飞秒时间量级已经超出了电子响应速度的极限，不能应用快速响应的电子仪器直接测量飞秒脉冲时域特性。根据光速c=3×10⁸m/s可知，1fs的脉冲空间持续长度为0.3μm，这个距离可以通过精密的位移平台扫描而分辨，因此可以将测量超短脉冲的时间宽度转变为空间长度而测量。最常用的方法就是自相关法，先把入射光分成两束，让其中一束光通过一个延迟线，然后再把这束光合并。通过一块倍频晶体，获得与光强的平方成正比的信号。改变延迟可得到一系列这样的信号。这个信号的强度对延迟的函数即为脉冲的自相关信号。从而把激光脉冲形状的测量转换成自相关函数波形的测量，通过其半宽度的时间间隔即可得到脉冲宽度。

图1

图1两束完全一样的光刚叠加时，就会从一开始有一点很低的强度，当它们完全重合时，强度将升至最大，然后接着将会慢慢下降至零。假设脉冲底部宽度为T，整个过程实际上相遇的时间为2T。

对于高重复频率的脉冲，自相关信号可以很容易地用自相关仪测得。图2是一个脉冲自相关仪的原理示意图。

图2

脉冲分光后，没有直接被平面镜反射，而是通过一个直角反射镜，或角锥棱镜将光束位移后再汇聚。这样做的目的是防止光通过分束板直接返回激光器，干扰激光器的锁模。显然，调节棱镜的位置可以使两束光分别有不同的光程，连续改变棱镜的位置可以形成一个脉冲序列对另一脉冲序列的扫描，形成相关函数的波形。选择倍频晶体的方向使输入光E(t)和E(t-τ)两束光的波矢量都稍偏离相位匹配方向，因而在单独入射时不产生二次谐波，当两束光同时入射时因合成波矢量满足相位匹配条件则产生二次信频其信号与两束光强的乘积有关。由于倍频光信号仅与两束光强度的乘积项有关，，因此所产生的二次谐波，由光电倍增管接收并予记录。

为了保证足够多的取样数据和图形的质量，扫描速率应在5～20Hz，对于放大后的脉冲的测量，如1kHZ重复频率的放大脉冲，由于单位时间内脉冲数目减少，扫描速率应在1Hz以下，同时有同步触发取样器。为了保持较好的线性度，使用带位移传感器的压电陶瓷作为扫描器。

将自相关仪接入示波器后，当光束的一臂扫描时，在示波器上可以看到与图3类似的相关曲线。按设定的自相关时间基α，由其半宽度的格值可以读出其半宽度格值(X)，而实时值则必须考虑定标因子(T/t)(ps/ms)，即X(T/t)，这里T为延迟时间，t为扫描时间。（T/t对于不同类型的仪器是不同的，参见具体仪器的说明书）。最后，实际的脉冲宽度还要考虑激光脉冲的波形系数：高斯型、双曲线正割型、单边指数型，其变换系数分别为0.707、0.648、0.5。也就是说，如果是高斯型脉冲，则其实际脉冲宽度为X× (T/t) ×α×0.707。

图3中心波长800nm，脉宽10fs的双曲正割脉冲的自相关图形

但是并不是所有的飞秒脉冲激光器都能提供高重复频率的脉冲列，特别是放大后的脉冲，重复频率可能是1000Hz，10Hz，1Hz，甚至更低。记录这样的脉冲相关信号不仅费时，而且随着重复频率的降低，脉冲之间的起伏会给相关图形的记录造成误差。因此对于测量低重复频率的脉冲，需要使用单脉冲自相关仪。两束脉冲相向射入晶体中，晶体的二阶非线性效应在空间给出相关强度分布，用摄像的方法记录并用灰度仪描述出这个分布。图4是单脉冲相关器原理，两束有一定宽度的光束在非线性晶体中以2Φ的角度相交，沿角平分线方向出射的是倍频光。假定倍频光的光束的空间宽度远远大于脉冲宽度，则倍频光的空间分布与脉冲的强度相关函数成正比。如果入射脉冲在时域是高斯分布的，则在倍频晶体后的倍频光也是高斯型。

图4单脉冲相关器原理

其中，美国Femtochrome公司采用旋转平行镜来改变光程，免去了步进电机在机电方面的不可靠性，从而实现更优良的测试性能。下图5是实物光路图，可以看到其光路简单，调节方面只需要调整M3的方位，即可实现光束的移动，倍频晶体通过调整螺旋测微器即可实现倍频晶体倾斜角的调节。图6和图7分别为俯视结构示意图和PMT接收光路示意图

图 5 Femtochrome-103MN实物光路

图 6 Femtochrome-103MN俯视示意图

图 7 接收光路示意图

图 8

上图8是一束高斯脉冲经过自相关仪后得到的信号，通过测试该信号的半高宽，乘以自相关时间因数和波形因子，即可得到脉冲信号的脉宽。

来自《激光脉冲宽度的测量──浅谈扫描自相关仪的结构原理与应用》

《飞秒激光技术》