Методы измерения ширины лазерного импульса

Длительность импульса является важным параметром импульсного лазера, а результат измерения – важным фактором, влияющим на энергию единичного импульса.  Она измеряется как временной интервал между точками, в которых мгновенная мощность составляет половину от пикового значения (полная ширина на полувысоте максимума (ПШПМ или FWHM).

Этот параметр критически важно учитывать для множества применений: от высокоточной обработки материалов и хирургии, где используются нано- и пикосекундные импульсы, до фундаментальных научных исследований в области сверхбыстрых процессов, требующих фемтосекундных импульсов. Точное измерение и контроль длительности импульса напрямую влияют на эффективность, точность и результат технологического процесса или научного эксперимента.

Поскольку длительность современных лазерных импульсов может достигать фемтосекунд (10⁻¹⁵ с), прямое измерение с помощью стандартной электроники становится невозможным. Поэтому были разработаны различные прямые и косвенные методы, выбор которых зависит от предполагаемой длительности импульса и требуемой точности.

1. Прямой метод: фотодетекторы и осциллографы

Для импульсов длительностью от наносекунд до микросекунд наиболее простым и интуитивно понятным является прямой метод измерения.

Принцип работы:

1. Лазерный импульс направляется на быстродействующий фотодетектор, который преобразует оптический сигнал в электрический. Важнейшими характеристиками детектора являются его время нарастания и спада, которые должны быть значительно меньше измеряемой длительности импульса.
2. Электрический сигнал с фотодетектора подается на вход широкополосного осциллографа.
3. Осциллограф отображает форму импульса во времени, позволяя напрямую измерить его ширину на уровне 50% от максимальной амплитуды.

Ограничения и точность:

Точность этого метода полностью зависит от временного разрешения измерительной системы. Она ограничена:

• Временем отклика фотодетектора: Для измерения наносекундных импульсов требуются детекторы с временем отклика в сотни пикосекунд.
• Полосой пропускания осциллографа: Чем шире полоса пропускания (измеряемая в ГГц), тем более короткие импульсы можно измерить без искажения их формы.

Этот метод идеально подходит для характеризации импульсных лазерных диодов, а также лазеров с модуляцией добротности (Q-switched).

Компоненты для реализации решения:

Быстродействующие фотоприемники: Для точного преобразования оптических импульсов в электрические необходимы фотодиоды с малым временем отклика. В каталоге «Специальные Системы. Фотоника» представлены фотодиодные приемники с полосой пропускания до десятков ГГц, подходящие для регистрации нано- и пикосекундных импульсов. Высокоскоростные осциллографы: Для визуализации и анализа формы импульса необходимы осциллографы с соответствующей полосой пропускания. Современные модели позволяют анализировать сигналы с наносекундным и субнаносекундным разрешением.

2. Методы измерения длительности для ультракоротких импульсов

Когда длительность импульса становится слишком малой для прямого электронного измерения (пико- и фемтосекунды), применяются косвенные оптические методы, основанные на нелинейных эффектах.

Метод автокорреляции

Автокорреляция — это наиболее распространенный метод для измерения длительности ультракоротких импульсов.

Принцип работы

1. Исходный лазерный импульс разделяется на два идентичных при помощи светоделителя. 2. Один из импульсов проходит через линию оптической задержки, которая позволяет изменять время его прихода относительно второго импульса. 3. Оба импульса направляются в нелинейный кристалл (например, для генерации второй гармоники, ГВГ). 4. Сигнал второй гармоники генерируется только тогда, когда оба импульса одновременно присутствуют в кристалле. 5. Измеряя интенсивность сигнала ГВГ в зависимости от времени задержки, получают автокорреляционную функцию импульса. Ширина этой функции напрямую связана с реальной длительностью импульса. Этот метод позволяет измерять длительности вплоть до нескольких фемтосекунд. Ограничения: Метод не дает информации о реальной форме импульса и его фазовой структуре. Для расчета требуется априорное предположение о форме импульса.

FROG (Frequency-Resolved Optical Gating)

FROG является усовершенствованной версией автокоррелятора. Вместо того чтобы просто измерять интегральную мощность сигнала ГВГ, FROG измеряет его спектр для каждого шага временной задержки.

Принцип работы:

Результатом измерения является двумерная диаграмма (спектрограмма), называемая FROG-треком, которая представляет собой зависимость спектра от временной задержки. Специальный итерационный алгоритм использует эту диаграмму для полного восстановления как амплитуды (интенсивности), так и фазы лазерного импульса во времени.

Преимущества:

Не требует предварительных предположений о форме импульса.

SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction)

SPIDER — еще один метод для измерения ультракоротких импульсов, основанный на спектральной интерферометрии.

Принцип работы:

Метод использует интерференцию двух спектрально-смещенных копий исходного импульса. Анализируя полученную интерферограмму, можно напрямую, без итерационных алгоритмов, рассчитать спектральную фазу и, следовательно, полностью восстановить временной профиль импульса.

Преимущества:

• Высокая скорость измерений, позволяющая работать в режиме реального времени.
• Прямой (неитерационный) алгоритм восстановления.

Комплексное решение: от формирования до измерения

Для работы с импульсными лазерами требуется не только измерять их параметры, но и формировать импульсы с заданными характеристиками. «Специальные Системы. Фотоника» предлагает полный набор компонентов для создания и анализа импульсных лазерных систем.

Задача	Компоненты	Описание
Формирование импульсов	Импульсные лазерные диоды	Источники излучения, изначально работающие в импульсном режиме. Широкий выбор длин волн и мощностей.
	Акустооптические и электрооптические модуляторы	Позволяют "вырезать" короткие импульсы из непрерывного лазерного излучения, управляя их длительностью, частотой повторения и формой.
Измерение "длинных" импульсов (>1 нс)	Фотодиодные приемники + Осциллографы	Классическое решение для прямого измерения нано- и микросекундных импульсов с высокой точностью.
Измерение ультракоротких импульсов (<1 нс)	Специализированные приборы (автокорреляторы, FROG, SPIDER)	Методы для работы с пико- и фемтосекундными лазерами. Для сборки таких систем требуются прецизионная оптика, нелинейные кристаллы и чувствительные детекторы.

Сводная таблица методов измерения:

Метод	Принцип действия	Диапазон длительностей	Преимущества	Недостатки
Прямой (Фотодетектор + Осциллограф)	Преобразование оптического импульса в электрический и его визуализация.	> 500 пс	Простота, наглядность, относительно низкая стоимость.	Ограничен временным разрешением электроники.
Автокорреляция	Генерация нелинейного сигнала при перекрытии двух копий импульса.	10 фс – 100 пс	Широко распространен, надежен для измерения длительности.	Не дает информации о форме и фазе импульса.
FROG	Спектрально-разрешенная автокорреляция.	5 фс – 50 пс	Полное восстановление амплитуды и фазы импульса.	Требует сложных итерационных алгоритмов, медленнее остальных.
SPIDER	Спектральная интерферометрия двух сдвинутых по частоте копий импульса.	5 фс – 50 пс	Прямой расчет, высокая скорость.	Оптическая схема сложна в юстировке.

Технические специалисты нашей компании будут рады ответить на любые вопросы по подбору комплектующих для непрерывного волоконного лазера, а также предоставить коммерческие условия поставки на интересующую Вас продукцию.

Вы можете связаться с нами любым удобным способом для получения дополнительной информации.