本文介绍了一种基于非线性晶体改进型的平衡光学互相关高精度时间间隔测量方法，基本思路是当偏振正交的两束脉冲光在第一次经过PPKTP晶体时，会产生一个倍频信号，未消耗的两束光通过反射镜再次经过非线性晶体再次产生一个倍频信号，通过双色镜和反射镜使得两路信号进入平衡探测器中探测，平衡探测器的作用时抹去了信号的强度因素，探测结果仅仅反映出时间延迟的信息，使得最终探测信号的强度仅仅与两路脉冲的初始相对延时相关，其中一块反射镜安装在纳米位移平台上，调节精密位移平台可得到两脉冲光程差，细调部分，另一个发射镜安装在微米平移台上，粗调部分。如图1所示，飞秒脉冲激光出射之后，经过一个半波片，然后脉冲激光束经过偏振分光棱镜(PBS)后，由于分光镜的作用，使得水平偏振的光透射，垂直偏振的光反射，两束光分别都经过一个四分之一波片和90度安装的反射镜，原路返回，返回时由于两次经过四分之一波片，两束光各自的偏振方向发生了90度的转变，使得原来水平偏振光的变成垂直偏振，垂直偏振的变为水平偏振，这样一来，再次经过PBS时，就能使得原始透射的光反射，原始反射的光透射，两激光束才能绝对重合。透镜(lens)的作用是聚焦光束使得两束重合的脉冲能正好射入晶体的中心位置，提高转换效率。经过第一个双色镜(DM1)时，两束光透过进入晶体第一次倍频，出来的光中既有原始频率的光，又有倍频后的光，经过第二个双色镜(DM2)时，原始光透射继续传播，倍频信号反射进入平衡探测器的一个接收端口，为消耗的原始光通过反射镜反射原路返回，再次进入晶体，通过第一个双色镜时，倍频信号反射，进入平衡探测器的第二个端口，整个光路如图1所示：图中紫色线代表基频光，蓝色箭头代表倍频光。其中第二类准相位匹配晶体对入射角度不存在要求，大大的提高了实验的成功率，平衡探测器是对两路信号的差进行放大，得到最终的输出电信号。实验中所用到的激光光源是由瑞士One-five公司生产的Origami-10型号的飞秒激光器，纳米位移台是江苏汇博机器人技术有限公司的MPT-1J系列的一维集成式工作台，所用的探测器是索雷博公司的PDB-450A的光电平衡探测器。

图1实验示意图

为使平衡探测器最后的输出能反映脉冲光程差，也就是空间上的延时，必须满足以下条件：首先，在两脉冲无光程差的情况下，两倍频信号Sig1和Sig2应该相等，探测器无任何信号；其次，通过输出电信号的绝对值大小关系可知两脉冲时间上的关系是快于还是慢于；最后，时延和输出值之间应该存在数学上的某种关系，通过实验可以验证。两束光的偏振方向不同，在晶体中传播时，群速度不一致，也就是晶体的非线性效应。由于晶体的非线性效应，当其在PPKTP中相互作用时，两脉冲的前后相对位置在不断变化，在追赶和超越的过程中，两脉冲存在空间上的部分重叠，最终的输出电信号由两脉冲来回两次在PPKTP晶体中的平均叠合情况决定的，所以必须保证两脉冲前后两次经过晶体时光强度和平均叠合度相同。鉴于倍频效率很低的情况，也就是忽略基频光第一次经过晶体的损耗，光强得到了保证，剩下只要保证平均叠合度相同即可，输出为零。调整微米位移平台，使变光程脉冲落后基准光脉冲一个特定时延Dt，使得两脉冲从PPKTP晶体中出来时恰好重合，也就是快光追赶上了慢光，如图3-9(1)所示，此时当未倍频的两脉冲经过反射镜再次入射到PPKTP晶体时，超前光脉冲刚好时间上领先于落后脉冲Dt，则两次传播过程中两脉冲平均叠合度相同，两次得到的倍频信号应该一致（考虑基准光低消耗），探测器两个输入一致，无信号输出。可见，该基于非线性晶体的互相关方案在测时前，需要事先调整微米平移台，引入时延Dt，也就是调零步骤。

