3.3. Нелинейные оптические методы измерения длительности ультракоротких импульсов

Как следует из предыдущих разделов, в пикосекундном и особенно в субпикосекундном диапазонах производить измерения, основываясь на электронных и электронно-оптических методах, чрезвычайно трудно. Нелинейная оптика позволяет применить хорошо развитые методы и в особенности метод корреляционных измерений к предельно коротким световым импульсам. Только этим путем удалось измерить длительности импульсов первых лазеров с синхронизацией мод вскоре после их создания [3.9-3.13]. В качестве примеров таких методов мы рассмотрим генерацию второй гармоники и двухфотонную люминесценцию (о теоретических основах этих эффектов см [11, 30]). Кроме того, мы обсудим оптические затворы, основанные на эффекте Керра, индуцированном лазерным излучением.

3.3.1. Измерение корреляционной функции интенсивности посредством генерации второй гармоники

Представленная на рис. 3.5 схема установки для снятия автокорреляционной функции напряженности поля модифицируется следующим образом: перед детектором помещается нелинейный оптический кристалл, который безынерционно преобразовывает часть излучения на основной частоте со во вторую гармонику с частотой Остаточное излучение на частоте со поглощается фильтром. Кроме того, можно перед обоими зеркалами поместить поляризаторы, обеспечивающие взаимно перпендикулярную поляризацию отраженных волн. При надлежащем выборе кристалла и его ориентации (см. гл. 8 и [11, 22, 30]) выполняется равенство

где и — напряженности полей линейно поляризованного излучения в обоих плечах устройства и — интенсивность света

на входе коррелятора; есть задержка, определяемая смещением зеркала Интенсивность второй гармоники излучения, пропорциональная зависит от времени Задержка является параметром этой зависимости. Константы С и С определяются параметрами кристалла и геометрией установки. Нелинейный кристалл действует, следовательно, как оптический умножитель. Детектор интегрирует сигнал, пропорциональный мощности второй гармоники, за время следования импульса. Таким образом проинтегрированный по времени выходной сигнал пропорционален корреляционной функции интенсивности второго порядка (или соответственно корреляционной функции напряженности поля четвертого порядка). Поляризаторы в этой специальной измерительной установке с подобранным кристаллом обеспечивают преобразование во вторую гармонику только при условии, что излучение поступает на детектор одновременно по обоим каналам. В этом случае корреляционная функция измеряется без пьедестала. (Без поляризаторов такой пьедестал образовывался бы другими частями сигнала, например пропорциональными Кроме того, поляризаторы позволяют обеспечить в нелинейном оптическом кристалле неколлинеарное взаимодействие обоих импульсов, что также позволяет избежать образования пьедестала (рис. 3.11). В надлежащим образом вырезанном кристалле при неколлинеарном взаимодействии двух лучей с обыкновенной поляризацией основного излучения можно получить вторую гармонику с необыкновенной поляризацией. Направление луча второй гармонической составляющей при этом определяется следующим условием, налагаемым на волновые векторы:

Это равенство называют условием фазового синхронизма (см. гл. 8). Для направления, удовлетворяющего этому условию, Поэтому при отсутствии одной из составляющих эффективное удвоение частоты невозможно. Описанный метод измерения корреляционной функции интенсивности с преобразованием во вторую гармонику особенно удобен для лазеров с большой частотой следования импульсов, например для лазеров с непрерывной накачкой и синхронизацией мод. Частота следования импульсов в этом случае часто имеет порядок величины 100 МГц (см. гл. 4—6).

В некоторых работах корреляционная функция при образовании второй гармоники и высоком пространственном разрешении относительно задержки специально измеряется с пьедесталом, что позволяет получить при достаточной точности дополнительную

(кликните для просмотра скана)

информацию о сигнале [3.17]. Для этого используется коллинеарное взаимодействие без применения поляризаторов. (Следует подчеркнуть, что при типовых корреляционных измерениях необходимо обращать внимание на быстро осциллирующие дополнительные составляющие, способные внести искажения, особенно вблизи максимума автокорреляционной функции.)

Преобразование в третью гармонику (либо в нелинейном оптическом материале с большим значением нелинейной восприимчивости третьего порядка, либо путем преобразования во вторую гармонику с последующим образованием излучения с частотой в результате взаимодействия излучений с частотами позволяет измерить корреляционную функцию интенсивности третьего порядка (см. гл. 8). В то время как корреляционная функция второго порядка всегда симметрична относительно что не дает возможности сделать заключение об асимметрии импульсов, корреляционная функция третьего порядка позволяет обнаружить более тонкие детали формы импульса, например его асимметрию [3.2, 3.3, 3.18].