GB/T 41572-2022 脉冲激光时域主要参数测量方法（正式版）

ICS31.260CCSL51脉冲激光时域主要参数测量方法国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T41572—2022 Ⅲ 1 13术语和定义 14主要参数特性 34.1概述 34.2脉冲时间特性 34.3脉冲光谱特性 3 45.1基本要求 45.2被测激光正常工作要求 45.3安全防护 45.4测量准备 4 46.1上升/下降时间 46.2脉冲宽度 66.3脉冲重复频率 6.4电信号与光信号时间抖动 6.5光信号时间抖动 附录A(资料性)脉冲宽度测量方法 附录B(资料性)超短脉冲测量方法 附录C(规范性)常用的解卷积因子 附录D(资料性)时间抖动测量方法 图1测量上升/下降时间设备框图 5图2测量上升/下降时间示意图 5图3光电探测器法测量脉冲宽度示意图 7图4自相关法测量脉冲宽度原理示意图 8图5自相关法测量脉冲宽度设备框图 8图6干涉自相关曲线示意图 9图7无背景的强度自相关曲线示意图 9图8FROG测量脉冲宽度设备框图 GB/T41572—2022图9FROG测量脉冲宽度示例 图10SPIDER测量脉冲宽度设备框图 图11飞秒激光干涉光谱信号示例 图12SPIDER测量飞秒激光脉宽示例 图13脉冲重复频率测量设备框图 图14记录的光脉冲周期示例 图15电信号与光信号时间抖动测量设备框图 图16电信号与光信号延时测量数据示例 图17光信号时间抖动测量设备框图 图18高次谐波射频频谱测量示例 图1919次谐波的频谱示例 图A.1光电探测器法设备光路示意图 图B.1强度自相关法(非共线)设备光路示意图 21图B.2干涉自相关法设备光路示意图 22图B.3有无啁啾的脉冲自相关曲线 图B.4FROG设备光路示意图 23图B.5SPIDER设备光路示意图 25图D.1噪声功率谱 27图D.2高次谐波射频频谱分析法示意图 28表C.1自相关解卷积因子k=tc/Tn 26ⅢGB/T41572—2022本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会(SAC/TC284)归口。理研究所、武汉华工激光工程有限责任公司、华工法利莱切焊系统工程有限公司、苏州帕沃激光科技有限公司、中山铟尼镭斯科技有限公司、武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、山东华光光电子股份有限公司、大族激光科技产业股份有限公司、深圳1GB/T41572—2022脉冲激光时域主要参数测量方法量方法。本文件适用于持续时间在3fs～0.25s范围内的脉冲激光时域主要参数测量，脉冲宽度0.25s以上2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文本文件。GB7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类、要求GB/T15490固体激光器总规范JB/T12632光纤激光器JJF1493—2014超短光脉冲自相关仪校准规范ISO11145:2018光学和光子学激光和激光设备词汇和符号(Opticsandphotonics—Lasersandlaser-relatedequipment—Vocabularyandsymbols)ISO15367-1:2003激光及激光相关设备激光束波前形状测定用试验方法第1部分：术语和基础领域(Lasersandlaser-relatedequipment—Testmethodsfordeterminationoftheshapeofalaserbeamwavefront—Part1:Terminologyandfundamentalaspects)IEC60825-1:2014激光产品的安全第1部分：设备分类和要求(Safetyoflaserproducts—Part1:Equipmentclassificationandrequirements)3术语和定义3.1脉冲激光pulsedlaser以脉冲持续时间小于0.25s的单脉冲或序列脉冲形式辐射的激光。