图2两脉冲在晶体传播情况

通过调整纳米位移台使得两脉冲有一个τ的时间延迟，设在上述固定时延Dt的基础上，滞后时，即τ＜0，领先时τ＞0。当τ＞0时，如图2中（2）所示，第一次入射晶体时两脉冲之间时间延迟为Dt+t大于第二次出射晶体时两脉冲的时间间隔，所以Sig1小于Sig2，探测器输出为正。反之，当τ＜0时，如图3-9中（3）所示，第一次入射晶体时两脉冲之间时间延迟为Dt-t小于第二次出射晶体时两脉冲的时间间隔，所以Sig1大于Sig2，则最后探测器输出为负。由于飞秒的脉宽有一定范围，当时间间隔过大时，不管如何，两脉冲都不存在叠合情况，此时探测器无任何输出，所以τ必须在一个范围内调节，也就是说该方案存在一个与脉冲宽度相关的动态范围。这表明，在一定范围内该方案能够测量两个飞秒脉冲的时间间隔，是一种新型的高精度时间间隔测量方法。

实验所用的非线性晶体为PPKTP晶体。过程中，飞秒激光器作为光源，测得光束直径约为1.2mm。由于通过荧光卡观察光斑发散严重，无法直观看到光斑以及判断光束质量，所以利用荧光板和CMOS相机，调节相机的焦距，可以清楚地显示光斑的大小和光束质量。飞秒脉冲光源经过大气以及一系列的光学器件，大气折射，波片以及激光角发散的影响，在合束之后的光斑一定程度上存在展宽，同样通过CMOS相机观察对比初始光斑和传播之后合束光斑。如图3所示，可以看出传输之后的光斑直径略有增大，光晕也更为明显。

图3光斑对比图

实验过程主要分为两部分。一、前期光路调试，也就是两束光合束的调节。理论上说必须保证每一个光学元件的中心在同一高度，两个反射镜的反射面严格与激光入射成90度，但是在实际操作过程中，是不可能做到的。而且如果真的严格的做到了90度，反而有可能做不到光束的重合，本文通过荧光卡观察光斑的重合度，荧光卡的光斑略大于原始激光光斑，因为荧光卡发光的扩散效应再加上有一定的视觉误差。当两个光斑中心重合时，前期光路调节可认为完成。接下来就是探测器的接受和晶体的位置调节，晶体安装在二维的调整架上，可以通过来回左右上下调节晶体位置，使得脉冲聚焦再晶体的中心，在晶体出射端，用光谱仪不断探测不同位置的倍频光信号，当信号最大则可认为，聚焦位置找到。在探测器接受端，由于探测器的接收面叫小，需要不断的调节反射倍频信号的反射镜，从而使探测器能接受信号，这一模块调节很复杂，由于前端光路中所用的波片均未镀膜，镜面的折反射效应的存在导致绿光光斑有两个，其中一个为散射光可忽略不计实验效果干扰因素较多。最后是整体实验，在调零的基础上，也就是通过微米位移台调节两脉冲光程差，使得探测器的输出为零。在此基础上固定微米位移台，来回调节纳米位移台，也可以看作为线性扫描，不断改变光程差，从而得到对应不同光程差，探测器的输出，从而绘制出曲线，与之前的理论曲线进行对比，以此衡量实验的效果。从实验曲线可以得出实验的灵敏度以及实验的动态范围。

在实验之前通过Sellmeier方程计算出通过晶体脉冲时间延迟为43fs。

其中T0=20°C，对应温度的热光系数为：

为保证测量动态范围能超过飞秒光源的脉宽，晶体应选取合适的长度，本实验实际测量之前，在光学平台初步调节脉冲光程差一致，但这只是毫米量级的精度，需要通过微米位移台进行调零。调零之后的探测器信号通过示波器的显示如图4所示，此时的纳米平移台不做任何操作，设置电压为零。

图 4调零时刻示波器和控制器的状态

在此基础之上，通过平衡探测器得到时间间隔与输出信号的关系曲线。在微米调零的基础上，不断通过纳米平移台移动安装在上面的反射镜以此不断改变两束脉冲光光程差，由于实验的动态范围大约在500fs，对应的位移为150um，调节的幅度应该很小，否则很容易超出测量范围，得不到任何信号。

将所得到的实验数据，整理之后列成表格，根据实验数据点描绘出的曲线与理论模拟曲线相比，可以看出两曲线较为吻合，实际曲线与仿真曲线对比如图5所示。

图 5数据曲线与仿真曲线对比

从表中数据可以看出实验的最大动态范围为450fs，当纳米平移台的位移过小时，电压值不变，能引起电压变化的最小的位移间隔为15um，对应的最小时间分辨率为50fs。

来自《基于PPKTP晶体的飞秒量级时间间隔测量技术研究》