光學(xué)自相關(guān)儀用于各種目的，特別是用于光的詳細(xì)分析，特別是用于測(cè)量具有皮秒或飛秒持續(xù)時(shí)間的超短脈沖的持續(xù)時(shí)間，其中電子設(shè)備（例如基于光電二極管）太慢的。

用于脈沖持續(xù)時(shí)間測(cè)量的自相關(guān)儀的基本工作原理是檢查時(shí)間脈沖軌跡與其自身的相關(guān)性；下面將對(duì)其進(jìn)行說明。甲分束器產(chǎn)生的輸入脈沖的兩個(gè)副本。這些副本疊加在非線性介質(zhì)中，它們?cè)谀承┓蔷€性的基礎(chǔ)上相互作用，前提是它們暫時(shí)重疊。

強(qiáng)度自相關(guān)儀

強(qiáng)度自相關(guān)儀的設(shè)置。BS = 分束器。

如上圖所示的強(qiáng)度自相關(guān)儀中，分束器將輸入脈沖分成兩個(gè)脈沖，然后將其聚焦并發(fā)送到具有χ (2)非線性的晶體中。可以通過可變光學(xué)延遲線機(jī)械地調(diào)整臂長(zhǎng)差異以及脈沖的相對(duì)定時(shí)。（使用不同種類的延遲線，例如使用安裝在揚(yáng)聲器上的旋轉(zhuǎn)玻璃塊或鏡子。）如果臂長(zhǎng)差異很小，使脈沖在非線性晶體中相遇，則會(huì)發(fā)生和頻生成過程，導(dǎo)致具有較短波長(zhǎng)的輸出. 如果增加相對(duì)時(shí)間延遲，使晶體中兩個(gè)脈沖的重疊減少，則混合產(chǎn)物變?nèi)酢ｏ@然，如果脈沖相當(dāng)短，重疊會(huì)更快消失。

為了測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間，將混合產(chǎn)物的功率記錄為臂長(zhǎng)差的函數(shù)。這可以在計(jì)算機(jī)控制下完成，使用電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)延遲線，或者簡(jiǎn)單地使用揚(yáng)聲器移動(dòng)角錐棱鏡。自相關(guān)信號(hào)對(duì)時(shí)間延遲的依賴性由下式給出

下圖顯示了sech2形脈沖的自相關(guān)信號(hào)。橫軸顯示根據(jù)臂長(zhǎng)差計(jì)算的時(shí)間延遲。

持續(xù)時(shí)間為150fs的sech2形脈沖的強(qiáng)度自相關(guān)。延遲線位移15μm 對(duì)應(yīng)于時(shí)間延遲變化100fs。

對(duì)于sech2形脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間約為自相關(guān)信號(hào)寬度的0.65倍，但該轉(zhuǎn)換因子取決于脈沖形狀。粗略的評(píng)估通常基于有關(guān)脈沖形狀的一些假設(shè)。將記錄的自相關(guān)與假設(shè)的脈沖形狀的理論曲線擬合提供了一種健全性檢查，但不是嚴(yán)格的檢查。在此上下文中，注意自相關(guān)例如總是關(guān)于其中心對(duì)稱，即使對(duì)于不對(duì)稱的脈沖形狀也是如此。然而，不對(duì)稱的自相關(guān)形狀可以從未對(duì)齊的自相關(guān)儀中獲得。即使對(duì)于表征超短脈沖，相對(duì)較慢的光電探測(cè)器也足夠了。請(qǐng)注意，可以在不需要快速光電探測(cè)器的情況下測(cè)量非常短的脈沖持續(xù)時(shí)間：探測(cè)器只需測(cè)量平均功率（假設(shè)將常規(guī)脈沖序列發(fā)送到自相關(guān)儀），而不是解析脈沖的功率變化。