3.2脉冲激光持续时间波形上升曲线。3.3脉冲下降沿fallingedgeofthepulse脉冲激光持续时间波形下降曲线。2GB/T41572—2022上升/下降时间risingandfallingtime脉冲激光上升/下降沿曲线10%强度到90%强度之间对应的时间间隔。脉冲持续时间fullwidthhalfmaximumpulseduration;FWHMpulseduration脉冲宽度pulsewidth脉冲激光上升和下降沿曲线的半峰值功率点之间对应的时间间隔。超短脉冲激光ultrashortpuls持续时间小于1ns的脉冲激光。 得不同时间延迟的相关函数的超短脉冲测量方法。脉冲的自相关曲线的时间间隔。频率分辨光学开关法frequencyresolvedoptical超短脉冲在非线性光学介质中对其自身不同时间延迟进行开关操作，获得两脉冲间不同延迟时间3.12色散dispersion材料的折射率随入射光频率的改变而改变的性质。3GB/T41572—20223.13光脉冲瞬时频率随时间变化的现象。激光脉冲序列中相邻脉冲之间时间间隔的相对变化。注：一般用于评价光脉冲之间的时间抖动。3.15电信号和输出激光脉冲两个信号之间时间延迟量的相对抖动。一种是外触发信号和激光脉冲之间的抖动，另一种是同步输出信号和激光脉冲之间的抖动。4主要参数特性4.1概述不同持续时间的脉冲激光具有不同的特点，所采用的测量方式也不同。需要根据被测脉冲激光的时域宽度选择与之适用的测量方法。4.2脉冲时间特性超短脉冲具有相当短的持续时间，短到常规的电子学器件无法准确检测出来，要根据其脉冲持续时间的不同采取适宜的测量方法来评估和测量脉冲激光的时间分布：a)当脉冲持续时间为1ns<t<250ms范围时，采用光电直接探测法进行测量；b)当脉冲持续时间为3fs<t≤1ns范围时，采用自相关法、FROG或SPIDER进行测量。4.3脉冲光谱特性超短脉冲具有相当宽的光谱，通常从几纳米到几百纳米：a)若是有明确定义的波形，如高斯型、双曲正割、洛伦兹等，以峰值对应的波长为中心波长，以公式(1)表达：式中：b)若是无明确定义的波形，以重心波长(或质心波长)计算按公式(2):式中：…λ——重心波长(质心波长),单位为纳米(nm);S(λ)———功率或者能量谱密度，单位为瓦特每纳米(W/nm)或焦耳每纳米(J/nm)。注1:S(λ)是连续激光的光谱辐射功率分布Px(λ),或脉冲激光的光谱辐射能量分布Qx(λ)。4GB/T41572—20225测量条件b)相对湿度：≤70%;测量设备应满足以下要求：a)测量设备的测量范围和量程满足被测激光器的参数范围；b)测量设备的响应波长与被测激光器波长相匹配；c)光束衰减器的抗激光损伤阈值高于被测激光的功率或能量，衰减倍率满足测量设备探测动态被测激光器应符合GB/T15490和JB/T12632的有关规定。5.3安全防护对工作人员和测量设备采取的激光辐射安全防护措施，应符合GB7247.1及IEC60825-1:2014的要求。a)符合第5章要求的测量条件；b)按主要参数测量设备框图连接设备；c)按照相关设备准确度的要求选择测量设备。6测量方法6.1上升/下降时间测量所需的设备和连接方式如图1所示。52——光闸、衰减器、滤光片(必要时);4——示波器。