DIN 58175-2-2013 Lasers and laser-related equipment - Determination of the properties of ultra-short laser pulses - Part 2 Autocorrelation measurement method Text in German and Eng.pdf

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1、Juli 2013DEUTSCHE NORM Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO) im DINPreisgruppe 12DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 31.260!$kh“1947269www.din.deDDIN 5

2、8175-2Laser und Laseranlagen Bestimmung der Eigenschaften von ultrakurzen Laserpulsen Teil 2: Autokorrelationsmessverfahren;Text Deutsch und EnglischLasers and laser-related equipment Determination of the properties of ultra-short laser pulses Part 2: Autocorrelation measurement method;Text in Germa

3、n and EnglishLaser et quipement laser associ Dtermination des proprits des pulsations laser ultra-courtes Partie 2: Mthode de mesure dautocorrlation;Texte en allemand et anglaisAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 24 SeitenDIN 58175-2:2013-07 2 Inha

4、lt Seite Vorwort . 4 Einleitung 6 1 Anwendungsbereich 8 2 Normative Verweisungen . 8 3 Begriffe 8 4 Beschreibung des Verfahrens . 8 4.1 Allgemeines . 8 4.2 Scannendes Autokorrelationsverfahren zweiter Ordnung . 8 4.2.1 Messaufbau . 8 4.2.2 Vorbereitung 13 4.2.3 Kontrolle der Umgebung 13 4.2.4 Optisc

5、he Komponenten . 13 4.2.5 Anforderungen an das Detektorsystem . 17 4.2.6 Signalfilterung . 17 4.2.7 Kalibrierung der Zeitachse 17 4.2.8 Scanbereich . 19 4.2.9 Bestimmung der Autokorrelations-Halbwertsdauer . 19 5 Prfbericht . 23 DIN 58175-2:2013-07 3 Contents Page Foreword . 5 Introduction . 7 1 Sco

6、pe 10 2 Normative references 10 3 Terms and definitions . 10 4 Description of the method 10 4.1 General . 10 4.2 Second order scanning autocorrelation method . 10 4.2.1 Measuring system . 10 4.2.2 Preparation . 14 4.2.3 Control of environment . 14 4.2.4 Optical components 14 4.2.5 Detector system re

7、quirements . 18 4.2.6 Signal filtering 18 4.2.7 Calibration of the time axis. 18 4.2.8 Scan range . 20 4.2.9 Determination of the autocorrelation full width at half maximum 20 5 Test report 24 DIN 58175-2:2013-07 4 Vorwort Diese Norm (DIN 58175-2) wurde vom Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NA

8、FuO), Arbeitsausschuss NA 027-01-18 AA Laser“ erstellt. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Die Normenreihe DIN 58175 Laser und L

9、aseranlagen Bestimmung der Eigenschaften von ultrakurzen Laserpulsen besteht aus: Teil 1: Grundlagen Teil 2: Autokorrelationsmessverfahren DIN 58175-2:2013-07 5 Foreword This standard (DIN 58175-2) has been prepared by technical committee NA 027-01-18 AA “Laser” of the Precision Mechanics and Optics

10、 Standards Committee (NAFuO). Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent rights. DIN shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. DIN 58175 consists of the following parts, under the general title Lase

11、rs and laser-related equipment Determination of the properties of ultra-short laser pulses: Part 1: Principles Part 2: Autocorrelation measurement method DIN 58175-2:2013-07 6 Einleitung Zur zeitlichen Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse wurden in der Literatur verschiedene Verfahren vorgeschla

12、gen. Da eine direkte Messung des zeitlichen Verlaufes von ultrakurzen Laserpulsen aufgrund ihrer kurzen Dauer und der wesentlich langsameren zeitlichen Antwortfunktion aller bekannten elektronischen Detektorsysteme nicht mglich ist (siehe DIN EN ISO 11554: Detektor0,9. Das heit, wird |k|L 0,9. That

