al menos dos réplicas es la traza de la señal de espectros no lineales. Un algoritmo recupera la estructura temporal y espectral del pulso de entrada a partir de dicha traza de las amplitudes relativas de las réplicas.
Se da a conocer un método para la caracterización de pulsos láser ultracortos, comprendiendo el método:
- una etapa de manipulación del pulso, que comprende los pasos de: o crear al menos dos réplicas de un pulso de entrada a caracterizar con un retraso temporal entre ellas, estando las al menos dos réplicas caracterizadas por una amplitud relativa; o variar la amplitud relativa de las al menos dos réplicas, lo cual se puede hacer de manera uniforme o no uniforme, entre un límite inferior y un límite superior de un rango, de manera continua o escalonada a lo largo del rango, para obtener un rango de amplitudes relativas, es decir, la variación de los valores de las amplitudes relativas de las al menos dos réplicas, entre las al menos dos réplicas;
- una etapa no lineal, que comprende el paso de: o aplicar un proceso no lineal a las al menos dos réplicas, obteniendo una señal no lineal para cada valor de amplitudes relativas de las al menos dos réplicas;
- una etapa de detección, que comprende los pasos de: o medir y adquirir un espectro de cada señal no lineal, obteniendo una traza bidimensional;
- una etapa de procesamiento y reconstrucción, que comprende los pasos de: o recuperar la amplitud y la fase temporal y espectral del pulso de entrada, aplicando un algoritmo a los espectros no lineales de la señal bidimensional. El espectro del pulso de entrada puede medirse y adquirirse directamente, para usarse dentro de la etapa de procesamiento y reconstrucción para calcular la fase espectral y la amplitud y fase temporal del pulso de entrada usando dicho algoritmo.
El espectro lineal de las al menos dos réplicas en función de sus amplitudes variables puede medirse y adquirirse, para usarse dentro de la etapa de procesamiento y reconstrucción para calcular la amplitud y la fase espectral y temporal del pulso de entrada usando dicho algoritmo.
La secuencia particular de los pasos mostrados aquí tiene solo un propósito ilustrativo. Por lo tanto, podría modificarse sin apartarse de la divulgación. En consecuencia, a menos que se indique lo contrario, los pasos descritos están por tanto desordenados, lo que significa que, cuando sea posible, los pasos se pueden realizar en cualquier orden conveniente o deseable de manera que se logre el mismo objetivo.
Es posible que los espectros de la señal no lineal generados por las al menos dos réplicas presenten regiones cortadas y/o huecas, y la etapa de procesamiento y reconstrucción aun así puede calcular la amplitud y la fase espectral y temporal del pulso de entrada.
Es posible que los espectros de la señal no lineal generados por las al menos dos réplicas no estén calibrados, y la etapa de procesamiento y reconstrucción aun así puede calcular la amplitud y fase espectral y temporal del pulso de entrada, con la posibilidad de que la etapa de procesamiento incluya un paso para la calibración de dicha señal no lineal.
El proceso no lineal en la etapa no lineal puede comprender la generación de segundo armónico, la generación de suma de frecuencias, la generación de diferencia de frecuencias, la generación de segundo armónico transversal, la generación transversal de suma de frecuencias, la generación transversal de diferencia de frecuencias, el efecto Kerr óptico y efectos no lineales relacionados con modulación de fase, generación de ondas de polarización cruzada y/o generación de armónicos de tercer orden y órdenes superiores, auto-difracción o una combinación de los mismos.
El proceso no lineal aplicado en la etapa no lineal, y por consiguiente la señal no lineal, pueden comprender un efecto no lineal que afecta a los espectros fundamentales, la dirección del haz o la polarización del pulso de las al menos dos réplicas resultantes de la variación de la amplitud, por ejemplo, pero no limitado a, generación de segundo armónico, generación de suma de frecuencias, generación de diferencia de frecuencias, el efecto Kerr óptico, automoduladón y modulación cruzada de fase, generación de onda de polarización cruzada, generación de armónicos de tercer orden y órdenes superiores, generación de auto-difracción, o combinaciones de los mismos.