图1测量上升/下降时间设备框图6.1.2测量步骤采用光电探测器法(详见附录A的A.2)测量上升/下降时间按照以下步骤进行：a)按图1所示顺序连接测量设备；b)运行并预热被测脉冲激光器，使其处于规定的工作状态；c)根据激光强度使用光闸、衰减器、滤光片(必要时)调节脉冲激光，使其进入光电探测器；d)根据进入光电探测器脉冲激光的特性调节示波器的参数(如合适的时间分辨率和电压分辨率);e)调节光电探测器使其在线性范围内工作，通过示波器测得脉冲激光时间波形，重复测量n(n≥10)次。6.1.3数据处理由以下步骤得出脉冲激光的上升/下降时间：a)示波器测得脉冲激光时间波形上升和下降过程中，达到峰值强度10%和90%对应的时间点(示意图见图2),按公式(3)和公式(4)计算得出被测脉冲激光电信号的上升时间th和下降时间t;图2测量上升/下降时间示意图6GB/T41572—2022式中：Tr;——第i次测量的脉冲激光上升时间，单位为秒(s);t;——第i次测量的脉冲激光下降时间，单位为秒(s)。b)按公式(5)和公式(6)计算n次测量数据的均值，得出脉冲激光上升时间t,和下降时间tf。 (5) (6)式中：T,——脉冲激光上升时间均值，单位为秒(s);t₁———脉冲激光下降时间均值，单位为秒(s);n——测量次数。6.2脉冲宽度6.2.1光电探测器法6.2.1.1测量设备测量所需的设备和连接方式如图1所示。6.2.1.2测量步骤采用光电探测器法(详见A.2)测量脉冲宽度按照以下步骤进行：a)按图1所示顺序连接测量设备；b)运行并预热被测脉冲激光器，使其处于规定的工作状态；c)根据激光强度使用光闸、衰减器、滤光片(必要时)调节脉冲激光，使其进入光电探测器；d)根据进入光电探测器脉冲激光的特性调节示波器的参数(如合适的时间分辨率和电压分辨率);e)调节光电探测器使其在线性范围内工作，通过示波器测得脉冲激光时间波形，重复测量n(n≥10)次。6.2.1.3数据处理按以下步骤得出脉冲激光的脉冲宽度：a)示波器测得脉冲时间波形上升和下降过程中，达到峰值强度50%对应的时间点(示意图见图3),按公式(7)计算脉冲宽度TH;7强度(GB/T41572—2022强度(图3光电探测器法测量脉冲宽度示意图THi=T一Tri式中：TH;——第i次测得的脉冲宽度，单位为秒(s)。b)按公式(8)计算n次测量数据的均值，得出脉冲宽度tH。式中：TH——脉冲宽度均值，单位为秒(s);n——测量次数。6.2.2自相关法6.2.2.1测量原理将一个光脉冲分成两个相同的脉冲，引入一个可变时间延迟，将两个脉冲在非线性晶体中重新合在一起。改变时间延迟即改变两个脉冲在晶体中的重合程度，可产生不同强度的倍频光信号，并可用光电探测器检测脉冲自相关曲线(示意图见图4)。脉冲光场自相关曲线可用自相关函数公式(9)表示：其中t是可变时间延迟。对某些波长，非线性晶体和倍频信号可用半导体光电探测器材料的双光子吸收产生的光电流来产生。对于有明确定义的脉冲波形，可用解卷积因子获得脉冲宽度。对于无明确定义的脉冲波形，则需要同时测量脉冲的光谱和相位才能计算出脉冲宽度。8GB/T41572—2022倍频晶体倍频晶体E(f-t)相对时间延迟/fs滤光片聚焦透镜Tac20相对时间延迟/fs光电探测器0.80.42020图4自相关法测量脉冲宽度原理示意图6.2.2.2测量设备测量所需的设备和连接方式如图5所示。3——自相关仪。图5自相关法测量脉冲宽度设备框图采用自相关法(详见附录B的B.2)测量脉冲宽度按以下步骤进行：a)按图5所示顺序连接测量设备；b)运行并预热被测脉冲激光器，使其处于稳定工作状态；c)根据激光强度使用光闸、衰减器、滤光片(必要时)调节脉冲激光，调节后不应改变光谱且不引起啁啾；d)调节入射激光满足自相关仪的偏振要求，使其进入自相关仪；e)根据进入自相关仪脉冲激光的特性调节自相关仪的参数；f)调节入射光束，使信号光和参考光处于共线或非共线模式，通过自相关仪获得干涉自相关曲线(示意图见图6)或无背景的强度自相关曲线(示意图见图7),测得脉冲强度自相关曲线的半高全宽ta,重复测量n(n≥5)次。