自相关仪——测量光的强度，主要用于确定超短脉冲的持续时间

光学自相关仪用于各种目的，特别是用于光的详细分析，特别是用于测量具有皮秒或飞秒持续时间的超短脉冲的持续时间，其中电子设备（例如基于光电二极管）太慢的。

用于脉冲持续时间测量的自相关仪的基本工作原理是检查时间脉冲轨迹与其自身的相关性；下面将对其进行说明。甲分束器产生的输入脉冲的两个副本。这些副本叠加在非线性介质中，它们在某些非线性的基础上相互作用，前提是它们暂时重叠。

强度自相关仪

强度自相关仪的设置。BS= 分束器。

如上图所示的强度自相关仪中，分束器将输入脉冲分成两个脉冲，然后将其聚焦并发送到具有χ (2)非线性的晶体中。可以通过可变光学延迟线机械地调整臂长差异以及脉冲的相对定时。（使用不同种类的延迟线，例如使用安装在扬声器上的旋转玻璃块或镜子。）如果臂长差异很小，使脉冲在非线性晶体中相遇，则会发生和频生成过程，导致具有较短波长的输出. 如果增加相对时间延迟，使晶体中两个脉冲的重叠减少，则混合产物变弱。显然，如果脉冲相当短，重叠会更快消失。

为了测量脉冲持续时间，将混合产物的功率记录为臂长差的函数。这可以在计算机控制下完成，使用电动平移台移动延迟线，或者简单地使用扬声器移动角锥棱镜。

下图显示了sech2形脉冲的自相关信号。横轴显示根据臂长差计算的时间延迟。

持续时间为150fs的sech2形脉冲的强度自相关。延迟线位移15μm 对应于时间延迟变化100fs。

对于sech2形脉冲，脉冲持续时间约为自相关信号宽度的0.65倍，但该转换因子取决于脉冲形状。粗略的评估通常基于有关脉冲形状的一些假设。将记录的自相关与假设的脉冲形状的理论曲线拟合提供了一种健全性检查，但不是严格的检查。在此上下文中，注意自相关例如总是关于其中心对称，即使对于不对称的脉冲形状也是如此。然而，不对称的自相关形状可以从未对齐的自相关仪中获得。即使对于表征超短脉冲，相对较慢的光电探测器也足够了。请注意，可以在不需要快速光电探测器的情况下测量非常短的脉冲持续时间：探测器只需测量平均功率（假设将常规脉冲序列发送到自相关仪），而不是解析脉冲的功率变化。

对于非常短的脉冲持续时间（例如<20fs），会出现各种困难：分束器的带宽可能有限，其基板和其他光学元件会引入色散。此外，如果光束角度太陡，几何拖尾效应会导致测量的脉冲持续时间过长，并且群速度失配会限制相位匹配带宽。在该域中使用非常薄的非线性晶体，有时厚度小于10μm。

强度自相关测量的共线设置可以利用晶体中的II 型相位匹配。两个脉冲副本然后具有不同的极化方向，而不是不同的传播方向。以此方式，避免了所提到的几何拖尾效应。

强度自相关称为无背景，因为信号在大的时间延迟内消失。这对于干涉自相关仪来说是不同的。

扫描与单次自相关仪

在大多数情况下，自相关轨迹需要来自常规脉冲序列的许多不同脉冲，因为每个时间延迟设置至少需要一个脉冲，并且必须扫描其中的一个范围。然而，如果单个脉冲具有足够高的脉冲能量，也可以测量整个自相关轨迹。甲单次自相关仪可以被实现成使得聚焦到非线性晶体是具有圆筒状（而不是球形）做透镜，并且将转换后的信号被记录有照相机。晶体中的不同空间位置则对应于不同的时间延迟。

干涉自相关仪

干涉自相关仪的设置包含一个具有可变臂长差异的迈克尔逊干涉仪。脉冲的叠加副本共线传播到非线性晶体中（在用透镜或曲面激光镜聚焦后）并具有相同的偏振。

干涉自相关仪的设置。BS = 分束器。

其中积分在对应于一个脉冲的时间范围内。这种自相关轨迹表现出周期为光波长一半的快速振荡。最大信号是在分束器后的两个脉冲进行完美相长干涉时获得的，与单个脉冲相比，振幅增加了两倍，因此强度增加了四倍，频率加倍后强度增加了16倍。对于较大的臂长差异，脉冲在非线性晶体中不重叠，强度仅为单个脉冲产生的两倍。因此，如果干涉仪正确对准，峰值信号总是比背景高八倍。

持续时间为15fs的sech2形未啁啾脉冲的干涉测量自相关。

干涉自相关对啁啾很敏感，因此原则上可以提取关于脉冲的更多信息。然而，如果仅使用自相关信号的宽度，则啁啾脉冲的脉冲持续时间会被低估。一种称为修正谱自干涉相关(MOSAIC) 的改进方法基于干涉自相关，该自相关在数值上进行了后处理，使得所得轨迹更容易诊断啁啾。

持续时间为15fs的sech2形啁啾脉冲的干涉测量自相关。尽管脉冲持续时间与上图 中的相同，但信号的宽度更小。

对于相对较长的脉冲，干涉自相关轨迹的许多振荡可以被平均掉。在这种情况下，峰值信号是背景的三倍（不是四倍，因为非正弦振荡）。

由于其设置更简单，干涉自相关仪比强度自相关仪更适合测量非常小的（几飞秒）脉冲持续时间。尤其是避免了上述几何效应。然而，其他脉冲表征方法（例如FROG或SPIDER）在低于10fs的范围内更为精确。

