Многофотонная внутриимпульсная интерференционная фазовая развертка

Многофотонная внутриимпульсная интерференция фазового сканирования ( MIIPS ) — это метод, используемый в ультракороткой лазерной технологии, который одновременно измеряет (фазовая характеристика) и компенсирует (фазовая коррекция) фемтосекундные лазерные импульсы с использованием адаптивного формирователя импульсов . Когда ультракороткий лазерный импульс достигает длительности менее нескольких сотен фемтосекунд, становится критически важным охарактеризовать его длительность, временную кривую интенсивности или электрическое поле как функцию времени. Классические фотодетекторы, измеряющие интенсивность света, все еще слишком медленны, чтобы обеспечить прямое измерение, даже с помощью самых быстрых фотодиодов или стрик-камер .

Другие средства были разработаны на основе квазимгновенных нелинейных оптических эффектов, таких как автокорреляция , FROG , SPIDER и т. д. Однако они могут только измерять характеристики импульса, но не корректировать дефекты, чтобы сделать импульс как можно короче. Например, импульс может иметь линейный чирпированный импульс или иметь дисперсию групповой задержки (GDD) более высокого порядка, так что его продолжительность будет больше, чем у импульса с ограниченной полосой пропускания , имеющего тот же спектр интенсивности. Поэтому очень желательно иметь метод, который может не только определять характеристики импульса, но и корректировать его до определенной формы для различных применений, в которых требуются повторяемые характеристики импульса. MIIPS может не только измерять импульс, но и корректировать дисперсию высокого порядка , поэтому он очень предпочтителен для приложений, где важна повторяемость электромагнитного поля, например, для генерации ультракоротких импульсов, которые ограничены преобразованием или обладают определенными фазовыми характеристиками.

Метод MIIPS также основан на генерации второй гармоники (ГВГ) в нелинейном кристалле; однако вместо временного сканирования копии импульса, как при автокорреляции, к импульсу применяется управляемый и изменяемый GDD через формирователь импульса. Интенсивность максимальна, когда исходящий импульс не имеет чирпа или когда применяемый GDD точно компенсирует GDD входящего импульса. Таким образом, импульс GDD измеряется и компенсируется. Путем спектрального разрешения сигнала ГВГ можно измерить GDD как функцию частоты, так что можно измерить спектральную фазу и компенсировать дисперсию во всех порядках.

Теория

Устройство на базе MIIPS состоит из двух основных компонентов, управляемых компьютером: формирователя импульсов (обычно это пространственный модулятор света на основе жидких кристаллов - SLM) и спектрометра. Формирователь импульсов позволяет манипулировать спектральной фазой и/или амплитудой ультракоротких импульсов. Спектрометр регистрирует спектр нелинейного оптического процесса, такого как генерация второй гармоники, создаваемая лазерным импульсом. Процесс MIIPS аналогичен мосту Уитстона в электронике. Для измерения неизвестных спектральных фазовых искажений ультракоротких лазерных импульсов используется известная (калиброванная) спектральная фазовая функция. Обычно известная наложенная функция представляет собой периодическую синусоидальную функцию, которая сканируется по всей полосе пропускания импульса.

MIIPS похож на FROG тем, что для характеристики ультракороткого импульса собирается частотная кривая. При оптическом стробировании с частотным разрешением трасса FROG собирается путем сканирования ультракороткого импульса по временной оси и обнаружения спектра нелинейного процесса. Это может быть выражено как

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

В MIIPS вместо сканирования во временной области применяется серия фазовых сканирований в фазовой области импульса. След сканирования MIIPS состоит из спектров второй гармоники каждого фазового сканирования. Сигнал MIIPS можно записать как

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

Фазовое сканирование в МИИПС реализовано путем введения известной опорной функции формирователем импульса для локальной компенсации искажений неизвестной спектральной фазой импульса. Сумма неизвестной фазы и опорной фазы определяется выражением . Поскольку частота удвоенного спектра импульса зависит от , можно точно восстановить неизвестное . ${\displaystyle f(\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )=\Phi (\omega )+f(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$

Процедура фазовой модуляции физического процесса, как правило, представляет собой непрерывную функцию. Таким образом, сигнал ГВГ можно расширить с помощью разложения Тейлора примерно : ${\displaystyle \omega }$

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

И

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

Согласно этому уравнению, сигнал ГВГ достигает максимума, когда он равен нулю. Это эквивалентно . Путем сканирования можно определить. ${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )}$ ${\displaystyle \Phi ''(\omega )=-f''(\omega )}$ ${\displaystyle f(\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$

Итерации MIIPS для коррекции дисперсии высокого порядка фемтосекундного импульса.