注：干涉自相关曲线和其强度自相关曲线的表达式见公式(B.4)和公式(B.1)。9归一化白相关强度/a.uGB/T41572—2022归一化白相关强度/a.u和对时间延迟/fs0.8-10相对时间延迟/fs图7无背景的强度自相关曲线示意图6.2.2.4数据处理由以下步骤得出脉冲激光的脉冲宽度：a)根据假设的脉冲波形按附录C的规定确定解卷积因子；b)根据脉冲强度自相关曲线的半高全宽ta,按公式(10)计算得出脉冲宽度TH; (10)TH——第i次测得的脉冲宽度，单位为飞秒(fs);Tac——自相关脉冲宽度，单位为飞秒(fs);k——解卷积因子。c)按公式(8)计算n次测量数据的均值，得出脉冲激光的脉冲宽度tH。6.2.3FROG6.2.3.1测量原理将待测脉冲分为两个相同的有相对延时t的两束光脉冲，分别作为开关光g(t—t)和被探测光E(t),入射到非共线的非线性介质，利用非共线入射脉冲非线性开关作用，对被测光脉冲按时间顺序通过，采用光谱仪分光，形成脉冲光谱对延迟时间的函数IFROG(w,t)。……(11)式(11)可表示为一个与时间和频率有关的二维图形。反演过程是从任意脉冲电场E(t)和相位φ(t)出发算出IFRoG(w,t),与测量得到的IFrog(w,t)进行比较得出误差，修正脉冲的电场E(t)和相位GB/T41572—2022其中μ是归一化比例常数。重复以上计算，直至计算的IFRoG(w,t)与测量的IFRoc(w,t)之间的误差达到设定值。此时设定的E(t)和φ(t),即为待测脉冲的电场E(t)和相位φ(t)。其傅里叶变换即为光谱强度E(w)和相位φ(w)。测量所需的设备和连接方式如图8所示。标引序号说明：1——脉冲激光器；2——光闸、衰减器、滤光片(必要时);3——FROG测量仪。图8FROG测量脉冲宽度设备框图采用FROG(详见附录B中B.3)测量脉冲宽度按以下步骤进行：a)按图8所示顺序连接测量设备；起啁啾；d)调节入射激光满足FROG测量仪的偏振要求，使其进入FROG测量仪；e)根据进入FROG测量仪脉冲激光的特性调节FROG测量仪的参数；f)通过FROG测量仪测得FROG行迹图数据，重复测量n(n≥5)次。由以下步骤得出脉冲激光的脉冲宽度：a)将测量得到的FROG行迹图数据(示例见图9a)]输入到迭代程序中，由假定的脉冲波形进行迭代运算，观察迭代的行迹(示例见图9b)]与测量行迹之间的评价函数值(误差值);b)当评价函数值小于预定值(例如10-⁴)时，即计算值与测量值符合。程序会给出计算的光谱及相位信息(示例见图9c)]和时域电场及相位信息(示例见图9d)];c)根据给出的时域电场及相位信息分布曲线的峰值半高全宽得到脉冲宽度tH;d)重复以上数据采集和处理，按公式(8)计算n次测量数据的均值，得出脉冲激光的脉冲宽度TH。波长/nm光强/au波长/nm光强/au780780780760760760700700700测量恢复延迟/fs延迟/fsa)测量得到的FROG行迹图b)迭代得到的FROG行迹图1—恢复—测量3320一恢复33fs-1波长/m时间/fsc)迭代得到的光谱及相位信息b)迭代得到的电场及相位信息位φ(w)。将光谱仪测得的E(w)与SPIDER测得的光谱相位φ(w)做傅里叶变换，即可获取被测脉冲的电场E(t)和相位φ(t)。测量所需的设备和连接方式如图10所示。光强/mW9光强/mW97107207307407507607707807901234标引序号说明：图10SPIDER测量脉冲宽度设备框图采用SPIDER(详见B.3)测量脉冲宽度按以下步骤进行：a)按图10所示顺序连接测量设备；起啁啾；e)调节产生脉冲对的SPIDER测量仪的时间延迟t,使光谱仪中显示光谱相干条纹[示例见图11a)]。