Taajuusresoluutioinen optinen portti

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 2.1.2020 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Frequency -resolved optical gating ( FROG) on menetelmä ultralyhyiden laserpulssien mittaamiseen , joiden kesto vaihtelee subfemtosekunneista nanosekunteihin. Rick Trebinon ja Daniel J. Kanen vuonna 1991 keksimä FROG-tekniikka oli ensimmäinen ratkaisu tähän ongelmaan, jonka monimutkaisuus piilee siinä, että minkä tahansa prosessin aikapohjan saamiseksi on tarpeen korreloida se huomattavasti lyhyempiä prosesseja. Esimerkiksi saippuakuplan puhkeamisen ampumiseksi tarvitaan lyhyempiä valon välähdyksiä toiminnan "jäädyttämiseksi". Koska ultralyhyet laserpulssit ovat lyhyimpiä koskaan luotuja tapahtumia, ennen FROGin keksintöä uskottiin, että niiden täydellinen mittaus ajassa oli mahdotonta. FROG ratkaisee tämän ongelman mittaamalla pulssin "autospektrogrammin", joka on seurausta pulssin ja sen aikasiirretyn kopion vuorovaikutuksesta epälineaarisessa väliaineessa . Pulssi rekonstruoidaan sen FROG-kuvasta kaksiulotteisen vaiheen erotusalgoritmin avulla.

FROG on nyt standardimenetelmä ultralyhyiden laserpulssien analysointiin, ja se korvaa vanhan autokorrelaatiomenetelmän , joka antoi karkean arvion pulssin pituudesta. Pohjimmiltaan FROG on spektrisesti erottuva autokorrelaatioalgoritmi, jonka avulla voit käyttää vaiheen erotusalgoritmia pulssin intensiteetin ja vaiheen tarkan aikaperustan saamiseksi. FROG:n merkittävä etu on, että tämä tekniikka ei vaadi referenssipulssia. FROGia käytetään laajasti tutkimus- ja teollisuuslaboratorioissa ympäri maailmaa.

Perusteoria

Yleinen idea FROG- ja autokorrelaatiomenetelmien takana on yhdistää pulssi itsensä kanssa epälineaarisessa ympäristössä. Koska hyödyllinen signaali epälineaarisessa välineessä tuotetaan vain, jos molemmat pulssit ovat läsnä samanaikaisesti, niin muuttamalla pulssin ja sen kopion välistä viivettä voidaan saada arvio pulssin kestosta. Autokorrelaattorit mittaavat liikemäärää epälineaarisen signaalin intensiteetistä. Tällöin tieto vaiheesta katoaa ja tieto pulssin muodosta vääristyy merkittävästi. FROG puolestaan mittaa signaalin spektriä (siis nimi "taajuusresoluutio") riippuen viiveajasta, ei vain sen intensiteetistä. Tämä mittaus tuottaa pulssispektrogrammin, jota voidaan käyttää monimutkaisen sähkökentän määrittämiseen ajan tai taajuuden funktiona, jos väliaineen epälineaarisuus tunnetaan. FROG-spektrogrammi (jota kutsutaan yleisesti "FROG-jäljeksi") on kaavio intensiteetistä suhteessa taajuuteen ja viiveeseen . Epälineaarinen signaali on helpompi ilmaista aikatasolla, joten tyypillinen FROG-kuvan lauseke sisältää Fourier-muunnoksen. $\Omega$ $\tau$

I_{FROG}(\omega ,\tau )=\left|E_{sig}(\omega ,\tau )\right|^{2}=\left|FT[E_{sig}(t,\ tau )]\right|^{2}=\left|\int _{-\infty }^{\infty }E_{sig}(t,\tau )e^{-i\omega t}dt\oikea| ^{2}

Epälineaarinen signaali riippuu alkupulssista , sekä viivästetystä pulssista , . Helpoin tapa on käyttää SHG :tä , joka antaa . Näin ollen FROG-kuvan lauseke impulssin sähkökentän suhteen on: $E_{sig}(t,\tau )$ $E(t)$ $E_{gate}(t,\tau )=E(t-\tau )$ $E_{sig}(t,\tau )=E(t)E_{portti}(t,\tau )=E(t)E(t-\tau )$

I_{SHGFROG}(\omega ,\tau )=\left|\int _{-\infty }^{\infty }E(t)E(t-\tau )e^{-i\omega t }dt\right|^{2}

