关于群延迟色散与白光干涉

群延迟色散（GDD）是指描述超快激光脉冲在各种光学介质中的时间轮廓变化的量。理解GDD对于理解超快激光脉冲如何被光学元件拉伸或压缩是至关重要的。GDD对于诸如电信和激光系统等应用具有重要意义，在这些应用中，精确的脉冲整形是至关重要的。白光干涉（WLI）利用光波的干涉来提取关于所施加的相位的信息，以找到不同光学元件的GDD。

群延迟色散

群延迟色散是在波及其传播的研究中，特别是在超快激光光学领域中出现的光学特性。为了理解GDD，让我们从基础开始。在物理学中，波可以用它们的振幅和频率来描述。在光波的情况下，不同的波长或颜色具有不同的频率。然而，波也可以具有不同的相位，这决定了在随时间变化的波周期期间特定点的位置。在测量或操作GDD时，理解这些都很重要。

现在，想象一个波包，或者一个脉冲中不同频率的集合。这个波包可以代表超快激光的奇异脉冲。当这种波包穿过介质（如光纤电缆或棱镜）时，它会与材料相互作用，并经历一种称为色散的现象。这是因为不同频率的波包以略微不同的速度穿过介质。光的传播速度取决于材料的折射率，而折射率又取决于波长。当波包穿过介质时，各个频率彼此分离。这被称为色散，并且它导致原始脉冲形状的延长。

图1：色散导致超快激光脉冲变宽。

群延迟色散是上述原始脉冲形状崩溃的表征，它告诉我们不同频率所经历的延迟如何由于色散而在波包内变化。它是材料色散方程相对于波长的二阶导数，这意味着GDD的单位通常为fs2或PS2.1。此外，GDD因材料类型而异，这意味着超快系统对材料变化极其敏感。系统内的任何不一致都可能导致脉冲的拉伸或压缩。

白光干涉测量法

干涉测量法的一般原理是基于这样一个事实，即光波可以相互干涉，导致相长或相消干涉，这取决于波之间的路径长度差。2在白光干涉测量法中，宽带光源（如白光LED）用于同时发射各种波长的光。Edmund Optics®使用的WLI基于迈克尔逊干涉仪设置，如下图2所示。白光被分成两条路径：参考路径和测量路径。在参考路径中，光被导向参考镜，该参考镜将光反射回检测器。在测量路径中，光被导向所研究的光学器件。在测试光学器件之后，光被反射回分束器。一些光从分束器反射，而其余的光通过并与参考光相互作用。这两组光波重新组合并相互干涉。

图2：用于确定群延迟色散的典型白光迈克尔逊干涉仪示意图。当参考臂的长度变化时，仪器保持静止。

Edmund Optics®使用的WLI是Ultrafast Innovations的Gobi®。这个WLI是一个迈克尔逊干涉仪，但在我们的实验室中使用的设置使用两个分束器。**个分束器是在标准迈克尔逊干涉仪设置中看到的分束器，而另一个分束器是在参考路径中沿着系统进一步向下的完全相同的分束器。在这种情况下，它被称为补偿表面，并且它与**分束器具有完全相同的入射角。这是因为分束器将引起一定量的色散，该色散基于光是被反射还是透射通过分束器而不同。因此，通过在测试臂中引入补偿表面，我们能够匹配参考臂和测试臂上的色散量，从而允许干扰的可能性。

图3：超快创新的Gobi®白光干涉仪

图4：超快创新WLI的简化系统图。为简单起见，此图排除了其UV功能。

由重组光产生的干涉图案包含关于干涉仪的两个臂之间的相位差的信息。由于光源发射一定范围的波长，每个波长以不同的角度干涉，从而产生一系列依赖于波长的干涉条纹。这些条纹由诸如CCD照相机的检测器捕获。

要理解的WLI的最重要属性之一是其测量包含相位信息，而不是GDD。通过改变参考臂中的光在其相位期间的“时间”来确定GDD。这个过程被称为相移干涉测量法。WLI使用压电电机来获得参考镜的纳米级步长，从而实现高精度相位测量。利用所获得的干涉图案和已知的相移，然后应用高级算法来处理相位数据并获得感兴趣的波长范围上的GDD值。

图5：来自WLI的示例GDD结果。

Edmund Optics®中的应用

使用WLI测量GDD在各种光学应用中是有用的，特别是在超快光学领域中。它允许对表现出色散效应的材料、组件和系统进行表征，这会显著降低超快激光脉冲的性能。通过了解和量化GDD，研究人员和工程师可以优化光学设计，补偿色散效应，并确保精确控制超快激光器的脉冲持续时间和光谱特性。

表征光学表面的GDD的主要目的之一是用于涂层显影。这就是位于佛罗里达州坦帕市外的Edmund Optics®激光光学中心使用WLI的方式，提供测试不同涂层的能力，以帮助在将系统集成到超快激光系统之前对其进行模拟。尽管GDD在仿真方面很有价值，但它经常用于质量保证。可以基于包括折射率和波长的多个因素来估计GDD，但是通过使用WLI，可以测试并提供这些估计是真实的证据。在这两种情况下，Edmund Optics®都使用白光干涉测量法来扩展其对色散特性的理解和使用。

在我们的超快脉冲压缩器中可以看到对这一原理的最新介绍。这些产品的目标是使用可轻松引入超快系统的单旋钮系统来压缩脉冲持续时间。它们通过使两个平面镜将脉冲压缩回其原始形状来容易地校正在大多数光学介质中经历的正群延迟色散。每个反射都会产生一些负GDD，以抵消来自系统其他部分的正GDD。

图6：用于超快脉冲压缩的高色散镜

白光干涉测量面临的挑战

虽然白光干涉测量有很多好处，但它也有相当多的挑战，用户也应该意识到这一点。众所周知，光学器件的使用和对准是困难的，这是任何光学系统都面临的问题。然而，这只会在干涉测量中变得更具挑战性。光波的相长干涉和相消干涉的前提使得两个光束彼此干涉的对准不仅繁琐，而且对变化极其敏感。

振动是干涉测量装置中噪声的首要原因。这些振动可能来自各种来源，从压差、路过的人到在同一房间工作的其他机器。所有这些因素都会给系统带来误差，并使其更难以记录准确的测量结果。

使用WLI时面临的另一个常见问题是在非可见光波段工作。当没有简单的方法来查看光束是否正确通过系统时，这使得对准光学器件变得更加困难。使用可见引导光束可以减轻这些困难中的一些，但是使两个光束重合仍然是困难的。

上面列出的问题都会影响干涉仪的信噪比（SNR）。SNR的值设置了在信号不再强到足以准确记录数据之前可以允许多少噪声的基线。SNR不仅会受到上述复杂因素的影响，还会受到暗源的阻碍，其中信号会降低，从而使SNR恶化。一种解决方案是通过使用具有较高动态范围的检测器来降低噪声并增加信号。