用光谱仪分别采集复制脉冲的光谱，并确定频率侧移2(示例见图11b)];f)经由光谱侧切相干获取被测激光频率信息和相位信息，重复测量n(n≥5)次。2500250020000a)利用傅里叶变换滤波方法或小波变换方法从光谱干涉条纹中提取光谱侧切相位差；b)通过积分得到光谱相位(示例见图12a)];0.6-40-2002040Th(示例见图12b)];d)重复以上数据采集和处理，按公式(8)计算n次测量数据的均值，得出脉冲激光的脉冲宽3320.60a)输入脉冲的光谱强度和计算出的光谱相位b)傅里叶逆变换得到的脉冲时域波形图12SPIDER测量飞秒激光脉宽示例6.3脉冲重复频率6.3.1测量设备测量所需的设备和连接方式如图13所示。标引序号说明：1——脉冲激光器；2——光闸、衰减器、滤光片(必要时);3——光电探测器；4———示波器、频率计数器或频谱分析仪。图13脉冲重复频率测量设备框图6.3.2测量步骤脉冲重复频率的测量按照以下步骤进行：a)按图13所示顺序连接测量设备；b)运行并预热被测脉冲激光器，使其处于稳定工作状态；d)根据进入光电探测器脉冲激光光强设置示波器(频率计数器或频谱分析仪)的量程；e)通过示波器(频率计数器或频谱分析仪)测得被测脉冲激光的周期或频率数值，重复测量n6.3.3数据处理由以下步骤得出脉冲重复频率：a)根据示波器测得被测脉冲激光的周期(示例见图14),取n次重频周期的均值为脉冲周期T.;urw,m时问(()图14记录的光脉冲周期示例b)按公式(13)计算得出脉冲重复频率：式中：f,——脉冲重复频率，单位为赫兹(Hz);T,——脉冲周期，单位为秒(s)。6.4电信号与光信号时间抖动6.4.1测量设备按图15所示顺序连接测量设备。6标引序号说明：图15电信号与光信号时间抖动测量设备框图6.4.2测量步骤电信号与光信号时间抖动的测量按照以下步骤进行：a)按图15所示顺序连接测量设备；b)被测脉冲激光器工作状态设置为外部触发，运行并预热使其处于稳定工作状态；c)根据激光强度使用光闸、衰减器、滤光片(必要时)调节脉冲激光，并使其进入光电探测器；d)将信号源的信号通过三通接入示波器第一通道，激光脉冲信号接入示波器的第二通道，示波器的触发方式设置为第一通道上升沿触发，根据被测激光器输出光强设置示波器的挡位；GB/T41572—2022e)利用示波器的时间延迟测量功能，测得第二通道信号的上升沿相对于第一通道信号上升沿的相对延迟时间T(示例见图16),等间隔测量n(n≥5)次。图16电信号与光信号延时测量数据示例6.4.3数据处理由以下步骤得出脉冲重复频率：a)根据示波器上显示的分析结果(示例见图16),按公式(14)计算得出n次测量延迟时间T的均值；Tavg———电信号与光信号间的延迟时间均值，单位为秒(s);T;——电信号与光信号间第i次的延迟时间，单位为秒(s);b)按公式(15)计算得出电信号与光信号时间抖动△tj:…(14)△tj——电信号与光信号间的时间抖动，单位为秒(s);6.5光信号时间抖动6.5.1测量设备按图17所示顺序连接测量设备。……GB/T41572—20221234561——驱动电源及控制系统；2——脉冲激光器；5——示波器；6——频谱分析仪。图17光信号时间抖动测量设备框图6.5.2测量步骤时间抖动测量法(详见附录D)测量光信号时间抖动按照以下步骤进行：a)按图17所示顺序连接测量设备；b)运行并预热被测脉冲激光器，使其处于稳定工作状态；c)根据激光强度使用光闸、衰减器、滤光片(必要时)调节脉冲激光，并使其进入光电探测器；d)对入射光电探测器的脉冲激光进行测量；e)通过示波器和频谱分析仪测得频谱分析结果。根据测量得到的频谱分析结果(示例见图18和图19),在幅度噪声可以忽略的情况下，按公式(16)和公式(17)计算得出低频时间抖动△ti和高频时间抖动△tH。