對(duì)于非常短的脈沖持續(xù)時(shí)間（例如<20fs），會(huì)出現(xiàn)各種困難：分束器的帶寬可能有限，其基板和其他光學(xué)元件會(huì)引入色散。此外，如果光束角度太陡，幾何拖尾效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的脈沖持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，并且群速度失配會(huì)限制相位匹配帶寬。在該域中使用非常薄的非線性晶體，有時(shí)厚度小于10μm。

強(qiáng)度自相關(guān)測(cè)量的共線設(shè)置可以利用晶體中的II 型相位匹配。兩個(gè)脈沖副本然后具有不同的極化方向，而不是不同的傳播方向。以此方式，避免了所提到的幾何拖尾效應(yīng)。

強(qiáng)度自相關(guān)稱為無背景，因?yàn)樾盘?hào)在大的時(shí)間延遲內(nèi)消失。這對(duì)于干涉自相關(guān)儀來說是不同的。

掃描與單次自相關(guān)儀

在大多數(shù)情況下，自相關(guān)軌跡需要來自常規(guī)脈沖序列的許多不同脈沖，因?yàn)槊總€(gè)時(shí)間延遲設(shè)置至少需要一個(gè)脈沖，并且必須掃描其中的一個(gè)范圍。然而，如果單個(gè)脈沖具有足夠高的脈沖能量，也可以測(cè)量整個(gè)自相關(guān)軌跡。甲單次自相關(guān)儀可以被實(shí)現(xiàn)成使得聚焦到非線性晶體是具有圓筒狀（而不是球形）做透鏡，并且將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)被記錄有照相機(jī)。晶體中的不同空間位置則對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間延遲。

干涉自相關(guān)儀

干涉自相關(guān)儀的設(shè)置包含一個(gè)具有可變臂長(zhǎng)差異的邁克爾遜干涉儀。脈沖的疊加副本共線傳播到非線性晶體中（在用透鏡或曲面激光鏡聚焦后）并具有相同的偏振。

干涉自相關(guān)儀的設(shè)置。BS = 分束器。

通過記錄倍頻信號(hào)的平均功率獲得干涉自相關(guān)：

其中積分在對(duì)應(yīng)于一個(gè)脈沖的時(shí)間范圍內(nèi)。這種自相關(guān)軌跡表現(xiàn)出周期為光波長(zhǎng)一半的快速振蕩。最大信號(hào)是在分束器后的兩個(gè)脈沖進(jìn)行完美相長(zhǎng)干涉時(shí)獲得的，與單個(gè)脈沖相比，振幅增加了兩倍，因此強(qiáng)度增加了四倍，頻率加倍后強(qiáng)度增加了16倍。對(duì)于較大的臂長(zhǎng)差異，脈沖在非線性晶體中不重疊，強(qiáng)度僅為單個(gè)脈沖產(chǎn)生的兩倍。因此，如果干涉儀正確對(duì)準(zhǔn)，峰值信號(hào)總是比背景高八倍。

持續(xù)時(shí)間為15fs的sech2形未啁啾脈沖的干涉測(cè)量自相關(guān)。

干涉自相關(guān)對(duì)啁啾很敏感，因此原則上可以提取關(guān)于脈沖的更多信息。然而，如果僅使用自相關(guān)信號(hào)的寬度，則啁啾脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)被低估。一種稱為修正譜自干涉相關(guān)(MOSAIC) 的改進(jìn)方法基于干涉自相關(guān)，該自相關(guān)在數(shù)值上進(jìn)行了后處理，使得所得軌跡更容易診斷啁啾。

持續(xù)時(shí)間為15fs的sech2形啁啾脈沖的干涉測(cè)量自相關(guān)。盡管脈沖持續(xù)時(shí)間與上圖 中的相同，但信號(hào)的寬度更小。

對(duì)于相對(duì)較長(zhǎng)的脈沖，干涉自相關(guān)軌跡的許多振蕩可以被平均掉。在這種情況下，峰值信號(hào)是背景的三倍（不是四倍，因?yàn)榉钦艺袷帲?/p>

