光學(xué)自相關(guān)儀用于各種目的，特別是用于光的詳細(xì)分析，特別是用于測量具有皮秒或飛秒持續(xù)時(shí)間的超短脈沖的持續(xù)時(shí)間，其中電子設(shè)備（例如基于光電二極管）太慢的。
用于脈沖持續(xù)時(shí)間測量的自相關(guān)儀的基本工作原理是檢查時(shí)間脈沖軌跡與其自身的相關(guān)性；下面將對(duì)其進(jìn)行說明。甲分束器產(chǎn)生的輸入脈沖的兩個(gè)副本。這些副本疊加在非線性介質(zhì)中，它們在某些非線性的基礎(chǔ)上相互作用，前提是它們暫時(shí)重疊。
強(qiáng)度自相關(guān)儀
強(qiáng)度自相關(guān)儀的設(shè)置。BS = 分束器。
如上圖所示的強(qiáng)度自相關(guān)儀中，分束器將輸入脈沖分成兩個(gè)脈沖，然后將其聚焦并發(fā)送到具有χ (2)非線性的晶體中。可以通過可變光學(xué)延遲線機(jī)械地調(diào)整臂長差異以及脈沖的相對(duì)定時(shí)。（使用不同種類的延遲線，例如使用安裝在揚(yáng)聲器上的旋轉(zhuǎn)玻璃塊或鏡子。）如果臂長差異很小，使脈沖在非線性晶體中相遇，則會(huì)發(fā)生和頻生成過程，導(dǎo)致具有較短波長的輸出. 如果增加相對(duì)時(shí)間延遲，使晶體中兩個(gè)脈沖的重疊減少，則混合產(chǎn)物變?nèi)酢ｏ@然，如果脈沖相當(dāng)短，重疊會(huì)更快消失。
為了測量脈沖持續(xù)時(shí)間，將混合產(chǎn)物的功率記錄為臂長差的函數(shù)。這可以在計(jì)算機(jī)控制下完成，使用電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)延遲線，或者簡單地使用揚(yáng)聲器移動(dòng)角錐棱鏡。自相關(guān)信號(hào)對(duì)時(shí)間延遲的依賴性由下式給出
下圖顯示了sech2形脈沖的自相關(guān)信號(hào)。橫軸顯示根據(jù)臂長差計(jì)算的時(shí)間延遲。
持續(xù)時(shí)間為150fs的sech2形脈沖的強(qiáng)度自相關(guān)。延遲線位移15μm 對(duì)應(yīng)于時(shí)間延遲變化100fs。
對(duì)于sech2形脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間約為自相關(guān)信號(hào)寬度的0.65倍，但該轉(zhuǎn)換因子取決于脈沖形狀。粗略的評(píng)估通常基于有關(guān)脈沖形狀的一些假設(shè)。將記錄的自相關(guān)與假設(shè)的脈沖形狀的理論曲線擬合提供了一種健全性檢查，但不是嚴(yán)格的檢查。在此上下文中，注意自相關(guān)例如總是關(guān)于其中心對(duì)稱，即使對(duì)于不對(duì)稱的脈沖形狀也是如此。然而，不對(duì)稱的自相關(guān)形狀可以從未對(duì)齊的自相關(guān)儀中獲得。即使對(duì)于表征超短脈沖，相對(duì)較慢的光電探測器也足夠了。請注意，可以在不需要快速光電探測器的情況下測量非常短的脈沖持續(xù)時(shí)間：探測器只需測量平均功率（假設(shè)將常規(guī)脈沖序列發(fā)送到自相關(guān)儀），而不是解析脈沖的功率變化。
對(duì)于非常短的脈沖持續(xù)時(shí)間（例如<20fs），會(huì)出現(xiàn)各種困難：分束器的帶寬可能有限，其基板和其他光學(xué)元件會(huì)引入色散。此外，如果光束角度太陡，幾何拖尾效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致測量的脈沖持續(xù)時(shí)間過長，并且群速度失配會(huì)限制相位匹配帶寬。在該域中使用非常薄的非線性晶體，有時(shí)厚度小于10μm。
強(qiáng)度自相關(guān)測量的共線設(shè)置可以利用晶體中的II 型相位匹配。兩個(gè)脈沖副本然后具有不同的極化方向，而不是不同的傳播方向。以此方式，避免了所提到的幾何拖尾效應(yīng)。
強(qiáng)度自相關(guān)稱為無背景，因?yàn)樾盘?hào)在大的時(shí)間延遲內(nèi)消失。這對(duì)于干涉自相關(guān)儀來說是不同的。
掃描與單次自相關(guān)儀在大多數(shù)情況下，自相關(guān)軌跡需要來自常規(guī)脈沖序列的許多不同脈沖，因?yàn)槊總€(gè)時(shí)間延遲設(shè)置至少需要一個(gè)脈沖，并且必須掃描其中的一個(gè)范圍。然而，如果單個(gè)脈沖具有足夠高的脈沖能量，也可以測量整個(gè)自相關(guān)軌跡。甲單次自相關(guān)儀可以被實(shí)現(xiàn)成使得聚焦到非線性晶體是具有圓筒狀（而不是球形）做透鏡，并且將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)被記錄有照相機(jī)。晶體中的不同空間位置則對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間延遲。