峰值功率/dBGB/T41572—2022峰值功率/dB标引序号说明：PA-——谐波峰值；PB——在频谱仪分辨率带宽△fres下的低频噪声功率谱密度的峰值；Pc———在频谱仪分辨率带宽△fres下的高频噪声功率谱密度的峰值。 (16) (17)T——脉冲的周期，单位为秒(s);△fc——级次的3dB带宽，单位为赫兹(Hz);n谐波的级次。(资料性)脉冲宽度测量方法脉冲激光宽度是激光器重要的参数。对于单纵模输出，其脉冲宽度定义为脉冲宽度波形峰值曲线50%对应点的半高全度；对于多模输出，其脉冲宽度为最佳拟合包络脉冲曲线的半高全宽。A.2光电探测器法对于毫秒至纳秒脉冲激光时域参数的测量，典型的方法是光电探测器法。一般地，采用快速响应光电管和示波器可以实现200ps以上脉宽测量。光电探测器法设备光路示意图见图A.1。将入射脉冲激光经过适当的调节(必要时),辐照到光电探测器上，光电探测器通过光电效应产生光生载流子变化，从而将光信号的时域特性转化成电信号的时域特性，通过测量电信号的时域参数，从而获得入射光信号的时域参数。激光脉冲激光脉冲(必要时)被测激光器光电探测器图A.1光电探测器法设备光路示意图由于光电探测器法采用电信号的时域参数测量代替光信号时域参数测量的技术路线，所以示波器读出的时域脉冲宽度、上升/下降时间包括3部分：a)激光脉冲信号脉冲宽度、上升/下降时间；b)光电探测器的响应特性；c)电信号读出电路及示波器本身的响应特性。故脉冲宽度tH、上升时间tr、下降时间t:由公式(A.1)给出：TH、Tr、tn———示波器读出的电信号脉冲宽度、上升和下降时间，单位为秒(s);光电探测器冲击响应对应的脉冲宽度、上升和下降时间，单位为秒(s);Tns、T₃、Tis——读出电路及示波器冲击响应对应的脉冲宽度、上升和下降时间，单位为秒(s)。以下，有关取值范围可以参考厂家提供的手册。对于具体的器件和仪器组成的测量系统，通常采用飞秒激光作为冲击信号(飞秒激光的脉冲宽度和上升/下降时间可以忽略不计),飞秒激光经过光电探测器后产生的电信号即可反应光电探测器的响应特性，飞秒激光产生的电信号经过读出电路和示波器后测量得到的电信号的时域特性参数TH-k、tp-is、Tf-s,同时包含光电探测器和读出电路及示波器的响应特性，即公式(A.1)可以用公式(A.2)t.=√t²一t²-fs………(A.2)T=√ti一t-GB/T41572—2022(资料性)超短脉冲测量方法B.1概述对于皮秒、飞秒脉冲宽度的测量，主要采用自相关法、FROG和SPIDER等测量脉冲激光和脉冲波形。B.2自相关法一般地，采用条纹相机可实现30ps～200ps脉冲波形测量；采用自相关法可实现100fs～250ps脉冲宽度测量。首先把入射激光脉冲分为相等光强的两束，让其中一束通过一个延迟线，再把这两束脉冲合并，通过一块倍频晶体，或双光子吸收介质，改变延迟使一束激光对另一束激光进行扫描，从而可得到一系列信号，这个信号的强度对延迟时间的函数即为脉冲的自相关信号。分为强度自相关和干涉自相关。强度自相关又分为共线自相关和非共线自相关，即有背景的自相关和无背景的自相关。B.2.2强度自相关将一束激光脉冲分为强度相同的两束激光，一束光强为I(t),另一束光强为延迟时间的函数I(t—t),两束光强度自相关用公式(B.1)表示：式中：t——一束光的时间延迟，单位为秒(s)。对于给定的脉冲波形，例如对于高斯型脉冲，I(t)=exp{-t²},……(B.1)其自相关函数由公式(B.2)表示：A₁(t)=exp{—t²/2}……(B.2)高斯型脉冲自相关波形的半高全宽(FWHM)与解卷积因子k(k=1.414)的比值，即为高斯型激光脉冲宽度。同样，对于双曲正割型脉冲I(t)=sech²(t),其自相关函数由公式(B.3)表示：……(B.3)其自相关波形的半高全宽(FWHM)与解卷积因子k(k=1.543)的比值，即为双曲正割型激光脉冲宽度。