Введение
Частотно-резолюционный оптический гатинг (FROG) - это общий метод измерения спектральной фазы ультракоротких лазерных импульсов, длина которых колеблется от субфемтосекунды до приблизительно наносекунды. Изобретенный в 1991 году Риком Требино и Дэниелом Кейном, FROG был первым методом решения этой проблемы, которая является сложной, потому что обычно для измерения события во времени требуется более короткое событие, с помощью которого его можно измерить. Например, для измерения взрыва мыльного пузыря требуется светодиодный свет с более короткой продолжительностью, чтобы заморозить действие. Поскольку ультракороткие лазерные импульсы являются самыми короткими событиями, когда-либо созданными, до FROG многие считали, что их полное измерение во времени невозможно. Однако FROG решила проблему, измерив "автоспектрограмму" импульса, в которой импульс входит в нелинейную оптическую среду, и полученная в результате порция импульса затем спектрально разрешается в зависимости от задержки между двумя импульсами. Получение импульса из его следа ФРОГ осуществляется с помощью двухмерного алгоритма получения фазы. FROG в настоящее время является стандартной техникой для измерения ультракоротких лазерных импульсов, заменяя старый метод, называемый автокорреляцией, который давал только грубую оценку длины импульса. FROG - это просто спектроразрешенная автокорреляция, которая позволяет использовать алгоритм извлечения фазы для извлечения точной интенсивности импульса и фазы против времени. Он может измерять как очень простые, так и очень сложные ультракороткие лазерные импульсы, и он измерил самый сложный импульс, когда-либо измеренный без использования эталонного импульса. Существуют простые версии FROG (сокращённо GRENOUILLE, французское слово для FROG), использующие только несколько легко выравниваемых оптических компонентов. И ФРОГ, и ГРЕНУЙЛЬ широко используются в исследовательских и промышленных лабораториях по всему миру.
Теория
ФРАГ и автокорреляция разделяют идею объединения импульса с самим собой в нелинейной среде. Поскольку нелинейная среда будет производить желаемый сигнал только тогда, когда оба импульса присутствуют одновременно (т. е. "оптическое закрытие"), изменение задержки между копиями импульса и измерение сигнала при каждой задержке дает туманную оценку длины импульса. Автокорреляторы измеряют импульс, измеряя интенсивность нелинейного поля сигнала. Оценка длины импульса требует принятия формы импульса, а фаза электрического поля импульса не может быть измерена вообще. FROG расширяет эту идею, измеряя спектр сигнала при каждой задержке (отсюда частота разрешена), а не только интенсивность. Это измерение создает спектрограмму импульса, которая может быть использована для определения сложного электрического поля в зависимости от времени или частоты, если нелинейность среды известна. Спектрограмма ФРОГ (обычно называемая следом ФРОГ) представляет собой график интенсивности в зависимости от частоты и задержки. Однако поле сигнала от нелинейного взаимодействия легче выразить в области времени, поэтому типичное выражение для следа ФРОГ включает преобразование Фурье. Нелинейный сигнал зависит от исходного импульса, и используемого нелинейного процесса, который почти всегда может быть выражен как , таким образом, что наиболее распространенная нелинейность - это второе гармоническое поколение, где выражение для следа с точки зрения поля импульса: Если имеется хорошо известный справочный импульс, то он может использоваться в качестве входной импульса вместо копии неизвестного импульса. Это называется FROG или XFROG перекрестной корреляции. Кроме того, могут использоваться другие нелинейные эффекты, кроме второго гармонического поколения, такие как третье гармоническое поколение (THG) или поляризация (PG). Эти изменения повлияют на выражение для .
There are many possible variations on this basic setup. If a well known reference pulse is available, then it may be used as a gating pulse instead of a copy of the unknown pulse. This is referred to as cross correlation FROG or XFROG. In addition, other non linear effects besides second harmonic generation may be used, such as third harmonic generation (THG) or polarization gating (PG). These changes will affect the expression for .
Эксперимент
В типичной многократной установке FROG неизвестный импульс разделяется на две копии с помощью расщепляющего луча. Одна копия задерживается на известное количество относительно другой. Оба импульса сосредоточены в одной точке в нелинейной среде, и спектр нелинейного сигнала измеряется спектрометром. Этот процесс повторяется для многих точек задержки. Измерение ФРАГ может быть выполнено на одном снимке с некоторыми незначительными корректировками. Две копии импульса пересекаются под углом и фокусируются на прямой вместо точки. Это создает различную задержку между двумя импульсами вдоль фокусной линии. В этой конфигурации обычно используется домашний спектрометр, состоящий из дифракционной решетки и камеры, для захвата измерения.