由于其設(shè)置更簡(jiǎn)單，干涉自相關(guān)儀比強(qiáng)度自相關(guān)儀更適合測(cè)量非常小的（幾飛秒）脈沖持續(xù)時(shí)間。尤其是避免了上述幾何效應(yīng)。然而，其他脈沖表征方法（例如FROG或SPIDER）在低于10fs的范圍內(nèi)更為精確。

非線性晶體和相位匹配的選擇

選擇合適的非線性晶體和晶體厚度涉及各種考慮因素，例如相位匹配。在飛秒范圍內(nèi)，群速度失配也特別重要，可能會(huì)限制時(shí)間分辨率。薄KDP晶體是脈沖持續(xù)時(shí)間低至幾飛秒的不錯(cuò)選擇。由于其特別寬的相位匹配帶寬，碘酸鋰 (LiIO3 ) 也經(jīng)常被使用。

使用具有 II 型相位匹配的晶體可能是有利的，因?yàn)檫@樣更容易實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍。

基于雙光子吸收的自相關(guān)儀

可以使用具有大帶隙材料的光電二極管構(gòu)建特別緊湊和簡(jiǎn)單的自相關(guān)儀，其中光電二極管中只有兩個(gè)光子吸收對(duì)光電流有貢獻(xiàn)，而由于光子能量太小，沒有線性響應(yīng)。這種雙光子探測(cè)器有時(shí)允許非常寬的光學(xué)測(cè)量帶寬。

具有高動(dòng)態(tài)范圍的自相關(guān)儀

在某些情況下，需要測(cè)量具有特別高動(dòng)態(tài)范圍的自相關(guān)，以便人們可以檢測(cè)甚至相當(dāng)弱的脈沖基部，或可能例如由寄生反射引起的側(cè)峰。（鎖模光纖激光器特別傾向于產(chǎn)生這種特性。）為此，已經(jīng)開發(fā)了特殊的高動(dòng)態(tài)范圍自相關(guān)儀。例如，可以使用基于 II 型相位匹配晶體的無背景強(qiáng)度自相關(guān)儀，其中在時(shí)間重疊區(qū)域之外沒有上變頻信號(hào)。此外，可以使用一種設(shè)置，其中非線性晶體的兩個(gè)輸入光束用雙頻光斬波器調(diào)制. 然后，自相關(guān)信號(hào)在兩個(gè)調(diào)制頻率之和和差處具有頻率分量，并且可以用鎖定放大器進(jìn)行處理。

另一種可能性是使用三階自相關(guān)儀，使用具有倍頻分量的激光的和頻生成。這種設(shè)備還可以揭示不對(duì)稱特征，例如脈沖前后不同高度的基座。檢測(cè)器通常是光電倍增管，因?yàn)樗鼈兊脑肼暤刃Чβ侍貏e低。對(duì)于足夠高的脈沖能量，使用此類技術(shù)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍可以是80dB甚至100dB，盡管通常無法與最高時(shí)間分辨率結(jié)合使用。（較長(zhǎng)的非線性晶體提供更強(qiáng)的信號(hào)，從而提供更高的動(dòng)態(tài)范圍，但也會(huì)通過引入群速度失配來限制時(shí)間分辨率。）一些鎖模激光器即使在這么大的范圍內(nèi)也沒有基座，而其他鎖模激光器則具有相當(dāng)大的基座，然后很容易看到。

自相關(guān)方法的局限性；連貫的神器

從測(cè)量的自相關(guān)軌跡中，如果脈沖形狀已知，則可以很好地檢索脈沖持續(xù)時(shí)間，并且還可以檢查自相關(guān)軌跡是否與給定的脈沖形狀一致。然而，僅憑自相關(guān)軌跡無法唯一地測(cè)量脈沖形狀。主要原因是自相關(guān)軌跡始終是對(duì)稱的，即使對(duì)于不對(duì)稱的脈沖形狀也是如此。如果脈沖序列受到噪聲的影響，則會(huì)出現(xiàn)更多問題；自相關(guān)軌跡可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