13、means, as long as 1 Lk holds for all wavelength components of the pulse, the conversion efficiency will not vary more than 10 % over the entire spectral bandwidth of the pulse, which is considered a sufficient compromise in most cases. As a second criterion for choosing the thickness of the nonlinea

14、r crystal, its group delay dispersion shall be chosen suitable for the respective pulse duration to be measured. The suitability is determined by an error estimation. The criteria are similar to those given for the beam splitter. Finally, the maximum tolerable crystal thickness shall suffice both co

15、nditions. Within these limitations, it shall be ensured that a sufficient conversion efficiency enables the generation of a measuring signal with adequate signal-to-noise properties. DIN 58175-2:2013-07 17 4.2.5 Anforderungen an das Detektorsystem Der verwendete Detektor einschlielich Verstrkersyste

16、m muss so ausgelegt sein, dass der Dynamikbereich und die Linearitt ausreichend sind, um die zu messenden Signale in dem relevanten Bereich proportional zu ihrer Intensitt wiederzugeben. Jegliche Nichtlinearitt der Leistungsmessung muss auf ein Mindestma verringert oder durch ein Kalibrierverfahren

17、korrigiert werden. ANMERKUNG Im Hinblick auf den Dynamikbereich sollte beachtet werden, dass sich aufgrund der nichtlinearen optischen Wechselwirkung das Messsignal am Detektor quadratisch zur eigentlich zu messenden Pulsleistung verhlt und somit der erforderliche Dynamikbereich des Detektorsystems

18、entsprechend wchst. Die Detektorflche muss so gro sein, dass die zu messenden frequenzkonvertierten Pulse vollstndig zur Messung gelangen. Das Detektorsystem muss dabei in der Lage sein, bei schneller Variation der Weglnge des einen optischen Teilweges allen Signalnderungen zu folgen, insbesondere o

19、hne Tiefpasswirkung auf das Signal zu haben. Die Messung oder Einstellung der Verzgerungszeit muss durch ein kalibriertes, linear mit der Verzgerungs-zeit zusammenhngendes Signal erfolgen. 4.2.6 Signalfilterung Nach der Frequenzkonversion im nichtlinearen Medium liegen neben der zu messenden frequen

20、z-konvertierten Strahlung, die aus der Wechselwirkung der beiden Teilstrahlen entsteht, auch Strahlungsanteile der zweiten Harmonischen jedes Einzelnen der beiden Teilpulse vor. Zustzlich knnen starke Reste der Fundamentalen (nicht konvertierten) Strahlung vorkommen. Im Falle nicht-kollinearer Wechs

21、elwirkung knnen beide Komponenten durch einen Raumfilter (Lochblende) sehr stark unterdrckt werden. Der Beitrag der fundamentalen Wellenlnge kann auerdem durch Wahl eines Detektors mit geeigneter spektraler Empfindlichkeitskurve (hohe Empfindlichkeit bei der zu messenden Wellenlnge der zweiten Harmo

22、nischen, geringe Empfindlichkeit bei der Fundamentalen) sowie geeignete spektrale Filter so weit wie mglich unterdrckt werden. ANMERKUNG Eine weitere Unterdrckung des Fundamentallichts kann durch Polarisatoren erreicht werden. Im Falle der kollinearen Wechselwirkung entfllt die Mglichkeit der Nutzun

23、g eines Raumfilters. Daher ergibt sich in diesem Falle immer ein Signaluntergrund in einer Hhe von (theoretisch) 1/8 des Maximums der Autokorrelation. 4.2.7 Kalibrierung der Zeitachse Die Kalibrierung der Zeitachse beruht, wie in 4.1 dargestellt, auf einer Wegmessung. Da bei der Autokorrelationsmess

24、ung die Zeitachse durch die Weglngendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen definiert wird, ist eine Bestimmung der absoluten Lngen der Lichtwege aber nicht erforderlich und im Allgemeinen auch nicht praktikabel. Vielmehr sind diese Lngen so einzurichten, dass sie zunchst annhernd gleich sind. Di