基于上述理论开发的测量仪器称为自相关仪。典型光学结构包括半反半透镜、延迟器、晶体、聚焦镜、滤光片和光电测量设备等，设备光路示意图见图B.1。角反射镜GB/T41572—2022角反射镜半反半透镜半反半透镜非线性晶体探测器Esi(t,t)聚焦透镜聚焦透镜时间延迟反射镜E(t)v图B.1强度自相关法(非共线)设备光路示意图脉冲激光经半反半透镜分为两束，然后经过两路反射镜反射，其中一路中的角反射镜放置在微动台上，调整两束光为等光程后平行进入透镜，在透镜焦点处放置一片非线性晶体，此时两束光因为非线性效应产生和频光，将此和频光导入探测器，记录其功率或光强。移动微动台，从而改变一束光的光程，使一束激光对另一束激光进行扫描，从而可得到一系列自相关信号，实现激光脉冲宽度测量。其中，分束镜、晶体、聚焦镜、滤光片和光电测量设备主要根据入射激光脉冲和二次谐波波长的匹配来选择。光电测量设备主要包括光电倍增管(PMT)(最高灵敏度可达10-⁵W²,频率>250kHz)、双光子吸收(TPA)(最高灵敏度可达到10-²W²,频率>10Hz)、光电二极管探测器(PD)(标准灵敏度高达1W²,频率>10Hz)。延迟器可以采用不同的光学结构，主要有平移直角棱镜、转动反射镜和转动玻璃平板等。B.2.3干涉自相关干涉自相关也称为条纹分辨自相关，可由公式(B.4)表示：……(B.4)事实上，这样的光信号是无法检测出来的。如果让这个场强通过一块倍频晶体，因为倍频信号的强度与基频光强的平方成正比，接收器上得到的光强信号则由公式(B.5)表示：……(B.5)设脉冲为双曲正割型，两束光的强度相等，且相位为零，可由公式(B.6)和公式(B.7)分别表示：Aỉ(t)=A²(t)=sech²(t)……(B.6)φ1(t)=9₂(t)=0……(B.7)公式(B.5)即倍频自相关信号S₂(t)的积分可解析得到公式(B.8):S₂(t)=1+2A(t)+A(t)cos2wt+Q(t)coswT……(B.8)式中：S₂(t)——干涉自相关波形；A(t)——双曲正割型脉冲自相关函数，由公式(B.9)表示：……(B.9)Q(t)——双曲正割型脉冲包络函数，由公式(B.10)表示：……(B.10)干涉自相关采用共线的方式，相关信号和两分束脉冲各自的倍频信号干涉在一起，其设备光路示意图见图B.2。半反半透镜半反半透镜E(t-t)Esi(t,)非线性晶体E(t)反射镜时间延迟(光程差)半反半透镜聚焦透镜探测器反射镜图B.2干涉自相关法设备光路示意图时问延迟/Tsa)无啁啾的脉冲的自相关曲线b)有啁啾的脉冲的自相关曲线图B.3有无啁啾的脉冲自相关曲线干涉自相关有两个特征：首先，总有一个中央条纹对应着这个曲线的最大值。其次，自相关曲线的最大值与背景的比值永远是8:1,有无啁啾的脉冲自相关曲线见图B.3。因此，干涉自相关曲线也称为8:1曲线。与强度自相关相比，从干涉自相关还可以得到以下信息：a)与脉冲的光谱一起，用拟合来确定脉冲的波形，定量地确定二级相位；b)定性地判断脉冲是否有三阶相位。能给出脉冲相位信息，也不能反映脉冲波形。推算脉冲宽度时需要假设脉冲波形，往往会产生很大误差。干涉自相关法可以揭示脉冲中相位的信息，但是这个信息不是唯一的，它不能给出脉冲的全部信息。B.3FROG该方法利用克尔开关取代了二阶非线性自相关器，获得脉冲的光谱对于脉冲延迟的函数。它的设备光路示意图见图B.4。FROG实验设备类似于自相关设备，不同的是自相关测量的是脉冲的强度对于脉冲延迟的函数，而FROG测量的是脉冲的光谱对于脉冲延迟的函数。可从以下步骤进行解析。GB/T41572—2022待测脉冲待测脉冲rer(o,r)=|JE(t.tjetar分束照相机非线性光学介质光谱仪八E()45"旋转玻片可变延迟tc)信号光通过一个偏振光检测器，即两个偏振方向相互垂直的偏振片(或偏振棱镜)。