멀티호턴 내 간섭 위상 스캔

멀티호턴 내 간섭상 스캔(MIIPS)은 울트라쇼트 레이저 기술에 사용되는 방법으로, 적응형 펄스 셰이퍼를 사용해 동시에 측정(위상 특성화), 펨토초(위상 보정) 레이저 펄스를 보정하는 방식이다. 초음파 레이저 펄스가 수백 펨토초 미만의 지속시간에 도달하면 지속시간, 시간강도 곡선 또는 전기장을 시간의 함수로 특징짓는 것이 중요해진다. 빛의 세기를 측정하는 기존의 광검출기는 가장 빠른 광다이오드나 스트립 카메라로도 직접적인 측정이 가능하기엔 아직 너무 느리다.

그 밖에 자기 상관, FROGR, SPIIDER 등 준 순간적인 비선형 광학적 효과를 바탕으로 한 수단이 개발되었다. 그러나 이러한 것들은 펄스 특성을 측정할 수 있을 뿐 아니라 펄스를 가능한 짧게 만들기 위해 결점에 대해서는 교정할 수 없다. 예를 들어, 펄스 지속시간이 동일한 강도 스펙트럼을 가진 대역폭 제한 펄스보다 길도록 선형적으로 짹짹거리거나 더 높은 순서 그룹 지연 분산(GDD)을 나타낼 수 있다. 따라서 반복 가능한 펄스 특성이 요구되는 다양한 용도에 대해서는 펄스를 특성화할 수 있을 뿐만 아니라 펄스를 특정 모양으로 교정할 수 있는 방법을 갖는 것이 매우 바람직하다. MIIPS는 펄스를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 고차 분산도 교정할 수 있으므로 변환이 제한적이거나 특정 위상 특성을 갖는 초음파 펄스를 생성하는 등 반복 가능한 전자기장이 중요한 용도에 매우 선호된다.

또한 MIIPS 방법은 비선형 결정에서 2차 고조파 생성(SHG)을 기반으로 하지만 자기 상관에서 맥박의 복제본을 일시적으로 스캔하는 대신 펄스 샤이퍼를 통해 제어 가능하고 다양한 GDD가 맥박에 적용된다. 강도는 나가는 펄스가 변형되지 않은 경우 또는 적용된 GDD가 들어오는 펄스 GDD를 정확히 보상할 때 최대값이다. 따라서 펄스 GDD는 측정되고 보상된다. SHG 신호를 스펙터클하게 해결함으로써 GDD를 주파수의 함수로 측정할 수 있어 스펙트럼 위상이 측정되고 모든 주문에 대해 산산이 보정될 수 있다.

이론

MIIPS 기반 장치는 펄스 샤이퍼(일반적으로 액정 기반 공간 조명 변조기 - SLM)와 분광계라는 두 가지 기본 요소로 구성된다. 펄스 셰이퍼는 초음파 펄스의 스펙트럼 위상 및/또는 진폭을 조작할 수 있다. 분광계는 레이저 펄스가 생성하는 2차 고조파 생성과 같은 비선형 광학 공정의 스펙트럼을 기록한다. MIIPS 공정은 전자제품의 휘트스톤 브릿지와 유사하다. 초음파 레이저 펄스의 알려지지 않은 스펙트럼 위상 왜곡을 측정하기 위해 잘 알려진(보정된) 스펙트럼 위상 기능이 사용된다. 일반적으로 알려진 중첩 함수는 펄스 대역폭에서 스캔되는 주기적인 사인파 함수다.

MIIPS는 초음파 펄스의 특성화를 위해 주파수 추적을 수집한다는 점에서 FROG와 유사하다. 주파수 분해 광학 게이트에서는 시간 축을 가로지르는 울트라 포터 펄스를 스캔하고 비선형 공정의 스펙트럼을 검출하여 FROG 트레이스를 수집한다. 라고 표현할 수 있다.

${\displaystyle I(\omega ,\tau )=\왼쪽 \int {E(t)g(t-\tau )e^{i\omega t}\mathrm {d}\오른쪽 ^{2}}$

MIIPS에서는 시간 도메인에서 스캔하는 대신 일련의 위상 스캔이 펄스의 위상 도메인에 적용된다. MIIPS 스캔의 추적은 각 위상 스캔의 2차 고조파 스펙트럼으로 구성된다. MIIPS의 신호는 다음과 같이 기록할 수 있다.

${\displaystyle I(2\omega )=\왼쪽 \int {E(\omega) ^{2}e^{i\phi }\mathrm {d} \phi }\오른쪽 ^{2}}$

MIIPS의 위상 스캔은 잘 알려진 기준 $함수$인${\displaystyle }$f (${\displaystyle \Omega }$)$${\$displaystyle$ f$(\omega$ $)\}$를 펄스 샤이퍼에 의해 도입하여 펄스의 알려지지 않은 $스펙트럼{\displaystyle \mathrm{}}$ 위상 \${\displaystyle }$( ${\displaystyle \Omega }$) ${\displaystyle \Phi (\omega$ $)\}$에 의한 왜곡을 국소적으로 취소함으로써 실현된다. The sum of the unknown phase and the reference phase is given by ${\displaystyle \phi (\omega )=\Phi (\omega )+f(\omega )}$. Because the frequency doubled spectrum of the pulse depends on ${\displaystyle \phi (\omega )}$, it is possible to accurately retrieve the unknown ${\displaystyle$$\Phi (\omega$ $)\}.$