干涉自相關(guān)儀干涉自相關(guān)儀的設(shè)置包含一個(gè)具有可變臂長差異的邁克爾遜干涉儀。脈沖的疊加副本共線傳播到非線性晶體中（在用透鏡或曲面激光鏡聚焦后）并具有相同的偏振。
干涉自相關(guān)儀的設(shè)置。BS = 分束器。
通過記錄倍頻信號(hào)的平均功率獲得干涉自相關(guān)：
其中積分在對(duì)應(yīng)于一個(gè)脈沖的時(shí)間范圍內(nèi)。這種自相關(guān)軌跡表現(xiàn)出周期為光波長一半的快速振蕩。最大信號(hào)是在分束器后的兩個(gè)脈沖進(jìn)行完美相長干涉時(shí)獲得的，與單個(gè)脈沖相比，振幅增加了兩倍，因此強(qiáng)度增加了四倍，頻率加倍后強(qiáng)度增加了16倍。對(duì)于較大的臂長差異，脈沖在非線性晶體中不重疊，強(qiáng)度僅為單個(gè)脈沖產(chǎn)生的兩倍。因此，如果干涉儀正確對(duì)準(zhǔn)，峰值信號(hào)總是比背景高八倍。
持續(xù)時(shí)間為15fs的sech2形未啁啾脈沖的干涉測量自相關(guān)。
干涉自相關(guān)對(duì)啁啾很敏感，因此原則上可以提取關(guān)于脈沖的更多信息。然而，如果僅使用自相關(guān)信號(hào)的寬度，則啁啾脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)被低估。一種稱為修正譜自干涉相關(guān)(MOSAIC) 的改進(jìn)方法基于干涉自相關(guān)，該自相關(guān)在數(shù)值上進(jìn)行了后處理，使得所得軌跡更容易診斷啁啾。
持續(xù)時(shí)間為15fs的sech2形啁啾脈沖的干涉測量自相關(guān)。盡管脈沖持續(xù)時(shí)間與上圖 中的相同，但信號(hào)的寬度更小。
對(duì)于相對(duì)較長的脈沖，干涉自相關(guān)軌跡的許多振蕩可以被平均掉。在這種情況下，峰值信號(hào)是背景的三倍（不是四倍，因?yàn)榉钦艺袷帲?/p>
由于其設(shè)置更簡單，干涉自相關(guān)儀比強(qiáng)度自相關(guān)儀更適合測量非常小的（幾飛秒）脈沖持續(xù)時(shí)間。尤其是避免了上述幾何效應(yīng)。然而，其他脈沖表征方法（例如FROG或SPIDER）在低于10fs的范圍內(nèi)更為精確。
非線性晶體和相位匹配的選擇選擇合適的非線性晶體和晶體厚度涉及各種考慮因素，例如相位匹配。在飛秒范圍內(nèi)，群速度失配也特別重要，可能會(huì)限制時(shí)間分辨率。薄KDP晶體是脈沖持續(xù)時(shí)間低至幾飛秒的不錯(cuò)選擇。由于其特別寬的相位匹配帶寬，碘酸鋰 (LiIO3 ) 也經(jīng)常被使用。
使用具有 II 型相位匹配的晶體可能是有利的，因?yàn)檫@樣更容易實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍。
基于雙光子吸收的自相關(guān)儀可以使用具有大帶隙材料的光電二極管構(gòu)建特別緊湊和簡單的自相關(guān)儀，其中光電二極管中只有兩個(gè)光子吸收對(duì)光電流有貢獻(xiàn)，而由于光子能量太小，沒有線性響應(yīng)。這種雙光子探測器有時(shí)允許非常寬的光學(xué)測量帶寬。
具有高動(dòng)態(tài)范圍的自相關(guān)儀在某些情況下，需要測量具有特別高動(dòng)態(tài)范圍的自相關(guān)，以便人們可以檢測甚至相當(dāng)弱的脈沖基部，或可能例如由寄生反射引起的側(cè)峰。（鎖模光纖激光器特別傾向于產(chǎn)生這種特性。）為此，已經(jīng)開發(fā)了特殊的高動(dòng)態(tài)范圍自相關(guān)儀。例如，可以使用基于 II 型相位匹配晶體的無背景強(qiáng)度自相關(guān)儀，其中在時(shí)間重疊區(qū)域之外沒有上變頻信號(hào)。此外，可以使用一種設(shè)置，其中非線性晶體的兩個(gè)輸入光束用雙頻光斬波器調(diào)制. 然后，自相關(guān)信號(hào)在兩個(gè)調(diào)制頻率之和和差處具有頻率分量，并且可以用鎖定放大器進(jìn)行處理。