25、es ist gegeben, wenn ein Autokorrelationssignal messbar ist. Von dieser Situation ausgehend ist dafr Sorge zu tragen, dass ein hinreichend groer Verstellbereich fr die Lnge des variablen Teilweges (Scanbereich) ermglicht wird, um den Puls in seiner gesamten Dauer komplett abzutasten (siehe 4.2.8 zur

26、 Gre des Scanbereiches). Zur Kalibrierung wird nun im Allgemeinen eine zustzliche bekannte Verzgerung in einen Teilstrahl eingebracht, was eine Verschiebung des gemessenen Signals auf der Zeitachse um den entsprechenden Betrag zur Folge hat. Diese zustzliche Verzgerung kann zum Beispiel durch defini

27、erte Verschiebung eines retroreflektierenden Spiegels (z. B. mittels einer kalibrierten Messschraube) in Richtung der Strahlachse oder durch Einbringen eines kalibrierten optischen Elementes (z. B. Planplatte mit bekannter Verzgerungswirkung bei einer bestimmten Laserwellenlnge) in den Strahl erfolg

28、en. Bei beiden Methoden ist darauf zu achten, dass die Ausrichtung des Kalibriermittels exakt parallel zur Strahlrichtung erfolgt. DIN 58175-2:2013-07 18 4.2.5 Detector system requirements The detector system including amplifier electronics shall provide a sufficient dynamic range and sufficient lin

29、earity to reflect the signals to be measured proportional to their respective intensity, in their relevant range. Any nonlinearity of the signal measurement shall be reduced to a minimum or corrected by means of a calibration procedure. NOTE Concerning the dynamic range, it should be taken into acco

30、unt that due to the nonlinear optical interaction, the measuring signal at the detector depends in a quadratic manner on the original pulse power. Thus the necessary dynamic range of the detector increases accordingly. The sensitive area of the detector shall be large enough to collect the full beam

31、 profile of the frequency-converted pulses to be measured. The detector system shall be able to follow all the fast variations of the optical path of one of the test pulses, without any smearing out of the measuring signal. The measurement or setting of the delay shall be accomplished by a calibrate

32、d quantity that depends linearly on the delay. 4.2.6 Signal filtering Besides the converted radiation resulting from the interaction of the two replicas, there are also spurious radiation components of the second harmonic of the two individual test pulses after frequency conversion in the nonlinear

33、medium. Additionally, strong residuals of the fundamental (not converted) radiation may appear. In the case of non-collinear interaction, both components can be effectively suppressed by a spatial filter (pinhole). The contribution of the fundamental wavelength can additionally be suppressed by choo

34、sing a detector with suitable spectral sensitivity characteristics (high sensitivity at the measuring wavelength of the second harmonic, low sensitivity at the fundamental wavelength) and by the application of suitable spectral filters. NOTE An additional suppression of the fundamental radiation can

35、 be achieved by the use of polarizers. In the case of collinear interaction, the application of a spatial filter is not possible. Therefore, in this case there is a signal background of (theoretically) 1/8 of the maximum of the autocorrelation function. 4.2.7 Calibration of the time axis The calibra

36、tion of the time axis relies on a length measurement, as stated in 4.1. In the autocorrelation technique, the time axis is defined via a relative path length difference between the two test beams. Therefore, an absolute measurement of the lengths of the two beam paths is not necessary and usually no

37、t practical. Instead, these lengths are initially adjusted for equality. For alignment purposes, this criterion is already practically met when an autocorrelation signal is measurable. Starting from this initial alignment, care shall be taken that the adjustment range for the length of the variable

38、beam path (scan range) be sufficiently wide to sample the pulse over its complete duration (see 4.2.8 for scan range). For calibration, a well-known delay is introduced into one of the test beams, causing a respective shift of the measured signal along the time axis. This temporal delay can be accom

