Frekvenciafelbontású optikai kapuzás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. január 2-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A frekvenciafelbontású optikai kapuzás ( FROG) ultrarövid lézerimpulzusok mérésére szolgáló módszer, amelyek időtartama szubfemtoszekundumtól nanoszekundumig változik. A Rick Trebino és Daniel J. Kane által 1991-ben feltalált FROG technika volt az első megoldás erre a problémára, amelynek összetettsége abban rejlik, hogy bármely folyamat időbázisának megszerzéséhez össze kell kapcsolni a lényegesen rövidebb folyamatok. Például egy szappanbuborék felrobbanásához rövidebb idejű fényvillanásokat kell létrehozni, hogy "lefagyaszthassák" az akciót. Mivel az ultrarövid lézerimpulzusok a valaha létrejött legrövidebb események, a FROG feltalálása előtt azt hitték, hogy ezek teljes időben történő mérése lehetetlen. A FROG úgy oldja meg ezt a problémát, hogy megméri egy impulzus "autospektrogramját", amely egy impulzus és annak időeltolásos másolatának nemlineáris közegében történő kölcsönhatásából adódik. A FROG képéből egy impulzust rekonstruálnak egy kétdimenziós fáziskivonási algoritmus segítségével.

A FROG ma már az ultrarövid lézerimpulzusok elemzésének standard módszere, amely felváltja a régi autokorrelációs módszert , amely durva becslést adott az impulzushosszra. Lényegében a FROG egy spektrálisan feloldott autokorrelációs algoritmus, amely lehetővé teszi egy fáziskivonási algoritmus használatát az impulzusintenzitás és fázis pontos időalapjának meghatározásához. A FROG jelentős előnye, hogy ehhez a technikához nincs szükség referenciaimpulzusra. A FROG-ot széles körben használják kutatási és ipari laboratóriumokban szerte a világon.

Elméleti alap

A FROG és az autokorrelációs módszerek mögött meghúzódó általános elképzelés az, hogy egy impulzust önmagával kombináljon egy nemlineáris környezetben. Mivel egy nemlineáris közegben hasznos jel csak akkor keletkezik, ha mindkét impulzus egyszerre van jelen, ezért az impulzus és annak másolata közötti késleltetés megváltoztatásával becslést kaphatunk az impulzus időtartamára. Az autokorrelátorok a lendületet a nemlineáris jel intenzitásából mérik. Ebben az esetben a fázisra vonatkozó információ eltűnik, és az impulzus alakjára vonatkozó információ jelentősen torzul. A FROG ezzel szemben a jel spektrumát (innen ered a „frekvencia-feloldott” elnevezés) a késleltetési idő függvényében méri, és nem csak annak intenzitását. Ez a mérés impulzusspektrogramot hoz létre, amely felhasználható egy összetett elektromos tér idő vagy frekvencia függvényében történő meghatározására, ha a közeg nemlinearitása ismert. A FROG spektrogram (közkeletű nevén "FROG trace") az intenzitás függvényében a frekvencia és a késleltetés függvényében . Egy nemlineáris jelet könnyebb kifejezni az időtartományban, ezért a FROG kép tipikus kifejezése tartalmaz egy Fourier-transzformációt. $\Omega$ $\tau$

I_{FROG}(\omega ,\tau )=\left|E_{sig}(\omega ,\tau )\right|^{2}=\left|FT[E_{sig}(t,\ tau )]\right|^{2}=\left|\int _{-\infty }^{\infty }E_{sig}(t,\tau )e^{-i\omega t}dt\right| ^{2}

A nemlineáris jel függ a kezdeti impulzustól, valamint a késleltetett impulzustól , . A legegyszerűbb módja az SHG használata , amely . Így a FROG kép kifejezése az impulzus elektromos mezejében: $E_{sig}(t,\tau )$ $E(t)$ $E_{gate}(t,\tau )=E(t-\tau )$ $E_{sig}(t,\tau )=E(t)E_{gate}(t,\tau )=E(t)E(t-\tau )$