Спектр с удвоенной частотой, записанный для каждого полного сканирования опорной фазы, приводит к получению двух копий трассы MIIPS (см. Рисунок 1, показаны четыре реплики). На основе этих данных строится двумерный график для SHG( ), где . Спектр второй гармоники результирующего импульса имеет максимальную амплитуду на частоте, на которой вторая производная импульса скомпенсирована. Описывающие линии используются для аналитического получения второй производной неизвестной фазы. После двойного интегрирования фазовые искажения известны. Затем система вводит фазу коррекции для устранения искажений и достижения более коротких импульсов. Абсолютная точность MIIPS повышается по мере уменьшения фазовых искажений, поэтому для уменьшения фазовых искажений ниже 0,1 радиана для всех частот в полосе пропускания лазера применяется итерационная процедура измерения и компенсации. ${\displaystyle 4(\pi )}$ ${\displaystyle \omega ,\omega }$ ${\displaystyle \omega =\pi c/\lambda _{SHG}}$ ${\displaystyle \omega _{m}(\omega )}$

Когда все фазовые искажения устранены, импульсы имеют максимально возможную пиковую мощность и считаются импульсами с ограниченной полосой пропускания | с ограничением преобразования (TL). Кривая MIIPS, соответствующая импульсам TL, показывает прямые параллельные линии, разделенные . После устранения спектральных фазовых искажений формирователь можно использовать для введения калиброванных фаз и амплитуд для управления лазерно-индуцированными процессами. ${\displaystyle \pi }$

Технология MIIPS успешно применяется для селективного возбуждения многофотонных изображений и исследования фемтосекундного взаимодействия света и массы.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка двухпроходной системы MIIPS.

Расширенный лазерный луч сначала достигает дифракционной решетки (G), отражение первого порядка отклоняется к зеркалу (М), а затем к изогнутому зеркалу (CM). Изогнутое зеркало отражает лазер на пространственный модулятор света (ПМС). Фазы подаются через SLM на каждую составляющую частоты. Затем лазер отражается ретроспективно. Используя нелинейную среду, нелинейные спектры (ГВГ, ГТГ и т. д.) в зависимости от фазового сканирования могут быть записаны в виде трассы MIIPS для характеристики импульса. После определения характеристик импульса к ультракороткому импульсу можно применить компенсационную фазу через SLM.

Варианты

Существует также улучшенный алгоритм MIIPS ^[1] , который позволяет эффективно восстанавливать фазу за одну итерацию при условии, что известен спектр лазера на эталонном образце. Ожидается, что этот метод будет особенно полезен для измерения светочувствительных образцов, а также в случае образцов, которые производят очень низкие спектры второй гармоники. Этот метод анализа позволяет избежать нетривиальной двусмысленности, которая возникает для структурированных профилей амплитудных импульсов, и может обеспечить лучшую обратную связь по точности восстановления фазы.

Gated-MIIPS (G-MIIPS) ^[2] представляет собой расширенный вариант MIIPS, разработанный для устранения ограничений, налагаемых фазовыми искажениями более высокого порядка при определении характеристик ультракоротких лазерных импульсов. В G-MIIPS используется амплитудный строб, сканируемый по всему спектру, что снижает влияние фазовых членов более высокого порядка и обеспечивает эффективное сжатие широкополосных лазерных импульсов с помощью простой установки формирователя 4𝑓 импульсов. G-MIIPS особенно эффективен для коррекции существенных фазовых искажений, вызванных такими факторами, как объективы микроскопа с высокой числовой апертурой.

Другие методы измерения ультракоротких импульсов

• Оптическое стробирование с частотным разрешением (FROG)
• Спектральная фазовая интерферометрия для прямой реконструкции электрического поля (SPIDER)

Рекомендации

• Дантус М., Лозовой В.В., Пастирк И. Измерение и ремонт: фемтосекундный мост Уитстона. Журнал ОЭ 9 (2003).
• Лозовой В.В., Пастирк И., Дантус М. «Многофотонная внутриимпульсная интерференция 4: Характеристика и компенсация спектральной фазы ультракоротких лазерных импульсов». Optics Letters 29, 775–777 (2004).
• Б. Сюй, Дж. М. Ганн, Дж. М. Дела Круз, В. В. Лозовой, М. Дантус, «Количественное исследование метода MIIPS для измерения фазы и компенсации фемтосекундных лазерных импульсов», J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006). ).
• А. Комин, Р. Чесельски, Н. Кока-Лопес, А. Хартшу, «Нахождение фазы ультракоротких лазерных импульсов с использованием алгоритма MIIPS», Opt. Экспресс 24, 2505-2512 (2016)
• А. Комин, Р. Чесельский, Г. Пиредда, К. Донкерс, А. Хартшу, «Сжатие ультракоротких лазерных импульсов с помощью стробируемого многофотонного внутриимпульсного интерференционного фазового сканирования», J. Opt. Соц. Являюсь. Б 31, 1118-1125 (2014)

Рекомендации

1. Комин, Альберто; Чесельский, Ричард; Кока-Лопес, Николас; Харчу, Ахим (8 февраля 2016 г.). «Фазовое восстановление ультракоротких лазерных импульсов с использованием алгоритма MIIPS». Оптика Экспресс . 24 (3): 2505. doi : 10.1364/OE.24.002505 .
2. Комин, Альберто; Чесельский, Ричард; Пиредда, Джованни; Донкерс, Кевин; Харчух, Ахим (1 мая 2014 г.). «Сжатие ультракоротких лазерных импульсов посредством стробируемого многофотонного внутриимпульсного интерференционного фазового сканирования». Журнал Оптического общества Америки Б. 31 (5): 1118. arXiv : 1401.5952 . дои : 10.1364/JOSAB.31.001118.