另一種可能性是使用三階自相關(guān)儀，使用具有倍頻分量的激光的和頻生成。這種設(shè)備還可以揭示不對(duì)稱特征，例如脈沖前后不同高度的基座。檢測器通常是光電倍增管，因?yàn)樗鼈兊脑肼暤刃Чβ侍貏e低。對(duì)于足夠高的脈沖能量，使用此類技術(shù)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍可以是80dB甚至100dB，盡管通常無法與最高時(shí)間分辨率結(jié)合使用。（較長的非線性晶體提供更強(qiáng)的信號(hào)，從而提供更高的動(dòng)態(tài)范圍，但也會(huì)通過引入群速度失配來限制時(shí)間分辨率。）一些鎖模激光器即使在這么大的范圍內(nèi)也沒有基座，而其他鎖模激光器則具有相當(dāng)大的基座，然后很容易看到。
自相關(guān)方法的局限性；連貫的神器從測量的自相關(guān)軌跡中，如果脈沖形狀已知，則可以很好地檢索脈沖持續(xù)時(shí)間，并且還可以檢查自相關(guān)軌跡是否與給定的脈沖形狀一致。然而，僅憑自相關(guān)軌跡無法唯一地測量脈沖形狀。主要原因是自相關(guān)軌跡始終是對(duì)稱的，即使對(duì)于不對(duì)稱的脈沖形狀也是如此。如果脈沖序列受到噪聲的影響，則會(huì)出現(xiàn)更多問題；自相關(guān)軌跡可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。
此外，經(jīng)常使用的強(qiáng)度自相關(guān)技術(shù)無法提供有關(guān)相位分布的信息；獲得的自相關(guān)軌跡僅取決于光強(qiáng)度或功率的時(shí)間變化。對(duì)于非常短的脈沖，例如持續(xù)時(shí)間低于10fs，很難執(zhí)行準(zhǔn)確的自相關(guān)測量。一個(gè)挑戰(zhàn)是非線性晶體的相位匹配帶寬有限，即使它做得非常薄。 頻率分辨光選通(FROG) 和光譜相位干涉法(SPIDER) 已發(fā)現(xiàn)在該領(lǐng)域更準(zhǔn)確，同時(shí)還提供有價(jià)值的相位信息。
對(duì)于表現(xiàn)出強(qiáng)烈扭曲的時(shí)間形狀的脈沖，例如可能發(fā)生在不正常工作的鎖模激光器中，人們可以獲得自相關(guān)軌跡，該軌跡呈現(xiàn)出狹窄的特征——被稱為更寬結(jié)構(gòu)頂部的相干偽影。在這種情況下，僅僅將相干偽影作為脈沖持續(xù)時(shí)間的度量而忽略廣泛的背景是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，自相關(guān)軌跡在實(shí)際脈沖形狀上幾乎不包含任何信息。然后可以使用頻率分辨光選通實(shí)現(xiàn)更全面的脈沖表征。
Femto Easy自相關(guān)儀Femto Easy是一家專門從事超快測量的公司。在高能超短脈沖的生產(chǎn)和表征方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)，為超快激光器提供穩(wěn)健可靠的測量設(shè)備，這些設(shè)備已在多個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室中使用。Femto Easy 提供兩種不同類型的非常緊湊且方便的自相關(guān)儀，用于超短脈沖表征：
ROC自相關(guān)儀
其中ROC（Row Optical Correlator）自相關(guān)儀是一款超緊湊的高品質(zhì)飛秒脈沖測量儀，只需要一個(gè)單一的脈沖來測量其持續(xù)時(shí)間，只需兩分鐘即可完成測量！優(yōu)良的設(shè)計(jì)使其極易進(jìn)行光束對(duì)準(zhǔn)，無需校準(zhǔn)和調(diào)整，即使經(jīng)過搬運(yùn)也不影響儀器的優(yōu)良性能，它涵蓋了從幾百皮焦到幾毫焦的各種脈沖能量，以及從5fs到10ps的持續(xù)時(shí)間。除了這些優(yōu)點(diǎn)，還提供了卓越的技術(shù)性能和高精度的測量，可應(yīng)用于不同波長和脈沖寬度的測量。
μ-ROC自相關(guān)儀
μ-ROC基于超緊湊和強(qiáng)大的內(nèi)聯(lián)設(shè)置，專為OEM 直接集成到激光頭或激光系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。μ-ROC是有史以來最緊湊的自相關(guān)儀。
MS-ROC自相關(guān)儀
MS-ROC自相關(guān)儀是一個(gè)多重自相關(guān)儀，允許測量自相關(guān)軌跡，它基于二次諧波產(chǎn)生，使其可靠且緊湊。它專為每脈沖具有亞nJ能量的源而開發(fā)。它使用光學(xué)延遲線來掃描延遲，每個(gè)脈沖都可以知道特定延遲的強(qiáng)度。它可以測量能量低至50pJ 的脈沖，其精細(xì)掃描模式的持續(xù)時(shí)間甚至低于50fs，憑借其高掃描速度，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)操作以進(jìn)行測量和優(yōu)化。