I_{SHGFROG}(\omega ,\tau )=\left|\int _{-\infty }^{\infty }E(t)E(t-\tau )e^{-i\omega t }dt\right|^{2}

Ennek a sémának számos változata létezik. Így az ismeretlen sugár másolata helyett egy ismert referenciaimpulzus használható villogó impulzusként. Ezt XFROG-nak, vagy keresztkorrelált FROG-nak hívják (ellentétben az automatikus korrelációval). Ezenkívül a második felharmonikus generáción kívül más nemlineáris effektusok is használhatók, például harmadik harmonikus generáció (THG) és mások. Ezek a változtatások hatással lesznek a kifejezésre . $E_{gate}(t,\tau )$

Gyakorlati megvalósítás

Egy tipikus FROG sorozatfelvételi beállításnál a mért impulzust egy sugárosztó két másolatra osztja. Az egyik nyaláb ismert mértékben késik a másikhoz képest. Mindkét impulzus a nemlineáris közeg egy pontjára fókuszál (nemlineáris kristály), és a kristály kimenetén lévő jelet spektrométerrel mérik. Ez a folyamat különböző késleltetési időkig megismétlődik.

A FROG mérés kis módosításokkal egyetlen képen is elvégezhető. A két elválasztott nyaláb szögben metszi egymást, és pont helyett egyenesre fókuszál. Ez eltérő késleltetést hoz létre a két impulzus között a fókuszvonal mentén. Ebben a konfigurációban általában házi készítésű spektrométert használnak, amely diffrakciós rácsból és kamerából áll.

Feldolgozási algoritmus

A FROG kép feldolgozásához általában az általánosított vetítés módszerét használják . Bár elméleti összetettsége néhány félreértés forrása, valamint a tudósok bizalmatlansága, a FROG technikában megmutatta megbízhatóságát. Részletes információ itt található .

A feldolgozási algoritmus megértéséhez észreveheti a következőket: a kapott adatok sokkal több pontot tartalmaznak, mint amennyi feltétlenül szükséges az impulzusparaméterek megtalálásához. Legyen például a FROG-kép 128 késleltetési pontból és 128 frekvenciapontból. Az elektromos teret 128 amplitúdópont és 128 pontos fázisfüggés adja az időtől. Így 128x128 egyenletrendszert kapunk 2x128 ismeretlennel. A rendszer jelentősen újradefiniált, ami pozitív hatással van a mérés pontosságára és az eredmény megbízhatóságára.

A FROG-képfeldolgozó algoritmusok általában "visszacsatolást" jelentenek - a mező vétele után a FROG-képet visszaállítják belőle, és összehasonlítják a ténylegesen mért képpel. Erős eltérések esetén az okokat kell keresni, amelyek közül a legfontosabbak: $E(t)$

sugár instabilitása (jelentős különbség a sugár paraméterei között egy impulzussorozatban);
a kísérleti elrendezés elhangolása;
a pulzus időbeli térbeli torzulása.

Lásd még

BÉKA technikák

GRENOUILLE, a FROG egyszerűsített változata.
Double-Blind_FROG, két impulzus egyidejű mérésére.

Alternatív módszerek

PÓK — spektrális fázisú interferometria a közvetlen elektromos tér rekonstrukciójához.
MIIPS - multifoton interferencia fázisszkennelés, ultrarövid impulzusok szabályozására szolgáló módszer.

Jegyzetek

Irodalom

Rick Trebino. Frekvenciafelbontású optikai kapuzás: Ultrarövid lézerimpulzusok mérése . — Springer, 2002. - ISBN 1-4020-7066-7 .
R. Trebino, KW DeLong, DN Fittinghoff, JN Sweetser, MA Krumbügel és DJ Kane, Ultrashort Laser Pulses in the Time-Frequency Domain Using Frequency-Resolved Optical Gating , Review of Scientific Instruments 68, 3277-39275.