물리적 프로세스의 위상 변조 절차는 일반적으로 연속적인 기능이다. 따라서 SHG 신호는 $\Omega {\displaystyle }$ {\$displaystyle \omega }$을(를) 중심으로 테일러 확장하면 확장될 수 있다$.$

${\displaystyle I(\omega )=\왼쪽 \int E(\omega +\Oomega ) E(\\omega -\Oomega ) \time {\text{exp}\i[\i(\omega +\Oomega )]\phi(\omega -\d}\matmatmatm) \Oomega \{2}}: \{{{{{{} \} \} \오른쪽 \}$

그리고

$\phi(\displaystyle \phi(\omega +\Oomega )+\phi(\ophi -\Oomega )=2\phi 0+\phi'(\omega )\Oomega ^{2}+...+{\frac {2}{(2n)!}}}\phi ^{2n'}(\omega )\오메가 ^{2n}}$

이 방정식에 따르면 SHG 신호는${\displaystyle }\varphi {\displaystyle }$ (${\displaystyle \Omega }$+ ${\displaystyle \mathrm{\Omega }}$)${\displaystyle }$+ +${\displaystyle }$(${\displaystyle \Omega }$- ${\displaystyle \mathrm{\Omega }}$) ${\displaystyle \phi (\omega +\Oomega )+\phi (\omega -\Oomega )}$이 0일$$ 때 최대치에 도달한다. 이것은 $\phi {\displaystyle {\mathrm{}}^{}}$(${\displaystyle \Omega }$)${\displaystyle }$=${\displaystyle }$- f ${\displaystyle {″}^{}}$(${\displaystyle \Omega }$) ${\displaystyle \Phi"(\omega )=-f"(\omega )}$에 해당한다$.$ $f{\displaystyle (\Omega }$) ${\displaystyle f(\omega )}$의 스캔을 통해 $\phi {\displaystyle \mathrm{}(\Omega )}$ ${\displaystyle \Phi(\omega )}$을(를) 결정할 수 있다$$$.$

기준 단계 $4{\displaystyle \mathrm{}}$(${\displaystyle \pi }$) ${\displaystyle$ 4$(\pi )}$의 각 전체 스캔에 대해 기록된 주파수는 두 개의 MIPS 추적 복제본이 된다$$(그림 1, 표시된 네 개의 복제본 참조). From this data, a 2D plot for SHG(${\displaystyle \omega ,\omega }$) is constructed where ${\displaystyle \omega =\pi c/\lambda _{SHG}}$. The second harmonic spectrum of the resulting pulse has a maximum amplitude at the frequency where the second derivative of the pulse has been compensated. $\Omega {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle m_{}}$(${\displaystyle \Omega }$ )${\displaystyle \omega _{m}(\omega )}$을(를) 설명하는 선은 미지상 단계의 두 번째 파생상품을 분석적으로 얻기 위해 사용된다$$. 이중 통합 후에는 위상 왜곡이 알려져 있다. 그런 다음 시스템은 왜곡을 취소하고 더 짧은 펄스를 얻기 위해 보정 단계를 도입한다. MIIPS의 절대 정확도는 위상 왜곡이 감소함에 따라 향상되므로 레이저의 대역폭 내에서 모든 주파수에 대해 위상 왜곡을 0.1 라디안 이하로 줄이기 위해 측정 및 보상의 반복적 절차를 적용한다.

모든 위상 왜곡이 제거되면 펄스가 가능한 최단이며 대역폭 제한 펄스 변환(TL)으로 간주된다. TL 펄스에 해당하는 MIIPS 트레이스는 $\pi {\displaystyle }$ ${\displaystyle \pi }$로 분리된 직선 평행선을 보여준다$.$ 스펙트럼상 왜곡이 제거되면 샤퍼를 사용하여 보정된 위상과 진폭을 도입하여 레이저 유도 프로세스를 제어할 수 있다.

MIIPS 기술은 멀티호톤 영상과 펨토초 광-질량 상호작용 연구의 선택적 참여에 성공적으로 적용되었다.

실험 설정

확장된 레이저 빔이 먼저 디프랙티브 그링(G)에 도달하고, 1차 반사판은 미러(M)로, 그 다음 커브드 미러(CM)로 꺾이며, 커브드 미러는 레이저를 공간 광 변조기(SLM)에 반사한다. 위상은 SLM을 통해 주파수의 각 구성요소에 적용된다. 그런 다음 레이저를 역반사한다. 비선형 매체를 사용하여 비선형(SHG, THG 등) 스펙트럼 대 위상 스캔을 펄스 특성화를 위한 MIPS 트레이스로 기록할 수 있다. 펄스가 특징지어지면 SLM을 통해 초음파 펄스에 보상 단계를 적용할 수 있다.

기타 초음파 펄스 측정 기법

• 주파수 분해 광학 게이트(FROG)
• 직접 전기장 재구성을 위한 스펙트럼상 간섭계측(SPIDER)

참조

• 단투스, 브이 브이 로조보이, 그리고 나. 파스퇴르크, "측정 및 수리: 펨토초 휘트스톤 브릿지."OE 매거진 9(2003)
• V. V. 로조보이, I. 파스퇴르크, M. 단투스, "멀티포톤 인트라풀스 간섭 4: 울트라포트 레이저 펄스의 스펙트럼상 특성화 및 보정" 광학 편지 29, 775-777 (2004)
• B. 쉬, J. M. 건, J. M. 델라 크루즈, V. V. 로조보이, M. 단투스, "펨토초 레이저 펄스의 위상 측정 및 보정을 위한 MIPS 방법의 양적 조사", J. 광학회 B 23, 750-759(2006)