Кіріспе

Жиілікпен шешілген оптикалық қақпа (FROG) - ұзындығы субфемтосекундтан шамамен наносекундқа дейінгі лазерлік импульстердің спектрлік фазасын өлшеудің жалпы әдісі. 1991 жылы Рик Требино мен Дэниел Кейн ойлап тапқан FROG бұл қиын мәселені шешудің алғашқы әдісі болды, өйткені әдетте, уақытты өлшеу үшін, оны өлшеу үшін қысқа оқиға қажет. Мысалы, сабын көпіршігінің жарылуын өлшеу үшін, әрекетті тоқтату үшін қысқа уақытқа созылатын стробо жарық қажет. Лазерлік ультрақысқа импульстер - бұрын-соңды пайда болған ең қысқа оқиғалар болғандықтан, FROG-қа дейін көп адамдар оларды уақытында толық өлшеу мүмкін емес деп ойлады. FROG бұл мәселені импульстің "автоспектрограммасын" өлшеу арқылы шешті, онда импульс өзі сызықтық емес оптикалық ортаға кіреді және импульстің нәтижесінде пайда болған кіреберісті бөлігі екі импульс арасындағы кідірістің функциясы ретінде спектрлік түрде шешіледі. Импульсті оның FROG ізінен алу екі өлшемді фазалық алу алгоритмін пайдалану арқылы жүзеге асырылады. FROG қазіргі уақытта импульстің ұзындығын шамамен ғана көрсететін автокорреляция деп аталатын ескі әдісті алмастыратын ультрақысқа лазерлік импульстерді өлшеудің стандартты әдісі болып табылады. FROG - бұл жай ғана спектрлік шешімін алған автокорреляция, бұл дәл импульс қарқындылығын және фаза мен уақытты алу үшін фазаны қайтару алгоритмін пайдалануға мүмкіндік береді. Ол өте қарапайым және өте күрделі лазерлік импульстерді өлшеуге қабілетті, және ол ең күрделі импульсті өлшеді, оны анықтауға қажетті импульс қолданылмаған. FROG-тың қарапайым нұсқалары бар (акрониммен, GRENOUILLE, FROG үшін француз сөзі), тек бірнеше оңай сәйкестендірілген оптикалық компоненттерді пайдаланады. FROG және GRENOUILLE екеуі де бүкіл әлемдегі ғылыми және өндірістік зертханаларда кеңінен қолданылады.

Теория

FROG және автокорреляция импульсті сызықтық емес ортада өзімен біріктіру идеясын бөліседі. Сызықтық емес орта тек екі импульс бір уақытта болған кезде ғана қажетті сигнал береді (яғни "оптикалық қақпа") импульс көшірмелері арасындағы кідірісті өзгертіп, әр кідірістегі сигналды өлшеу импульс ұзындығын белгісіз бағалайды. Автокорреляторлар импульсті сызықтық емес сигнал өрісінің интенсивтілігін өлшеуімен өлшеуі керек. Импульстің ұзындығын бағалау импульс нысанын қабылдауды қажет етеді, ал импульстің электр өрісінің фазасын мүлдем өлшеу мүмкін емес. FROG бұл идеяны тек интенсивтілік емес, сигналдың спектрін әрбір кідіріспен өлшеу арқылы кеңейтеді (осыдан жиілік шешіледі). Бұл өлшеу импульстің спектрограммасын жасайды, оны ортаның сызықтық емес екендігі белгілі болған жағдайда, уақыт немесе жиіліктің функциясы ретінде күрделі электр өрісін анықтау үшін пайдалануға болады. FROG спектрограммасы (әдетте FROG ізін деп аталады) - жиілік пен кідірістің функциясы ретінде интенсивтілік графигі. Алайда сызықтық емес өзара әрекеттесуден шыққан сигнал өрісін уақыт доменінде көрсету оңайырақ, сондықтан FROG ізінің типтік өрнегі Фурье түрлендіруін қамтиды. Сызықтық емес сигнал өрісі бастапқы импульске байланысты, және пайдаланылған сызықтық емес процесс, оны әрқашан , деп білдіруге болады. Ең көп таралған сызықтық емес екінші гармоникалық буын, онда импульс өрісі тұрғысынан іздің өрнегі: Бұл негізгі орнатуда көптеген ықтимал өзгерістер бар. Егер белгілі бір анықтама импульсі болса, онда ол белгісіз импульстің көшірмесі орнына қақпа импульсі ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бұл FROG немесе XFROG арқылы өзара байланыстылық деп аталады. Сонымен қатар, екінші гармоникалық генерациядан басқа басқа сызықтық емес эффекттер, мысалы үшінші гармоникалық генерация (THG) немесе поляризациялық қақпа (PG) қолданылуы мүмкін. Бұл өзгерістер for өрнегіне әсер етеді .

Тәжірибе

Көп рет түсірілген FROG-да беймәлім импульс сәуле бөлгішпен екіге бөлінеді. Бір көшірме екіншісіне қатысты белгілі бір мөлшерде кешіктіріледі. Екі импульс те сызықтық емес ортада бір нүктеге бағытталады, ал сызықтық емес сигналдың спектрі спектрометрмен өлшенеді. Бұл процесс көптеген кідіріс нүктелері үшін қайталанады. FROG өлшемін бір рет, кейбір кішігірім түзетулермен жасауға болады. Екі импульстік көшірме бұрышта қиылысады және нүкте емес, тура түзуге бағытталады. Бұл екі импульстің арасындағы фокус сызығы бойымен өзгермелі кідіріс жасайды. Бұл конфигурацияда өлшеуді түсіру үшін дифракциялық тордан және камерадан тұратын үйде жасалған спектрометрді пайдалану кең таралған.

