皮秒条纹相机的标定

　　1　前言

　　随着信息科学技术的深入发展,皮秒(10-12s)和飞秒(10-15s)量级的超短激光脉冲的标准计量工作显得越来越重要.这不仅是由于超短激光脉冲应用领域日趋扩大,而且随着科学技术的发展,瞬态过程研究领域亦迫切需要科学、准确、统一的计量标准.例如,作为现代光纤通信系统,已经不仅仅要求提供电话通信服务,同时还要求能够提供计算机网络数据、多频道电视节目等多项综合业务服务.这就需要增加传输系统的带宽,加大光缆传输信息的容量.为了达到这一目的,最简捷的办法是提高光电源的调制频率,采用脉宽更窄的超短激光脉冲.又比如,在面向21世纪的生命科学、遗传工程、生物技术等研究领域,利用超短激光脉冲作为瞬态过程的研究与探测手段,对飞秒、皮秒、量级超快速现象进行捕捉与释译,也是探索生命物种起源、成因的重要途径之一[1].从以上所述不难看出,随着超短激光脉冲应用领域的不断扩大和它所起到的重要作用,需要对它进行精确的测量,它的标准计量工作是十分重要的.

　　2　测量原理

　　目前,对飞秒量级的超短激光脉冲没有直接测量的仪器,主要采用相关测量法.它是利用非线性晶体(如ADP,KDP等),通过调整晶体的角度或改变晶体的温度,使它满足倍频位相匹配条件,产生二次谐波,通过对二次谐波的测量,间接地得到待测超短光脉冲的宽度,这种方法通常被称作二次谐波产生法(SHG),它的最高时间分辨率为飞秒(10-15s)量级;另一种方法称为双光子荧光法(TPF),它是利用某些荧光物质具有能够同时吸收两个光子,然后辐射出一个能量较大的光子,即所谓双光子荧光特性,来测量超短脉冲的宽度,它的最高时间分辨率为亚皮秒(10-13s)量级[2].而对于皮秒量级的超短激光脉冲,除了利用上述间接测量方法以外,目前国际上已有两种皮秒分辨率的可直接测量的仪器.一个是高速示波器,例如美国Tek公司的采样示波器,它是利用上升时间小于30ps的光电二极管作采样探头,实现对50ps以上周期光脉冲信号的测量.另一个是条纹相机,例如日本浜松光电公司的C2908系列.条纹相机是将被测光信号通过狭缝,在光电面上聚集成像,并通过高压扫描偏转板加速、放大其二次电子,使它在荧光面上再度成像,通过观测条纹像的宽度,得到被测光脉冲的时间,它的最高分辨率为2ps[3].

　　当利用上述仪器观测研究皮秒量级的超快速现象过程中,对测得的皮秒量级实验结果的可靠性、真实性的正确判断十分重要.换句话说,对皮秒分辨率直读仪器的误差估计、并设法建立统一的标准校正方法,力求提高测量精度,是本文研究的主要内容.为了这样一个目的,我们在利用条纹相机进行超短激光脉冲的精密测量中,采用了一种比较简单而准确易行的校正方法.具体做法是,通过迈克耳孙干涉仪设计两臂光程差,产生已知延迟时间间隔的双脉冲光作为校正用的基准时间间隔.而校正用的入射光源,采用主动锁模Ar+激光同步泵浦Rh6产生脉宽为2ps左右、频率为82MHz的染料激光.同时,利用已知延迟时间的标准平面透镜及100—200ps标准具,产生可变间隔的基准校正光源,得到了条纹相机最高扫速档的线性度校正曲线.