Multiphotonové intrapulzní interferenční fázové skenování - Multiphoton intrapulse interference phase scan - Wikipedia

Multiphotonové intrapulzní interferenční fázové skenování (MIIPS) je metoda používaná v ultrakrátký laser technologie, která současně měří (fázovou charakterizaci) a kompenzuje (fázovou korekci) femtosekundové laserové pulsy pomocí adaptivního pulzní tvarovač. Když ultrakrátký laserový puls dosáhne trvání méně než několika stovek femtosekund, stane se kritickým charakterizovat jeho trvání, křivku časové intenzity nebo elektrické pole jako funkci času. Klasické fotodetektory měřící intenzitu světla jsou stále příliš pomalé, aby umožňovaly přímé měření, a to i při nejrychlejších fotodiody nebo pruhové kamery.

Byly vyvinuty další prostředky založené na kvazi okamžitých nelineárních optických účincích, jako např autokorelace, ŽÁBA, PAVOUK Mohou však měřit pouze pulzní charakteristiky, ale nekorigovat vady, aby byl puls co nejkratší. Například puls může být lineárně cvrlikal nebo prezentovat vyšší řád disperze skupinového zpoždění (GDD), takže jeho trvání je delší než a. (GDD) so that its duration is longer than a pulz s omezenou šířkou pásma se stejným spektrem intenzity. Je proto velmi žádoucí mít metodu, která může nejen charakterizovat puls, ale také korigovat puls na konkrétní tvary pro různé aplikace, ve kterých jsou požadovány opakovatelné charakteristiky pulzu. MIIPS může nejen měřit puls, ale také korigovat vyšší řád disperze, je tedy velmi výhodné pro aplikace, kde je důležité opakovatelné elektromagnetické pole, jako je generování ultrakrátkých pulzů, které jsou omezené transformací nebo mají specifické fázové charakteristiky.

Metoda MIIPS je také založena na generace druhé harmonické (SHG) v nelineárním krystalu; avšak namísto dočasného skenování repliky pulzu jako v autokorelaci se na puls aplikuje kontrolovatelný a proměnlivý GDD prostřednictvím formovače pulsů. Intenzita je maximální, když je odchozí puls neotočený, nebo když aplikovaný GDD přesně kompenzuje příchozí puls GDD. Tím se měří a kompenzuje puls GDD. Spektrálním rozlišením signálu SHG lze měřit GDD jako funkci frekvence, takže spektrální fáze lze měřit a rozptyl lze kompenzovat u všech objednávek.

Teorie

Zařízení založené na MIIPS se skládá ze dvou základních komponent ovládaných počítačem: pulzní tvarovač (obvykle a tekutý krystal na základě modulátor prostorového světla - SLM) a spektrometr. Tvarovač pulsů umožňuje manipulaci se spektrální fází a / nebo amplitudou ultrakrátkých pulzů. Spektrometr zaznamenává spektrum nelineárního optického procesu, jako je druhá harmonická generace produkovaná laserovým pulsem. Proces MIIPS je analogický s Wheatstoneovým mostem v elektronice. K měření neznámých spektrálních fázových zkreslení ultrakrátkých laserových pulzů se používá známá (kalibrovaná) funkce spektrální fáze. Známá superponovaná funkce je obvykle periodická sinusová funkce, která je skenována přes šířku pásma pulzu.

MIIPS je podobný FROG v tom, že je sledována frekvence pro charakterizaci ultrakrátkého pulzu. V optickém hradlovém řešení s frekvenčním rozlišením se FROG stopa shromažďuje skenováním ultrakrátkého pulzu přes časovou osu a detekcí spektra nelineárního procesu. Lze jej vyjádřit jako

${ displaystyle I ( omega, tau) = left | int {E (t) g (t- tau) e ^ {i omega t} mathrm {d} t} vpravo | ^ {2 }}$

V MIIPS se místo skenování v časové doméně aplikuje řada fázového skenování na fázovou doménu pulzu. Stopa skenování MIIPS se skládá z spektra druhé harmonické každého fázového skenování. Signál MIIPS lze zapsat jako

${ displaystyle I (2 omega) = left | int {| E ( omega) | ^ {2} e ^ {i phi} mathrm {d} phi} right | ^ {2}}$

Fázové skenování v MIIPS je realizováno zavedením známé referenční funkce, ${ displaystyle f ( omega)}$, tvarovačem pulzů k lokálnímu zrušení zkreslení neznámou spektrální fází, ${ displaystyle Phi ( omega)}$, pulzu. Součet neznámé fáze a referenční fáze je dán vztahem ${ displaystyle phi ( omega) = Phi ( omega) + f ( omega)}$. Protože frekvence zdvojnásobeného spektra pulzu závisí na ${ displaystyle phi ( omega)}$, je možné přesně získat neznámé ${ displaystyle Phi ( omega)}$.