En el método, la señal no lineal se puede detectar superpuesta con una parte restante del pulso de entrada o de la señal (lineal) de las al menos dos réplicas, con el fin de ser utilizada para calcular la fase absoluta (fase envolvente-portadora) del pulso de entrada. La presente Invención también comprende un sistema para la caracterización de pulsos ultracortos. El sistema comprende los elementos que se describen a continuación: medios para crear al menos dos réplicas de un pulso de entrada, variando su amplitud relativa y obteniendo un rango de amplitudes relativas, un medio no lineal, asociado a los medios para la creación de las al menos dos réplicas, que obtiene una señal no lineal para cada amplitud relativa, medios de análisis, asociados al medio no lineal, para medir y caracterizar espectralmente la señal no lineal para cada amplitud relativa.
Además, el sistema puede comprender uno o más de los siguientes elementos:
- un primer elemento óptico, colocado entre los medios para crear las al menos dos réplicas y el medio no lineal, destinado a enfocar las al menos dos réplicas en el medio no lineal, y/o
- un elemento de filtrado colocado entre el medio no lineal y los medios de análisis, destinado a filtrar la señal no lineal, y/o
- un segundo elemento óptico, colocado entre el medio no lineal y los medios de análisis, o entre el elemento de filtrado y los medios de análisis, destinado a enfocar y recoger la señal no lineal o la señal no lineal filtrada, respectivamente, y/o
- una unidad de análisis numérico, asociada a los medios de análisis, para calcular la amplitud y fase espectral y temporal del pulso de entrada, y/o
- medios de análisis adicionales, asociados al pulso de entrada y a la unidad de análisis numérico, destinados a medir la amplitud espectral del pulso de entrada, y/o medios de análisis adicionales, asociados a los medios para crear al menos dos réplicas del pulso de entrada y a la unidad de análisis numérico, destinados a medir el espectro lineal de las al menos dos réplicas. En una realización, los medios para crear al menos dos réplicas comprenden uno o más elementos que, mediante rotación, varían las amplitudes relativas entre las al menos dos réplicas de la entrada de pulsos e introducen el retardo temporal entre las al menos dos réplicas, así como la variación de amplitud relativa. Los medios para la creación de al menos dos réplicas también comprenden un elemento de polarización utilizado para seleccionar la proyección de la polarización en una dirección dada.
En una realización, los medios para crear al menos dos réplicas comprenden un elemento birrefringente o un conjunto de elementos birrefringentes y un elemento de polarización o conjunto de elementos de polarización para la generación de las dos réplicas del pulso de entrada y la amplitud relativa entre ellas se logra mediante la rotación de al menos uno de los elementos birrefringentes referidos.
En una realización, los medios para crear al menos dos réplicas comprenden un interferómetro donde las amplitudes relativas entre sus brazos se utilizan para la generación de las dos réplicas del pulso a caracterizar y variar la amplitud relativa entre ellos.
En una realización, los medios para crear al menos dos réplicas comprenden un modulador de luz para la generación de las dos réplicas del pulso para caracterizar y la amplitud relativa entre ellos se consigue cambiando las condiciones del modulador. El dispositivo modulador puede ser un filtro dispersivo programadle acusto-óptico, un cristal líquido, un modulador espacial de luz controlado eléctricamente, mecánicamente u ópticamente, u otro tipo de dispositivo.
En una realización, los medios para crear al menos dos réplicas comprenden un elemento birrefringente o un conjunto de elementos birrefringentes que presentan una binrefringencia en función de al menos una coordenada espacial, lo cual se utiliza para introducir la variación de las amplitudes relativas codificada en diferentes posiciones de dicha coordenada espacial.
En una realización, los medios para variar la amplitud relativa entre las al menos dos réplicas pueden comprender uno o más elementos que pueden rotar o trasladarse, introduciendo el retraso temporal y la variación de amplitud relativa entre las réplicas, y seleccionando la proyección de polarización en una determinada dirección por medio de un elemento polarizador. En una realización, los medios para variar la amplitud relativa entre las al menos dos réplicas pueden comprender un conjunto de componentes ópticos, que incluyen una o más cuñas birrefringentes, elementos anisotrópicos, interferómetros, moduladores acusto- ópticos, dispositivos de cristal líquido y elementos de polarización, que introducen el retardo temporal y la variación de la amplitud relativa entre dichas réplicas con respecto a una coordenada espacial, siendo compatible con la medida y caracterización espectral de la señal no lineal para cada amplitud relativa en una sola adquisición (con un solo disparo láser o con un promedio de múltiples tiros). El primer elemento óptico puede comprender, entre otros, lentes, fibras ópticas, lentes GRIN, espejos planos o curvos, que se utilizan para enfocar las al menos dos réplicas en el medio no lineal para generar la señal no lineal.
