ЛЯГУШКА

Чтобы узнать о других значениях, см. Ла Гренуй .

Серьезное наблюдение сверхбыстро падающих лазерных световых полей с устранением решеток ( GRENOUILLE ) представляет собой метод измерения ультракоротких импульсов, основанный на оптическом стробировании с частотным разрешением (FROG). Аббревиатура была выбрана из-за связи этой техники с FROG; Гренуй по-французски означает лягушка .

Теория

Поскольку большинство методов FROG имеют автокоррелятор , они также имеют связанные с ним деликатные проблемы с выравниванием. Кроме того, большинство FROG используют тонкий кристалл генерации второй гармоники (ГВГ) и спектрометр , что увеличивает требования к мощности сигнала, а также дополнительные проблемы с выравниванием. GRENOUILLE - это простое устройство, основанное на SHG FROG, в котором светоделитель , линия задержки и компоненты рекомбинации луча автокоррелятора заменены призмой , а комбинация спектрометра и тонкого кристалла ГВГ заменена толстым кристаллом ГВГ. Результатом этих замен является устранение всех чувствительных параметров выравнивания при одновременном увеличении мощности сигнала. Эти изменения также уменьшают сложность и стоимость систем этого типа. Однако, как и предыдущие системы, GRENOUILLE по-прежнему определяет полные данные о фазе и интенсивности импульса и создает кривые, по форме идентичные тем, которые дает SHG FROG.

Типичная установка FROG.

Типичную установку GRENOUILLE с теоретическим квадратным входным лучом можно увидеть выше. Первый элемент, горизонтальная цилиндрическая линза , используется для плотной фокусировки луча входящего сигнала в горизонтальную полосу на толстом кристалле ГВГ, чтобы получить диапазон углов падения кристалла (подробнее об этом ниже). Во время фокусировки луч проходит через бипризму Френеля с углом при вершине, близким к 180°. Бипризма Френеля представляет собой две тонкие призмы, соединенные в основании. Эффект этого элемента заключается в разделении луча на два источника и их наложении в точке фокусировки кристалла ГВГ, таким образом отображая задержку в горизонтальном положении. Это заменяет функцию автокоррелятора в исходных конструкциях FROG. Однако, в отличие от автокоррелятора, лучи бипризмы Френеля автоматически выравниваются во времени и пространстве, устраняя ряд чувствительных параметров выравнивания.

Толстый кристалл ГВГ в этой установке выполняет две функции. Два идентичных луча бипризмы пересекаются в кристалле с задержкой, изменяющейся в горизонтальном направлении, что фактически представляет собой процесс самозапуска. Вторая функция кристалла ГВГ — действовать как спектрометр, преобразуя вертикальный угол падения в длину волны . Ограниченная фазового синхронизма полоса пропускания кристалла приводит к тому, что генерируемая длина волны меняется в зависимости от угла падения. Таким образом, первоначальный фокус должен быть достаточно жестким, чтобы охватить весь спектр импульса. После кристалла ГВГ для отображения сигнала на камеру используются цилиндрические линзы, при этом длина волны отображается вертикально, а задержка отображается горизонтально.

В целом, в кристалле происходит ряд вещей: во-первых, два луча или импульса от бипризмы пересекаются под очень большим углом, который действует как однократный автокоррелятор, автоматически стробируя импульс, создавая различную задержку в кристалле. горизонтальное направление. В вертикальном направлении ограниченная полоса фазового согласования кристалла согласовывает разные небольшие части полосы пропускания входного импульса для каждого угла падения, эффективно действуя как спектрометр. Результатом является спектр длин волн в вертикальном направлении для каждой величины задержки в горизонтальном направлении.

Важно учитывать требования к «толстым» кристаллам ГВГ. При обычной генерации второй гармоники цель состоит в том, чтобы минимизировать рассогласование групповых скоростей (GVM), чтобы максимизировать полосу пропускания фазового согласования. Обычно это достигается за счет перекрытия волновых векторов основной и второй гармоник по всей длине кристалла L . Однако цель GRENOUILLE состоит в том, чтобы синхронизировать фазу только часть полосы пропускания импульса, чтобы он работал как частотный фильтр. Это приводит к ограничению: произведение GVM и L должно быть намного больше длины импульса: $\tau _{p}$. Использование определения GVM для ГСП

$GVM(\lambda _{0})\equiv \left({\frac {1}{\nu _{g}(\lambda _{0}/2)}}-{\frac {1}{\nu _{g}(\lambda _{0})}}\right)$

где $\nu _{g}(\lambda )$ - групповая скорость на длине волны, $\lambda$, ограничение

$GVM(\lambda _{0})L\gg \tau _{p}$

Кроме того, если кристалл слишком толстый, накопление дисперсии групповой скорости (ДГС) приведет к чрезмерному расширению импульса. Чтобы этого не произошло, произведение ДГС и длины кристалла L должно быть много меньше времени когерентности импульса: $\tau _{c}$, что является обратной величиной пропускной способности. Используя определение ДГВ

$GVD(\lambda _{0})\equiv \left({\frac {1}{\nu _{g}(\lambda _{0}-\delta \lambda /2)}}-{\frac {1}{\nu _{g}(\lambda _{0}+\delta \lambda /2)}}\right)$

где $\delta \lambda$ – ширина полосы импульса, приводит к виду

$\tau _{c}\gg GVD(\lambda _{0})L$

Эти два ограничения можно переставить и объединить, чтобы получить

$GVD{\frac {\tau _{p}}{\tau _{c}}}\ll {\frac {\tau _{p}}{L}}\ll GVM$

Произведение импульса на полосу пропускания по времени (TBP) определяется как отношение длины импульса ко времени когерентности импульса, $\tau _{p}/\tau _{c}$. Это означает, что длина кристалла L будет удовлетворять вышеуказанному условию одновременности, если

${\frac {GVM}{GVD}}\gg TBP$

которое считается фундаментальным соотношением системы. Отсюда видно, что свойства материала и размеры кристаллов будут влиять на временное и спектральное разрешение GRENOUILLE. Кроме того, глубина фокуса на кристалле может привести к получению более короткого кристалла, что позволяет в некоторой степени настраивать разрешение для импульсов с различной полосой пропускания. Чтобы понять характеристики данного кристалла, в условия GVD и GVM вводится коэффициент A, который можно переставить, чтобы получить

${\frac {GVD(\lambda _{0})}{A}}L\leq \tau _{p}\leq AGVM(\lambda _{0})L$

В приведенном выше уравнении предполагается, что TBP приблизительно равен 1, что указывает на импульс, близкий к ограниченному преобразованию. Если A намного больше 1, то условие хорошо выполнено. Случай, когда A равен 1, считается пределом удовлетворения этого условия и является границей, где кристалл может разрешить импульс. Обычно A выбирается как консервативное число, например 3. Эти уравнения можно использовать для определения рабочих пределов для данной установки в зависимости от длины волны.

См. также

• Оптическое стробирование с частотным разрешением