不同的脉冲宽度测量技术优势
光脉冲的宽度有许多不同的定义。最常用的定义是半高全宽，指脉冲峰值功率一半处所对应的时间宽度。对于不同机制产生的激光脉冲，半高全宽可以在很大的范围内变化。通过调制连续激光或使用调q激光器，可以产生脉宽百皮秒到数百纳秒的脉冲；锁模激光器的脉宽则在~5 fs至数百皮秒之间；高次谐波则能产生阿秒脉冲。
百皮秒及以上的脉冲宽度可通过电学的方法测量。光电二极管产生正比于入射光功率的电流，然后示波器或高频频谱分析仪将电流转化为可以直接测量的电压值。显示的电压-时间关系可在一定程度上表征脉冲的具体轮廓，进而计算出脉冲宽度。此方法十分简单，但受光电探测器整体的带宽限制，响应时间最少不低于十几个皮秒，因此难以用于测量皮秒和飞秒激光脉冲。
图1 自相关仪示意图
测量更短的脉宽只能通过光学的方法实现，例如光学自相关。光学自相关仪的基本结构类似迈克尔逊干涉仪(图1)。其通过分束镜和延迟线将待测脉冲等分为两路彼此时延τ的子脉冲i(t)和i(t-τ)，并聚焦到倍频晶体上，最后用光电探测器接收两脉冲彼此重合部分所激发的二倍频信号：
i_2ω (τ)在数学上即为待测脉冲的自相关曲线。通过测量自相关曲线的半高全宽，即可估计出相应脉冲的半高全宽。
光学自相关有非共线和共线两种形式(图1)。非共线自相关的子脉冲光路并不重合，扫描得到的自相关曲线没有背景信号的干扰。共线自相关曲线虽然存在子脉冲自身倍频所产生的背景信号，但具有干涉条纹，能在一定程度上揭示脉冲的相位信息。
光学自相关是测量飞秒脉冲宽度最常用的方法，然而其有两个缺陷：一是有限的相位匹配带宽让自相关仪难以测量脉宽短于10 fs的少周期脉冲；二是自相关曲线无法呈现具体的脉冲形状信息，计算脉宽需要假定待测脉冲的形状，因此不一定准确。
更精确的脉宽测量需要完全表征脉冲的技术，即能同时确定脉冲电场的幅度和相位的技术。典型的例子有频率分辨光学开关(frog)和光谱相位干涉仪(spider)。基于二倍频产生的frog系统(图2)和非共线自相关仪的唯一区别就是把光电探测器换成了光谱仪，从测量倍频信号的强度转为测量倍频信号的光谱，建立二维的光谱分辨自相关数据。通过算法迭代，即可从中重建脉冲的幅度和相位，实现脉冲的完全表征。
图2 基于二倍频的频率分辨光开关(shg-frog)系统示意图
除了测量二倍频光谱，frog技术还有许多变体(图3)，它们基于不同的物理机制建立二维的光谱分辨自相关数据：thg-frog的整体结构与shg-frog类似，区别仅在于其测量的是脉冲重合部分的三倍频信号；偏振门frog(pg-frog)中，两pbs正交放置，一光束为水平偏振，原本不会透过第二个pbs，另一光束为45°偏振态，能通过克尔效应影响非线性晶体在此偏振下的折射率，引起双折射效应，使前者偏振态变化，一部分能量得以透过。此时光谱仪所测得的信号同样可以表征两束光脉冲在时间上的重合，进而建立二维自相关数据；自衍射frog(sd-frog)和瞬态光栅frog(tg-frog)结构不一，但原理等价，均是通过脉冲重合瞬间干涉所产生的折射率光栅，使光谱仪测到来自特定方向的衍射信号，进而建立二维自相关数据。
尽管frog技术能获取脉冲的全部信息，但对于脉宽短于10 fs的情况，有限的晶体带宽令frog需要对频率相关的非线性转换效率做出校正。对于这点，无需任何校正的spider技术更为简单可靠。
图3 基于不同物理机制的frog技术
spider的原理基于自参考光谱干涉仪(图4)，系统整体看分为两路，一路是等分的待测脉冲，子脉冲彼此共线但有一定时延τ。另一路是一个引入了较大群延迟色散(gdd)的啁啾脉冲，两路被导入一个晶体中进行和频。由于啁啾脉冲在不同时延的频率成分有所差别，时间上彼此间隔的两脉冲在和频时看到的频率就略有不同。和频后，两脉冲光谱的强度分布完全一致，仅有一小段频移δω的差异，δω=τ/gddm一脉冲为e(ω)，另一脉冲即为e(ω+δω)，两脉冲共线，使相同的频率成分发生干涉，由此形成光谱侧切。通过测得的干涉后光谱和特定的算法，即可提取出脉冲相位的微分信息，进而重建出整个脉冲。