Postup fázové modulace fyzického procesu je obecně spojitá funkce. Signál SHG lze tedy expandovat s Taylorovou expanzí kolem ${ displaystyle omega}$:

${ displaystyle I ( omega) = left | int | E ( omega + Omega) || E ( omega - Omega) | times { text {exp}} {i [ phi ( omega + omega) + phi ( omega - omega)] } mathrm {d} omega vpravo | ^ {2}}$

A

${ Displaystyle phi ( omega + omega) + phi ( omega - omega) = 2 phi 0+ phi '( omega) omega ^ {2} + ... + { frac {2} {(2n)!}} Phi ^ {2n '} ( omega) Omega ^ {2n}}$

Podle této rovnice dosáhne signál SHG maxima, když ${ displaystyle phi ( omega + omega) + phi ( omega - omega)}$ je nula. To odpovídá ${ displaystyle Phi '' ( omega) = - f '( omega)}$. Prostřednictvím skenování ${ displaystyle f ( omega)}$, ${ displaystyle Phi ( omega)}$ lze rozhodnout.

MIIPS iterace pro korekci disperze vysokého řádu femtosekundového pulzu.

Frekvenční zdvojnásobené spektrum zaznamenané pro každé úplné skenování referenční fáze ${ displaystyle 4 ( pi)}$ má za následek dvě repliky stopy MIIPS (viz obrázek 1, zobrazeny čtyři repliky). Z těchto dat je 2D graf pro SHG (${ displaystyle omega, omega}$) je postaven kde ${ displaystyle omega = pi c / lambda _ {SHG}}$. Druhé harmonické spektrum výsledného pulzu má maximální amplitudu na frekvenci, kde byla kompenzována druhá derivace pulzu. Řádky popisující ${ displaystyle omega _ {m} ( omega)}$ se používají k analytickému získání druhého derivátu neznámé fáze. Po dvojité integraci jsou známa fázová zkreslení. Systém poté zavádí korekční fázi, aby zrušil zkreslení a dosáhl kratších pulzů. Absolutní přesnost MIIPS se zlepšuje s zmenšováním fázových zkreslení, proto se používá iterační postup měření a kompenzace ke snížení fázových zkreslení pod 0,1 radiánu pro všechny frekvence v rámci šířky pásma laseru.

Když jsou vyloučena všechna fázová zkreslení, jsou pulsy nejkratší, jaké mohou být, a jsou považovány za omezené na šířku pásma | pulz | transformace omezená (TL). Trasa MIIPS odpovídající TL pulsům ukazuje přímé paralelní čáry oddělené znakem ${ displaystyle pi}$. Jakmile jsou spektrální fázová zkreslení vyloučena, lze tvarovač použít k zavedení kalibrovaných fází a amplitud k řízení laserem indukovaných procesů.

Technologie MIIPS byla úspěšně aplikována při selektivní excitaci multiphotonového zobrazování a femtosekundové interakční studie světlo-hmotnost.

Experimentální nastavení

Experimentální nastavení systému s dvojitým průchodem MIIPS.

Rozšířený laserový paprsek dosáhne Difrakční mřížka (G) Nejprve se odraz prvního řádu odrazí do zrcadla (M) a poté do zakřivené zrcadlo (CM). Zakřivené zrcadlo odráží laser k modulátor prostorového světla (SLM). Fáze jsou aplikovány přes SLM na každou složku frekvence. Laser se poté odrazí zpět. Použitím nelineárního média lze nelineární (SHG, THG atd.) Spektra vs. fázové skenování zaznamenat jako MIIPS stopu pro charakterizaci pulzu. Jakmile je puls charakterizován, může být na ultrakrátký pulz aplikována kompenzační fáze přes SLM.

Jiné ultrakrátké techniky měření pulzu

• Frekvenčně rozlišené optické hradlování (FROG)
• Spektrální fázová interferometrie pro přímou rekonstrukci elektrického pole (SPIDER)

Reference

• M. Dantus, V. V. Lozovoy a I. Pastirk, „Měření a opravy: Femtosekundový Wheatstoneův most.“ OE Magazine 9 (2003).
• V. V. Lozovoy, I. Pastirk a M. Dantus, „Multiphotonová intrapulzní interference 4: Charakterizace a kompenzace spektrální fáze ultrakrátkých laserových pulzů.“ Optics Letters 29, 775-777 (2004).
• B. Xu, JM Gunn, JM Dela Cruz, VV Lozovoy, M. Dantus, „Kvantitativní výzkum metody MIIPS pro fázové měření a kompenzaci femtosekundových laserových pulsů,“ J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006 ).