Tästä järjestelmästä on monia muunnelmia. Siten tuntemattoman säteen kopion sijaan voidaan käyttää tunnettua referenssipulssia välkkyvänä pulssina. Tätä kutsutaan nimellä XFROG tai ristikorreloitu FROG (toisin kuin automaattinen korrelaatio). Lisäksi toisen harmonisen sukupolven lisäksi voidaan käyttää muita epälineaarisia efektejä, esimerkiksi kolmas harmoninen sukupolvi (THG) ja muita. Nämä muutokset vaikuttavat lausekkeeseen . $E_{gate}(t,\tau )$

Käytännön toteutus

Tyypillisessä FROG-sarjakuvausasetuksessa mitattu pulssi jaetaan kahdeksi kopioksi säteenjakajalla. Toinen säteistä viivästyy tunnetun verran toiseen verrattuna. Molemmat pulssit kohdistetaan epälineaarisessa väliaineessa olevaan pisteeseen (epälineaarinen kide), ja kiteen ulostulossa oleva signaali mitataan spektrometrillä. Tämä prosessi toistetaan eri viiveaikojen ajan.

FROG-mittaus voidaan tehdä yhdelle kuvalle pienin muutoksin. Kaksi erillistä sädettä leikkaavat kulmassa ja tarkentuvat pisteen sijaan viivaan. Tämä luo erilaisen viiveen kahden pulssin välille tarkennuslinjalla. Tässä kokoonpanossa käytetään yleensä kotitekoista spektrometriä, joka koostuu diffraktiohilasta ja kamerasta.

Käsittelyalgoritmi

Sammakkokuvan käsittelyyn käytetään yleensä yleistettyjen projektioiden menetelmää . Vaikka sen teoreettinen monimutkaisuus on joidenkin väärinkäsitysten ja tutkijoiden epäluottamuksen lähde, se on osoittanut luotettavuutensa FROG-tekniikassa. Tarkemmat tiedot löytyvät täältä .

Käsittelyalgoritmin ymmärtämiseksi voit huomata seuraavaa: vastaanotettu data sisältää paljon enemmän pisteitä kuin on ehdottomasti tarpeen pulssiparametrien löytämiseksi. Oletetaan esimerkiksi, että FROG-kuva koostuu 128 viivepisteestä ja 128 taajuuspisteestä. Sähkökenttä saadaan 128 pisteen amplitudilla ja 128 pisteellä vaiheriippuvuus ajasta. Siten saamme 128x128 yhtälöjärjestelmän, jossa on 2x128 tuntematonta. Järjestelmää määritellään merkittävästi uudelleen, millä on positiivinen vaikutus mittauksen tarkkuuteen ja tuloksen luotettavuuteen.

Pääsääntöisesti FROG-kuvankäsittelyalgoritmit tarkoittavat "palautetta" - kentän vastaanottamisen jälkeen siitä palautetaan FROG-kuva ja sitä verrataan todellisuudessa mitattuun. Vahvien erojen tapauksessa on etsittävä syitä, joista tärkeimmät ovat: $E(t)$

säteen epävakaus (merkittävä ero säteen parametrien välillä pulssisarjassa);
kokeellisen järjestelmän virityksen virittäminen;
pulssin spatio-temporaalinen vääristymä.

Katso myös

FROG-tekniikat

GRENOUILLE, FROGin yksinkertaistettu versio.
Double-Blind_FROG, kahden pulssin samanaikaiseen mittaukseen.

Vaihtoehtoiset menetelmät

HÄMÄHÄKKI — spektrivaiheinterferometria suoran sähkökentän rekonstruoimiseksi.
MIIPS - monifotonihäiriövaiheskannaus, menetelmä ultralyhyiden pulssien ohjaamiseksi.

Muistiinpanot

Kirjallisuus

Rick Trebino. Taajuusresoluutioinen optinen portti : Ultralyhyiden laserpulssien mittaaminen . - Springer, 2002. - ISBN 1-4020-7066-7 .
R. Trebino, KW DeLong, DN Fittinghoff, JN Sweetser, MA Krumbügel ja DJ Kane, Ultrashort Laser Pulses in the Time-Frequency Domain using Frequency-Resolved Optical Gating , Review of Scientific Instruments 68, 3277-39275.