39、plished, for instance, by an accurately defined displacement of the retro-reflecting mirror along the beam axis (i.e., by means of a calibrated micrometer screw) or by introducing a calibrated optical element (i.e., a plane window having a well-known delay effect at a certain laser wavelength) into

40、one of the test beams. Using either method, care shall be taken to align the calibration medium exactly parallel to the beam direction. DIN 58175-2:2013-07 19 4.2.8 Scanbereich Der Scanbereich muss so gro sein, dass die Autokorrelationsfunktion vollstndig, d. h. ber die gesamte Pulsdauer, erfasst wi

41、rd. Dies kann im Allgemeinen als hinreichend angenommen werden, wenn die Signalstrke auf beiden Seiten des Maximums auf weniger als 1 % der maximalen Intensitt zurckgegangen ist. Im Fall der kollinearen Wechselwirkung sind diese Angaben auf den Signaluntergrund zu beziehen. Je nach Anwendungsfall ka

42、nn es ntig sein, diesen Bereich weiter zu fassen, insbesondere bei stark strukturierten Pulsen. 4.2.9 Bestimmung der Autokorrelations-Halbwertsdauer Die Autokorrelations-Halbwertsdauer ist in Analogie zu der Definition der auf die Leistung bezogenen Halbwertsdauer des Pulses definiert als 2/)()(ACFH

43、 maxACFACFACFMaxStStSjijitt= (6) fr eine untergrundfreie Autokorrelation (siehe Bild 2) Legende X t Femtosekunden Y Intensitt willkrliche Einheit Bild 2 Beispiel fr eine untergrundfreie Autokorrelationsfunktion DIN 58175-2:2013-07 20 4.2.8 Scan range The scan range shall be sufficiently wide to comp

44、letely collect the autocorrelation function, i.e., over the whole pulse duration. Usually, this criterion is met when the signal strength on both sides of the maximum dropped down to less than 1 % of the maximum intensity. In the case of collinear interaction, these specifications are to be related

45、to the signal background. Depending on the application it can be necessary to extend this range, in particular for complex structured pulses. 4.2.9 Determination of the autocorrelation full width at half maximum Similar to the definition of full width at half maximum of the pulse power profile, the

46、autocorrelation full width at half maximum is defined as 2/)()(ACFH maxACFACFACFMaxStStSjijitt= (6) for a background-free autocorrelation (see Figure 2) Key X t femtoseconds Y intensity (randomised unit) Figure 2 Example for a background-free autocorrelation function DIN 58175-2:2013-07 21 bzw. als

47、2/)()()(ACFH ACFBGmaxACFACFACFMaxSSSSjiji+=(7) fr eine Autokorrelation mit Untergrundsignal SACFBG(siehe Bild 3). Legende X t Femtosekunden Y Intensitt willkrliche Einheit Bild 3 Beispiel fr eine interferometrische Autokorrelationsfunktion ANMERKUNG Diese Autokorrelations-Halbwertsdauer ist nicht gl

48、eichzusetzen mit der Halbwertsdauer des Pulses. Fr bestimmte zeitliche Pulsformen lsst sich fr den Zusammenhang beider Gren ein Formfaktor angeben. Damit kann unter Annahme einer bestimmten Pulsform die Halbwertsdauer des Pulses aus der Autokorrelations-Halbwertsdauer abgeschtzt werden. Bei der Best

49、immung der Autokorrelations-Halbwertsdauer ist das Signalmaximum und die Signal-Nulllinie bzw. der Signaluntergrund korrekt zu bestimmen. Dazu ist die Gre des Scanbereiches (siehe 4.2.8) hinreichend gro zu whlen. DIN 58175-2:2013-07 22 and as 2/)()()(ACFH ACFBGmaxACFACFACFMaxSSSSjiji+=(7) for an autocorrelation with background signal SACFBG(see Figure 3). Key X t femtoseconds Y intensity (randomised unit) Figure 3