此外，經(jīng)常使用的強(qiáng)度自相關(guān)技術(shù)無法提供有關(guān)相位分布的信息；獲得的自相關(guān)軌跡僅取決于光強(qiáng)度或功率的時(shí)間變化。對(duì)于非常短的脈沖，例如持續(xù)時(shí)間低于10fs，很難執(zhí)行準(zhǔn)確的自相關(guān)測(cè)量。一個(gè)挑戰(zhàn)是非線性晶體的相位匹配帶寬有限，即使它做得非常薄。 頻率分辨光選通(FROG) 和光譜相位干涉法(SPIDER) 已發(fā)現(xiàn)在該領(lǐng)域更準(zhǔn)確，同時(shí)還提供有價(jià)值的相位信息。

對(duì)于表現(xiàn)出強(qiáng)烈扭曲的時(shí)間形狀的脈沖，例如可能發(fā)生在不正常工作的鎖模激光器中，人們可以獲得自相關(guān)軌跡，該軌跡呈現(xiàn)出狹窄的特征——被稱為更寬結(jié)構(gòu)頂部的相干偽影。在這種情況下，僅僅將相干偽影作為脈沖持續(xù)時(shí)間的度量而忽略廣泛的背景是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，自相關(guān)軌跡在實(shí)際脈沖形狀上幾乎不包含任何信息。然后可以使用頻率分辨光選通實(shí)現(xiàn)更全面的脈沖表征。

Femto Easy自相關(guān)儀

Femto Easy是一家專門從事超快測(cè)量的公司。在高能超短脈沖的生產(chǎn)和表征方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)，為超快激光器提供穩(wěn)健可靠的測(cè)量設(shè)備，這些設(shè)備已在多個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室中使用。Femto Easy 提供兩種不同類型的非常緊湊且方便的自相關(guān)儀，用于超短脈沖表征：

ROC自相關(guān)儀

其中ROC（Row Optical Correlator）自相關(guān)儀是一款超緊湊的高品質(zhì)飛秒脈沖測(cè)量?jī)x，只需要一個(gè)單一的脈沖來測(cè)量其持續(xù)時(shí)間，只需兩分鐘即可完成測(cè)量！優(yōu)良的設(shè)計(jì)使其極易進(jìn)行光束對(duì)準(zhǔn)，無需校準(zhǔn)和調(diào)整，即使經(jīng)過搬運(yùn)也不影響儀器的優(yōu)良性能，它涵蓋了從幾百皮焦到幾毫焦的各種脈沖能量，以及從5fs到10ps的持續(xù)時(shí)間。除了這些優(yōu)點(diǎn)，還提供了卓越的技術(shù)性能和高精度的測(cè)量，可應(yīng)用于不同波長(zhǎng)和脈沖寬度的測(cè)量。

μ-ROC自相關(guān)儀

μ-ROC基于超緊湊和強(qiáng)大的內(nèi)聯(lián)設(shè)置，專為OEM 直接集成到激光頭或激光系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。μ-ROC是有史以來最緊湊的自相關(guān)儀。

MS-ROC自相關(guān)儀

MS-ROC自相關(guān)儀是一個(gè)多重自相關(guān)儀，允許測(cè)量自相關(guān)軌跡，它基于二次諧波產(chǎn)生，使其可靠且緊湊。它專為每脈沖具有亞nJ能量的源而開發(fā)。它使用光學(xué)延遲線來掃描延遲，每個(gè)脈沖都可以知道特定延遲的強(qiáng)度。它可以測(cè)量能量低至50pJ 的脈沖，其精細(xì)掃描模式的持續(xù)時(shí)間甚至低于50fs，憑借其高掃描速度，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)操作以進(jìn)行測(cè)量和優(yōu)化。