图4 近红外光谱相位干涉仪(spider)示意图
总结来说，每种脉冲测量技术都有不同的优势和缺陷，最佳的方法是结合使用不同的脉冲测量技术进行交叉验证。此外，上述的所有技术都已经有比较成熟的商业产品。不同的产品通常会针对特定的脉宽范围进行优化，建议在使用此类系统时详细阅读手册，找到正确的应用场景。
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百皮秒及以上的脉冲宽度可通过电学的方法测量。光电二极管产生正比于入射光功率的电流，然后示波器或高频频谱分析仪将电流转化为可以直接测量的电压值。显示的电压-时间关系可在一定程度上表征脉冲的具体轮廓，进而计算出脉冲宽度。此方法十分简单，但受光电探测器整体的带宽限制，响应时间最少不低于十几个皮秒，因此难以用于测量皮秒和飞秒激光脉冲。
图1 自相关仪示意图
测量更短的脉宽只能通过光学的方法实现，例如光学自相关。光学自相关仪的基本结构类似迈克尔逊干涉仪(图1)。其通过分束镜和延迟线将待测脉冲等分为两路彼此时延τ的子脉冲i(t)和i(t-τ)，并聚焦到倍频晶体上，最后用光电探测器接收两脉冲彼此重合部分所激发的二倍频信号：
i_2ω (τ)在数学上即为待测脉冲的自相关曲线。通过测量自相关曲线的半高全宽，即可估计出相应脉冲的半高全宽。
光学自相关有非共线和共线两种形式(图1)。非共线自相关的子脉冲光路并不重合，扫描得到的自相关曲线没有背景信号的干扰。共线自相关曲线虽然存在子脉冲自身倍频所产生的背景信号，但具有干涉条纹，能在一定程度上揭示脉冲的相位信息。
光学自相关是测量飞秒脉冲宽度最常用的方法，然而其有两个缺陷：一是有限的相位匹配带宽让自相关仪难以测量脉宽短于10 fs的少周期脉冲；二是自相关曲线无法呈现具体的脉冲形状信息，计算脉宽需要假定待测脉冲的形状，因此不一定准确。
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图2 基于二倍频的频率分辨光开关(shg-frog)系统示意图
除了测量二倍频光谱，frog技术还有许多变体(图3)，它们基于不同的物理机制建立二维的光谱分辨自相关数据：thg-frog的整体结构与shg-frog类似，区别仅在于其测量的是脉冲重合部分的三倍频信号；偏振门frog(pg-frog)中，两pbs正交放置，一光束为水平偏振，原本不会透过第二个pbs，另一光束为45°偏振态，能通过克尔效应影响非线性晶体在此偏振下的折射率，引起双折射效应，使前者偏振态变化，一部分能量得以透过。此时光谱仪所测得的信号同样可以表征两束光脉冲在时间上的重合，进而建立二维自相关数据；自衍射frog(sd-frog)和瞬态光栅frog(tg-frog)结构不一，但原理等价，均是通过脉冲重合瞬间干涉所产生的折射率光栅，使光谱仪测到来自特定方向的衍射信号，进而建立二维自相关数据。
尽管frog技术能获取脉冲的全部信息，但对于脉宽短于10 fs的情况，有限的晶体带宽令frog需要对频率相关的非线性转换效率做出校正。对于这点，无需任何校正的spider技术更为简单可靠。
图3 基于不同物理机制的frog技术
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图4 近红外光谱相位干涉仪(spider)示意图
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