El elemento de filtrado puede comprender un elemento óptico o un conjunto de elementos ópticos que comprenden, pero no se limitan a, elementos ópticos dicroicos, filtros espectrales, máscaras espaciales, polarizadores lineales o cubos polarizadores, y se utilizan para separar la señal lineal de la señal no lineal.
El segundo elemento óptico puede comprender, pero sin limitarse a, lentes, fibras ópticas, lentes GRIN, o espejos planos o curvados, para recoger la señal no lineal.
Los medios de análisis pueden comprender sensores resueltos espectralmente que incluyen, entre otros, monocromadores, espectrómetros basados en cámaras CCD o CMOS o detectores unidimensionales, destinados a adquirir, analizar y registrar los espectros de la señal lineal y/o no lineal.
La unidad de análisis numérico puede comprender un procesador electrónico de datos configurado para calcular la fase espectral del pulso de entrada, a partir de la amplitud espectral de la señal no lineal medida para cada una de las amplitudes relativas utilizadas entre las réplicas, y del espectro lineal del pulso de entrada, siendo el espectro lineal medido directamente del pulso de entrada o recuperado de la señal no lineal medida.
En una realización, la fase espectral del pulso a caracterizar se calcula mediante un algoritmo numérico que incluye, pero no se limita a, un algoritmo iterativo para aproximar la fase espectral recuperada a la fase espectral real del pulso de entrada en un número de iteraciones. En una realización, el algoritmo comprende un algoritmo numérico, analítico o numérico- analítico, que incluye, pero no limita el alcance de la invención, optimización, optimización iterativa, optimización no lineal, ajuste por mínimos cuadrados, algoritmos genéticos, evolutivos, de aprendizaje automático, de aprendizaje profundo o de redes neuronales, y algoritmos basados en proyecciones, o combinaciones de los mismos.
En una realización, la aplicación de un algoritmo numérico para la recuperación de la fase espectral del pulso de entrada comprende parametrizar dicha función de fase espectral, lo que incluye, pero no se limita a, una expansión en serie de Taylor, una expansión en serie de Fourier, discretización directa e interpolación de la fase o sus derivadas, un conjunto de fundones base para un espado de fundones, o combinadones de ellas.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripdón que se está realizando y para ayudar a una mejor comprensión de las caracteristicas de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferido de realizadón práctica de la misma, se adjunta una serie de dibujos como parte integral de dicha descripdón en la que, con y carácter no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra, simulada en la fila 1 , y recuperada en la fila 2, la traza de los espectros de la señal no lineal. Los diferentes valores de dispersión de retardo de grupo (GDD) del pulso de entrada se representan en las columnas.
Figura 2.- Muestra, en la fila 1 el espectro simulado (negro), junto con la fase espectral simulada (gris oscuro continua) y la fase espectral recuperada (gris daro discontinua). En la fila 2 la intensidad y fase temporales simuladas (gris oscuro continua) y recuperadas (gris claro discontinua). Se representan diferentes GDD en las columnas.
Figura 3.- Muestra, simulada en la fila 1 , y recuperada en la fila 2, la traza de los espectros de la señal no lineal. Los diferentes valores de dispersión de tercer orden (TOD) del pulso de entrada se representan en las columnas.
Figura 4.- Muestra, en la fila 1, el espectro simulado (negro), junto con la fase espectral simulada (gris oscuro continua) y la fase espectral recuperada (gris daro discontinua). En la fila 2 la intensidad simulada (gris oscuro continua) y recuperada (gris daro discontinua). Se representan diferentes TOD en las columnas. Figura 5.- Muestra, en la columna 1, los espectros de la señal no lineal experimental; en la columna 2 la correspondiente señal recuperada por el algoritmo. Las fases espectrales recuperadas (columna 3, curva gris claro continua) y las intensidades del pulso en el dominio temporal (columna 4, curva gris claro continua) obtenidos con el presente método se comparan con la correspondiente espectral recuperado (columna 3, curva gris oscuro discontinua) y las intensidades del pulso en el dominio temporal (columna 4, curva gris oscuro discontinua) obtenidas a partir del d-scan auto-calibrado. Las filas A-D corresponden a diferentes casos de compresión del pulso. Figura 6.- Muestra un esquema simplificado del sistema.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente descripción presenta un método y un sistema para la reconstrucción y caracterización temporal y espectral de pulsos láser ultracortos, que pueden ser pulsos escalares con una polarización lineal constante o pulsos vectoriales, con polarización dependiendo de la frecuencia y del tiempo.