Қайтару алгоритмі

Теориялық тұрғыдан күрделі болғанымен, жалпыланған проекциялар әдісі FROG іздерінен импульстерді алу үшін өте сенімді әдіс болып табылды. Өкінішке қарай, оның күрделілігі оптика қауымдастығындағы ғалымдардың кейбір түсініспеушілігі мен сенімсіздікінің көзі болып табылады. Сондықтан, бұл бөлім әдістің негізгі философиясы мен іске асырылуына, егер оның егжей-тегжейлі жұмыс істеуіне түсінік беруге тырысады. Алдымен, барлық мүмкін сигнал электр өрістерін қамтитын кеңістікті елестетіңіз. Берілген өлшеу үшін өлшенген FROG ізін қанағаттандыратын осы өрістердің жиынтығы бар. Біз осы өрістерді деректердің шектеуін қанағаттандыратын деп атаймыз. Өлшемде қолданылатын сызықтық емес өзара әрекеттесудің нысанын пайдалана отырып, білдірілетін сигнал өрістерінен тұратын тағы бір жиынтық бар. Екінші гармониялық генерация (SHG) үшін бұл математикалық форманың шектеуін қанағаттандыратын деп аталатын нысанда білдірілетін өрістер жиынтығы. Бұл екі жиын дәл бір нүктеде қиылысады. Тек бір ғана ықтимал сигнал өрісі бар, ол деректердің ізін сәйкес келетін және сызықтық емес өзара әрекеттесудің математикалық нысанына сәйкес келетін дұрыс қарқындылыққа ие. Біз өлшеуге тырысатын импульсті беретін нүктеді табу үшін жалпыланған проекциялар қолданылады. Жалпыланған проекциялар алгоритмі осы электр өрісі кеңістігінде жұмыс істейді. Әр қадамда біз басқа жиынтық үшін шектеуді қанағаттандыратын ағымдағы болжау нүктесіне ең жақын нүктесін табамыз. Яғни, қазіргі болжау басқа жиынтыққа жоспарланған. Бұл ең жақын нүкте жаңа ағымдағы болжау болады және бірінші жиынтықтағы ең жақын нүкте табылды. Математикалық шектеулер жиынтығына жобалау мен деректердің шектеулер жиынтығына жобалау арасында ауысып, біз ақыр соңында шешімге қол жеткіземіз. Деректер жиынтығына жобалау қарапайым. Бұл жиынтыққа кіру үшін сигнал өрісінің квадрат шамасы трассамен өлшенген интенсивтілікке сәйкес келуі керек. Сигнал өрісі Фурье түрлендіріледі Деректер жиынтығының ең жақын нүктесі magnitude of-ті деректің magnitude-мен ауыстыру арқылы анықталады, бұл фазаны сақтап қалады. Математикалық шектеу жиынтығына жобалау оңай емес. Деректер шектеуінен айырмашылығы, математикалық шектеулер жиынтығының қай нүктесі ең жақын екенін айтудың оңай жолы жоқ. Математикалық шектеулер жиынтығындағы ағымдағы нүкте мен кез келген нүкте арасындағы қашықтыққа арналған жалпы өрнекті жасайды, содан кейін бұл өрнекті сол қашықтықтың градиентін ағымдағы өрістің болжамына қатысты алып, азайтады. Бұл процесс осы мақалада егжей-тегжейлі қарастырылады. Бұл цикл сигнал болжамы мен дерек шектеуінің арасындағы қате (математикалық шектеуді қолданғаннан кейін) белгілі бір мақсатты ең төменгі мәнге жеткенге дейін қайталанады. FROG-ның екінші ізін ерітіндіден математикалық тұрғыдан құрастыру және бастапқы өлшеумен салыстыруға болады.

Өлшемді растау

FROG өлшеуінің маңызды бір ерекшелігі - импульстік электр өрісін табу үшін қатаң қажеттіден әлдеқайда көп деректер жиналады. Мысалы, өлшенген іздер кідіріс бағытында 128 нүктеден және жиілік бағытында 128 нүктеден тұрады делік. Жолда 128х128 нүкте бар. Осы нүктелерді пайдаланып, 2×128 нүктесі бар электр өрісі алынады (128 шама үшін және тағы 128 фаза үшін). Бұл өте жоғары анықталған жүйе, яғни теңдеулер саны белгісіздер санынан әлдеқайда көп. Осылайша, әрбір жеке деректің абсолютті дұрыс болу маңыздылығы айтарлықтай төмендейді. Бұл детектор шуы мен жүйелі қателіктерге ұшырауы мүмкін нақты әлемдегі өлшеулер үшін өте пайдалы. Шудың өлшенген ізге әсер етуі өте аз, бұл импульстегі физикалық құбылыспен шатастыруға болады. FROG алгоритмі қосымша ақпараттың көптігі мен шешімді табуда математикалық форманың шектеуін пайдалануы салдарынан осы әсерлерді "көріп" жатады. Бұл эксперименттік ЖҰҚ іздері мен алынған ЖҰҚ іздерінің арасындағы қате сирек кездессе де, жүйелі қателері жоқ іздер үшін өте аз болуы керек дегенді білдіреді. Сондықтан өлшенген және алынған ЖҰҚ іздері арасындағы елеулі айырмашылықтарды зерттеу қажет. Тәжірибелік орнату дұрыс емес болуы мүмкін немесе импульсте маңызды кеңістіктік-уақыттық бұрмалаулар болуы мүмкін. Егер өлшем бірнеше немесе көптеген импульстердің орташасын құраса, онда бұл импульстер бір-бірінен едәуір өзгеше болуы мүмкін.