非线性晶体和相位匹配的选择

选择合适的非线性晶体和晶体厚度涉及各种考虑因素，例如相位匹配。在飞秒范围内，群速度失配也特别重要，可能会限制时间分辨率。薄KDP晶体是脉冲持续时间低至几飞秒的不错选择。由于其特别宽的相位匹配带宽，碘酸锂(LiIO3 ) 也经常被使用。

使用具有 II 型相位匹配的晶体可能是有利的，因为这样更容易实现高动态范围。

基于双光子吸收的自相关仪

可以使用具有大带隙材料的光电二极管构建特别紧凑和简单的自相关仪，其中光电二极管中只有两个光子吸收对光电流有贡献，而由于光子能量太小，没有线性响应。这种双光子探测器有时允许非常宽的光学测量带宽。

具有高动态范围的自相关仪

在某些情况下，需要测量具有特别高动态范围的自相关，以便人们可以检测甚至相当弱的脉冲基部，或可能例如由寄生反射引起的侧峰。（锁模光纤激光器特别倾向于产生这种特性。）为此，已经开发了特殊的高动态范围自相关仪。例如，可以使用基于 II 型相位匹配晶体的无背景强度自相关仪，其中在时间重叠区域之外没有上变频信号。此外，可以使用一种设置，其中非线性晶体的两个输入光束用双频光斩波器调制. 然后，自相关信号在两个调制频率之和和差处具有频率分量，并且可以用锁定放大器进行处理。

另一种可能性是使用三阶自相关仪，使用具有倍频分量的激光的和频生成。这种设备还可以揭示不对称特征，例如脉冲前后不同高度的基座。检测器通常是光电倍增管，因为它们的噪声等效功率特别低。对于足够高的脉冲能量，使用此类技术实现的动态范围可以是80dB甚至100dB，尽管通常无法与最高时间分辨率结合使用。（较长的非线性晶体提供更强的信号，从而提供更高的动态范围，但也会通过引入群速度失配来限制时间分辨率。）一些锁模激光器即使在这么大的范围内也没有基座，而其他锁模激光器则具有相当大的基座，然后很容易看到。

自相关方法的局限性；连贯的神器

从测量的自相关轨迹中，如果脉冲形状已知，则可以很好地检索脉冲持续时间，并且还可以检查自相关轨迹是否与给定的脉冲形状一致。然而，仅凭自相关轨迹无法唯一地测量脉冲形状。主要原因是自相关轨迹始终是对称的，即使对于不对称的脉冲形状也是如此。如果脉冲序列受到噪声的影响，则会出现更多问题；自相关轨迹可能会产生误导。

此外，经常使用的强度自相关技术无法提供有关相位分布的信息；获得的自相关轨迹仅取决于光强度或功率的时间变化。对于非常短的脉冲，例如持续时间低于10fs，很难执行准确的自相关测量。一个挑战是非线性晶体的相位匹配带宽有限，即使它做得非常薄。 频率分辨光选通(FROG) 和光谱相位干涉法(SPIDER) 已发现在该领域更准确，同时还提供有价值的相位信息。

对于表现出强烈扭曲的时间形状的脉冲，例如可能发生在不正常工作的锁模激光器中，人们可以获得自相关轨迹，该轨迹呈现出狭窄的特征——被称为更宽结构顶部的相干伪影。在这种情况下，仅仅将相干伪影作为脉冲持续时间的度量而忽略广泛的背景是错误的。事实上，自相关轨迹在实际脉冲形状上几乎不包含任何信息。然后可以使用频率分辨光选通实现更全面的脉冲表征。

FemtoEasy自相关仪

FemtoEasy是一家专门从事超快测量的公司。在高能超短脉冲的生产和表征方面拥有丰富的专业知识，为超快激光器提供稳健可靠的测量设备，这些设备已在多个最先进的实验室中使用。Femto Easy 提供两种不同类型的非常紧凑且方便的自相关仪，用于超短脉冲表征：

ROC自相关仪

其中ROC（Row Optical Correlator）自相关仪是一款超紧凑的高品质飞秒脉冲测量仪，只需要一个单一的脉冲来测量其持续时间，只需两分钟即可完成测量！优良的设计使其极易进行光束对准，无需校准和调整，即使经过搬运也不影响仪器的优良性能，它涵盖了从几百皮焦到几毫焦的各种脉冲能量，以及从5fs到10ps的持续时间。除了这些优点，还提供了卓越的技术性能和高精度的测量，可应用于不同波长和脉冲宽度的测量。

μ-ROC自相关仪

μ-ROC基于超紧凑和强大的内联设置，专为OEM 直接集成到激光头或激光系统而设计。μ-ROC是有史以来最紧凑的自相关仪。

MS-ROC自相关仪

MS-ROC自相关仪是一个多重自相关仪，允许测量自相关轨迹，它基于二次谐波产生，使其可靠且紧凑。它专为每脉冲具有亚nJ能量的源而开发。它使用光学延迟线来扫描延迟，每个脉冲都可以知道特定延迟的强度。它可以测量能量低至50pJ 的脉冲，其精细扫描模式的持续时间甚至低于50fs，凭借其高扫描速度，可以进行实时操作以进行测量和优化。