El método comprende pasos para crear dos réplicas (21) de un pulso de entrada (1) a caracterizar, variando la amplitud relativa de las dos réplicas (21) a lo largo de un escaneo (ya sea escaneo o codificado espacialmente), de forma continua o paso a paso, creando en cada caso de dicho escaneo una señal no lineal (31), midiendo los espectros de las señales no lineales (31) y recuperando la fase espectral (y posiblemente la amplitud espectral) del pulso de entrada (1) y su amplitud compleja en el dominio del tiempo mediante un algoritmo adecuado.
Específicamente, se describe un método para caracterizar pulsos láser ultracortos, el método comprende:
- una etapa de manipulación del pulso, que comprende los pasos de: o crear dos réplicas (21) del pulso de entrada (1) a caracterizar, con un retraso temporal entre ellas, en el que las dos réplicas (21) tienen una amplitud relativa; o variar la amplitud relativa de las dos réplicas (21) para obtener un rango de amplitudes relativas entre las dos réplicas (21);
- una etapa no lineal, que comprende los pasos de: o aplicar un proceso no lineal a las dos réplicas (21), obteniendo una señal no lineal (31) para cada valor de amplitudes relativas de las al menos dos réplicas (21); una etapa de detección, que comprende los pasos de: o medir y adquirir los espectros de las señales no lineales (31), dependiendo de la amplitud relativa entre las dos réplicas (21), obteniendo una traza bidimensional; o medir y adquirir la amplitud espectral del pulso de entrada (1); una etapa de procesamiento y reconstrucción, que comprende los pasos de: o calcular con un algoritmo la fase espectral del pulso de entrada (1), aplicando el algoritmo a los espectros de la señal no lineal (31); y o calcular la amplitud temporal y la fase del pulso de entrada (1 ) a caracterizar aplicando, preferiblemente, una transformada de Fourier inversa al espectro lineal medido y a la fase espectral recuperada.
El método puede comprender además el paso de superponer los espectros de la señal no lineal (31) de las al menos dos réplicas (21) con una parte remanente intencionalmente no filtrada del pulso de entrada (1) o de la señal lineal de las al menos dos réplicas (21) y su uso para calcular la fase absoluta (fase envolvente- portadora) del pulso de entrada (1).
La presente invención también comprende un sistema, mostrado en la figura 6, para la caracterización de pulsos láser ultracortos. El sistema comprende los elementos que se describen a continuación:
- medios para crear al menos dos réplicas (2) de un pulso de entrada (1) y variar su amplitud relativa, obteniendo al menos dos réplicas resultantes (21),
- un medio no lineal (3), asociado a los medios para crear al menos dos réplicas (2), que obtiene una señal no lineal (31) para cada amplitud relativa de las al menos dos réplicas resultantes (21),
- un primer elemento óptico (6), colocado entre los medios (2) para crear al menos dos réplicas (21) y el medio no lineal (3), destinado a enfocar las al menos dos réplicas resultantes en el medio no lineal (3),
- medios de análisis (4), asociados al medio no lineal (3), para medir y caracterizar espectralmente la señal no lineal (31) para cada pulso resultante,
- un elemento de filtrado (7) colocado entre el medio no lineal (3) y los medios de análisis (4), destinado a filtrar la señal no lineal (31), un segundo elemento óptico (8), colocado entre el elemento de filtrado (7) y los medios de análisis (4), destinado a enfocar la señal no lineal filtrada (31) en los medios de análisis (4), una unidad de análisis numérico (5), asociada a los medios de análisis (4), para calcular la fase espectral, y medios de análisis adicionales (9), asociados al pulso de entrada (1) y a la unidad de análisis numérico (5), destinados a medir la amplitud espectral del pulso de entrada (1). Como ejemplo, una primera realización de la invención consiste en: los medios (2) para crear dos réplicas (21) que comprenden una lámina retardadora giratoria y un polarizador lineal, el primer elemento óptico (6) que comprende óptica de focalización, el medio no lineal (3), que es un material de generación de segundo armónico, el elemento de filtrado (7) que comprende óptica para separar la radiación fundamental de la no lineal, y los medios de análisis (4) y los medios de análisis adicionales (9).