Алгоритм поиска
Хотя теоретически это несколько сложно, метод обобщенных проекций оказался чрезвычайно надежным методом для извлечения импульсов из следов ФРОГ. К сожалению, его изощренность является источником некоторого непонимания и недоверия ученых в оптическом сообществе. Поэтому в этом разделе будет попытка дать некоторое представление об основной философии и реализации метода, если не о его детальной работе. Во-первых, представьте себе пространство, в котором содержится все возможные электрические поля сигналов. Для данного измерения существует набор этих полей, которые будут удовлетворять измеренному следу ФРАГ. Мы относимся к этим полям как удовлетворяющим ограничению данных. Существует еще один набор, который состоит из сигнальных полей, которые могут быть выражены с использованием формы для нелинейного взаимодействия, используемого при измерении. Для второго гармонического поколения (SHG) это множество полей, которые могут быть выражены в форме, которая соответствует математическому ограничению формы. Эти два множества пересекаются в одной точке. Существует только одно возможное сигнальное поле, которое имеет правильную интенсивность, чтобы соответствовать следам данных и соответствует математической форме, продиктованной нелинейным взаимодействием. Чтобы найти точку, которая даст импульс, который мы пытаемся измерить, используются обобщенные проекции. Алгоритм обобщенных проекций работает в этом электрическом полевом пространстве. На каждом шаге мы находим ближайшую точку к текущей точке догадки, которая удовлетворит ограничение для другого набора. То есть текущая догадка "проецируется" на другой набор. Эта ближайшая точка становится новой текущей догадкой, и находит ближайшую точку в первом наборе. Переключаясь между проекцией на математическое ограничение и проекцией на данные, мы в конечном итоге получаем решение. Проектирование на набор ограничений данных просто. Чтобы быть в этом наборе, величина квадрата поля сигнала должна соответствовать интенсивности, измеренной следом. Поле сигнала преобразуется в преобразование Фурье. Ближайшая точка в наборе ограничений данных находится путем замены величины на величину данных, оставляя фазу неповрежденной. Проецировать на математическое ограничение не просто. В отличие от ограничения данных, нет простого способа определить, какая точка в наборе математических ограничений ближе всего. Создается общее выражение для расстояния между текущей точкой и любой точкой в наборе математических ограничений, а затем это выражение минимизируется, взяв градиент этого расстояния относительно текущего уравнения поля. Этот процесс более подробно рассматривается в данной статье. Этот цикл повторяется до тех пор, пока погрешность между предположением сигнала и ограничением данных (после применения математического ограничения) не достигнет некоторого целевого минимального значения. Второй след ФРАГ обычно построен математически из раствора и сравнивается с исходным измерением.
Подтверждение измерения
Важной особенностью измерения FROG является то, что собирается гораздо больше точек данных, чем это строго необходимо для определения импульсного электрического поля. Например, скажем, что измеренный след состоит из 128 точек в направлении задержки и 128 точек в направлении частоты. В отслеживании 128 × 128 точек. Используя эти точки, получается электрическое поле, которое имеет 2 × 128 точек (128 для величины и еще 128 для фазы). Это чрезвычайно переопределенная система, то есть число уравнений намного больше, чем число неизвестных. Таким образом, важность абсолютной точности каждого отдельного пункта данных значительно снижается. Это очень полезно для измерений в реальном мире, на которые могут повлиять шум детектора и систематические ошибки. Шум крайне маловероятно влияет на измеренный след таким образом, что его можно было бы спутать с физическим явлением в пульсе. Алгоритм FROG имеет тенденцию "просматривать" эти эффекты из-за количества дополнительной информации и использования математического ограничения формы при поиске решения. Это означает, что погрешность между экспериментальным следом ФРОГ и полученным следом ФРОГ редко равна нулю, хотя она должна быть довольно небольшой для следов без систематических ошибок. Следовательно, следует изучить существенные различия между измеренными и полученными следами ФРОГ. Экспериментальная установка может быть неравномерной, или могут быть значительные пространственно-временные искажения в пульсе. Если измерение составляет среднее значение в течение нескольких или многих импульсов, то эти импульсы могут значительно отличаться друг от друга.