两个偏振片中间放有一个非线性介质和聚焦透镜(或柱面镜),非线性介质可以是一个很薄的石英玻璃片，或其他具有对称的三阶非线性介质。e)透过克尔开关的信号光入射到光谱仪被分光。当信号光相对于泵浦光之间的延迟t变化FROG根据不同的非线性机制，可以分为PG-FROG、SD-FROG、SHG-FROG和THG-PG-FROG因为需要脉冲峰值功率高而不常用。SHG-FROG因其低脉冲峰值功率和低脉冲能量成为主要测量工具。特别是不用光谱仪的简化版g)单发FROG。以上获得FROG行迹的方法需要机械扫描延迟线，获得FROG行迹的时间较别对应不同的空间位置。再经过光谱仪向波长方向色散，就得到波长对时间的FROG行FROG是一种常用的相位还原方法，具有很强的抵抗噪声干扰的能力，其适用范围相当广泛。而GB/T41572—2022其相位还原算法采用的是迭代的方式，耗时较长。如果假设的初值不合理，会导致迭代结果不收敛，无法得到准确的结果。将两个具有相同周期和相对时间延迟t的脉冲入射到光谱仪上，使这两个脉冲在光谱仪中相干，就会形成干涉条纹，干涉条纹的周期为1/t。a)如果两个脉冲相位不同，干涉条纹的间隔就会受到两个脉冲的相位差的调制。将干涉条纹做傅里叶变换，即可获得两个脉冲的相位差。b)如果其中一个脉冲的相位已知，从相位差中减去已知脉冲的相位，即可获得待测脉冲的相位。c)对于单一待测脉冲，可采用自参考方式，即将一个脉冲复制为两个相同的脉冲即脉冲对，并施加一个时间延迟t。由于单一脉冲复制的脉冲的谱相位相同，在干涉中互相减掉，因此，相干条纹的傅里叶变换中，脉冲的光谱相位差为零。d)为了得到脉冲的光谱相位，可将两个脉冲的光谱在频域做相对平移(几太赫兹),使其在频域上错开，称为侧移或侧切。光谱侧切并具有时间延迟t的两镜像脉冲干涉条纹的间隔，就会受到侧切脉冲光谱相位差的调制。通过傅里叶变换并积分，就能得出待测的侧切脉冲的光谱相位差。e)将相位差对频率做积分，就会得到两个脉冲的相位对频率的函数。实现光谱侧切的方法之一是，将两个镜像脉冲与一个展宽的啁啾脉冲在非线性晶体中进行和频转换。和频后两个镜像脉冲的中心频率就出现了微小的差别，即侧切。设经光谱侧切后两脉冲的中心频率分别为w。和we—Ω,则干涉条纹可由公式(B.12)表示：D(w,t)——光谱侧切干涉曲线；θ(we)——侧切后两个复制脉冲的光谱相位差，由公式(B.13)表示：θ(wc)=φ.(w。—Ω)-φ.(wc)Ω=—t/φ”……(B.14)式中：t——两脉冲之间的时间延迟；将(B.14)两端同时除以Ω:当Ω很小时，式(B.14)可看成微分公式(B.15)。SPIDER的设备光路示意图见图B.5。输入脉冲先被分成两束光，其中一束被送到色散介质，产生时域展宽的啁啾脉冲，另一束通过迈克尔逊干涉仪分束成两束具有微小时间延迟t的脉冲。然后，将这两束具有微小时间延迟的脉冲和时域展宽的啁啾脉冲一起聚焦到一个相位匹配非线性晶体上，使这两束脉冲分别与啁啾脉冲的具有微小频率差的两个频率成分和频。频率上转换后的两束脉冲被引入频谱GB/T41572—2022分光镜镜子镜子光谱仪抛物面镜镜子镜了BB0图B.5SPIDER设备光路示意图SPIDER基于光谱干涉原理，可以利用傅里叶变换滤波方法或小波变换方法直接从干涉条纹中提取侧切光谱的相位差及积分相位差，再除以光谱侧切量，而得到光谱相位。为了得到二阶相位，可以通过对公式(B.16)对w求二阶导数的方法。为了避免数值求导的误差，也可以对侧切干涉条纹进行小波求导得到相位的二阶导数即二阶相位。SPIDER具有较宽的脉冲测量范围，可以测量几ps到3fs的脉冲。适用于测量放大的脉冲、光参量放大的脉冲、多发脉冲和单次脉冲。SPIDER的相位还原不需要迭代的算法而拥有极快的求解速度。GB/T41572—2022(规范性)常用的解卷积因子自相关仪的测量结果是自相关宽度，根据自相关宽度计算超短脉冲激