Sobre la base de dicha primera forma de realización, la figura 1 muestra los espectros de la señal no lineal (31) correspondientes al pulso de entrada (1) simulados (fila 1) y recuperados (fila 2), el cual tiene una duración de 100 fe (en condición de límite de Fourier) de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) con longitud de onda central de 800 nm, considerando diferentes GDD representadas en las columnas, GDD = -40000 fs2, 5000 fs2, 0 fs2, +5000 fs2, +40000 fs2, respectivamente. El ángulo representa la orientación del eje rápido de la lámina retardadora. El pulso de entrada (1) está linealmente polarizado en el eje x, mientras que el polarizador lineal en el eje x se coloca después de la lámina retardadora y antes del material de generación de segundo armónico.
Después de aplicar el algoritmo, la figura 2 presenta la comparación entre los pulsos simulados y recuperados en cada uno de los casos de la GDD de la figura 1: (fila 1) espectro simulado (negro) y fase espectral simulada (gris oscuro) y recuperada (gris claro); (fila 2) intensidad y fase temporal simulada (gris oscuro) y recuperada (gris claro). Los diferentes valores de GDD del pulso de entrada se representan en las columnas, GDD = -40000 fs2 , 5000 fs2 , 0 fs2 , +5000 fs2, +40000 fs2 , respectivamente. El acuerdo entre simulaciones y reconstrucciones es bueno. En otro ejemplo, usando la primera realización de la invención, la figura 3 muestra los espectros de la señal no lineal (31) correspondientes al pulso de entrada (1) simulados (fila 1) y recuperados (fila 2), el cual tiene una duración de 100 fs (en condición de límite de Fourier) de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) con longitud de onda central de 800 nm, considerando diferentes TOD representadas en las columnas, TOD = -4000000 fs3, -1000000 fs3, 0 fs3, +1000000 fs3, +4000000 fs3, respectivamente.
Después de aplicar el algoritmo, la figura 4 presenta la comparación entre las simulaciones y los pulsos recuperados en cada uno de los casos de TOD de la figura 3: (fila 1) espectro simulado (negro) y fase espectral simulada (gris oscuro) y recuperada (gris claro); (fila 2) Intensidad temporal simulada (gris oscuro) y recuperada (gris claro). Los diferentes valores de TOD del pulso a caracterizar se representan en las columnas, TOD = -4000000 fs3, - 1000000 fs3, 0 fs3, +1000000 fs3, +4000000 fs3, respectivamente. El acuerdo entre simulaciones y reconstrucciones es bueno.
Como otro ejemplo, mostramos una comparación experimental que se muestra en la figura 5, entre el presente método y la técnica d-scan en su versión autocalibrada [16,19]: (columna 1) trazas experimentales de los espectros de la señal no lineal; (columna 2) correspondientes trazas reconstruidas. Las fases espectrales recuperadas (columna 3, curva gris clara) y las Intensidades recuperadas del pulso en el dominio temporal (columna 4, curva gris clara) se comparan con las correspondientes fases espectrales recuperadas (columna 3, curva gris oscura) y y las Intensidades recuperadas del pulso en el dominio temporal (columna 4, curva gris oscura) por medio del d-scan autocalibrado. Las filas A-D corresponden a diferentes casos de compresión de pulso. El acuerdo entre ambas técnicas es bueno, validando los resultados.
Las siguientes referencias deben considerarse Incluidas en este documento en su totalidad:
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18. V. Loriot, G. Gitzinger, N. Forget, "Self-referenced characterization of femtosecond laser pulses by chirp scan," Opt. Express 21, 24879 (2013).
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Claims

REIVINDICACIONES
1 Un método para la caracterización temporal y espectral de la amplitud y fase de pulsos láser ultracortos, que comprende:
- una etapa de manipulación del pulso, que comprende los pasos de: o crear al menos dos réplicas (21) de un pulso de entrada (1) a caracterizar, con un retraso temporal entre ellas, teniendo las al menos dos réplicas (21) una amplitud relativa; o variar la amplitud relativa de las al menos dos réplicas (21), entre un límite inferior y un límite superior, para obtener un rango de amplitudes relativas de las al menos dos réplicas (21);
- una etapa no lineal, que comprende los pasos de: o aplicar un proceso no lineal a las al menos dos réplicas (21), obteniendo una señal no lineal (31) para cada valor de las amplitudes relativas de las al menos dos réplicas (21);
- una etapa de detección, que comprende los pasos de: o medir y adquirir un espectro de cada señal no lineal (31), obteniendo una traza bidimensional;
- una etapa de procesamiento y reconstrucción, que comprende los pasos de: o recuperar la amplitud y la fase temporal y espectral del pulso de entrada (1), aplicando un algoritmo al espectro de la señal no lineal (31) bidimensional.
2.- El método de la reivindicación 1, que adicionalmente comprende el paso de medir y adquirir el espectro (amplitud) del pulso de entrada (1) para ser usado en la etapa de procesamiento y reconstrucción.
3.- El método de la reivindicación 1, en el que la variación de la amplitud relativa de las al menos dos réplicas (21) puede estar en el módulo de la amplitud o en el módulo y fase de la amplitud compleja.
4.- El método de la reivindicación 1, que además comprende el paso de superponer los espectros de la señal no lineal (31) de las al menos dos réplicas (21) con una parte remanente intencionalmente no filtrada del pulso de entrada (1) o de la señal lineal de las al menos dos réplicas (21), y su uso para calcular la fase absoluta (fase envolvente- portadora) del pulso de entrada (1).
5.- El método de la reivindicación 1, en el que se mide el espectro lineal de las al menos dos réplicas (21) en función de sus amplitudes variables, para ser utilizado en la etapa de procesamiento y reconstrucción.
6.- Un sistema para la caracterización de pulsos ultracortos, que utiliza el método de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:
- medios (2) para crear al menos dos réplicas (21) de un pulso de entrada (1), variando su amplitud relativa y obteniendo un rango de amplitudes relativas, un medio no lineal (3), asociado a los medios (2) para crear las al menos dos réplicas (21), que obtiene una señal no lineal (31) para cada amplitud relativa de las al menos dos réplicas (21), y medios de análisis (4), asociados al medio no lineal (3), para medir y caracterizar espectralmente cada señal no lineal (31).
7.- El sistema de la reivindicación 6, que además comprende un primer elemento óptico (6), colocado entre los medios (2) para crear al menos dos réplicas (21) y el medio no lineal
(3).
8.- El sistema de la reivindicación 6, que comprende adicionalmente un elemento de filtrado (7) colocado entre el medio no lineal (3) y los medios de análisis (4).
9.- El sistema de la reivindicación 6, que comprende adicionalmente un segundo elemento óptico (8), colocado entre el medio no lineal (3) y los medios de análisis (4).
10.- El sistema de la reivindicación 6, que además comprende una unidad de análisis numérico (5) con un procesador electrónico de datos, asociado a los medios de análisis (4), destinado a calcular la amplitud y fase espectral y temporal del pulso de entrada (1).
11.- El sistema de la reivindicación 6, que comprende además medios de análisis adicionales (9), asociados al pulso de entrada (1) y a la unidad de análisis numérico (5), destinados a medir la amplitud espectral del pulso de entrada (1).
12.- El sistema de la reivindicación 6, que comprende además medios de análisis adicionales (9), asociados a los medios (2) para crear las al menos dos réplicas (21) del pulso de entrada (1) y a la unidad de análisis numérico (5), destinado a medir el espectro de las dos o más réplicas (21) en función de las amplitudes relativas variables.
13.- El sistema de la reivindicación 6, en el que los medios (2) para crear las al menos dos réplicas (21) comprenden un elemento birrefringente móvil, un conjunto de elementos anisótropos y un elemento polarizador o conjunto de elementos polarizadores.
14.- El sistema de la reivindicación 6, en el que los medios (2) para crear las al menos dos réplicas (21) comprenden un conjunto estático de componentes ópticos, como cuñas birrefringentes, elementos anisótropos y elementos polarizadores, destinados a introducir la variación de la amplitud relativa entre las al menos dos réplicas (21) con respecto a una coordenada espacial, siendo compatible con los medios de análisis (4) que operan en una sola adquisición (con un solo disparo láser o un promedio de múltiples disparos).
15.- El sistema de la reivindicación 6, en el que los medios (2) para crear las al menos dos réplicas (21) comprenden un interferómetro o un dispositivo acusto-óptico.
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