群延迟色散与白光干涉测量

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分布变化的量。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至关重要。GDD对电信和激光系统等应用具有重要意义，在这些应用中，精确的脉冲整形至关重要。白光干涉术（WLI）利用光波的干涉来提取关于所施加相位的信息，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研究中出现的一种光学特性，特别是在超快激光光学领域。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。就光波而言，不同的波长或颜色有不同的频率。然而，波也可以有不同的相位，这决定了波周期中一个特定点的位置。在测量或操纵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。这个波包可以代表一个超快激光的奇异脉冲。当这个波包穿过一种介质，如光纤电缆或棱镜时，它会与材料相互作用，并经历一种叫做色散的现象。这是因为不同频率的波包在介质中的传播速度略有不同。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。当波包在介质中传播时，各个频率会彼此分离。这就是所谓的色散，它会导致原始脉冲形状的延伸。

图1：色散导致超快激光脉冲的展宽

群延迟色散是上述原始脉冲形状击穿的表征，它告诉我们不同频率所经历的延迟在波包内由于色散而发生了怎样的变化。它是材料色散方程对波长的二阶导数，这意味着GDD的单位通常是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

干涉测量的一般原理是基于光波可以相互干涉的事实，根据光波之间的路径长度差，导致建设性或破坏性干涉在白光干涉测量中，宽带光源，如白光LED，被用来同时发射各种波长的光。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，光被指向参考镜，参考镜将光反射回探测器。在测量路径中，光被指向被测量的光学器件。经过测试光学后，光被反射回分束器。一些光被分束器反射，而其余的光通过并与参考光相互作用。这两组光波被重新组合并相互干扰。

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

这个WLI是一个迈克尔逊干涉仪，但是在我们的实验室中使用的设置使用两个分束器。第一个分束器是在标准迈克尔逊干涉仪设置中看到的，但另一个是在参考路径中系统进一步向下的完全相同的分束器。在这种情况下，它被称为补偿面，它的入射角与第一个分束器完全相同。这是因为分光镜会产生一定数量的色散，色散的大小取决于光是通过分光镜反射还是通过分光镜透射。因此，通过在测试臂中引入补偿面，我们能够匹配参考臂和测试臂上的色散量，从而考虑到干扰的可能性。

图3:UltraFast Innovations的Gobi®白光干涉仪

图4:UltraFast Innovations WLI的简化系统图。为简单起见，此图不包括其UV功能

由复合光产生的干涉图案包含有关干涉仪两臂之间相位差的信息。由于光源发出一系列波长，每个波长以不同的角度干涉，导致一系列依赖于波长的干涉条纹。这些条纹由CCD相机等探测器捕获。

要理解WLI最重要的特性之一是它的测量包含相位信息，而不是GDD。确定GDD是通过改变参考臂上的光处于其相位的“时间”来完成的。这个过程称为移相干涉测量。WLI使用压电电机来实现参考镜的纳米级步长，从而实现高精度相位测量。利用获得的干涉模式和已知的相移，然后应用先进的算法处理相位数据并获得感兴趣波长范围内的GDD值。

图5:WLI的GDD结果示例

应用

利用WLI测量GDD在各种光学应用中非常有用，特别是在超快光学领域。它允许表征材料，组件和系统表现出色散效应，这可以显著降低超快激光脉冲的性能。通过理解和量化GDD，研究人员和工程师可以优化光学设计，补偿色散效应，并确保对超快激光器的脉冲持续时间和光谱特性的精确控制。

表征光学表面GDD的主要目的之一是用于涂层的发展。提供测试不同涂层的能力，以帮助模拟系统，然后将其集成到超快激光系统中。虽然GDD在模拟方面很有价值，但它通常用于质量保证。GDD可以根据包括折射率和波长在内的多种因素进行估计，但通过使用WLI，可以测试并提供证据证明这些估计是正确的。

这一原理的最新介绍可以在超快脉冲压缩机中看到。这些产品的目标是使用单旋钮系统压缩脉冲持续时间，该系统可以很容易地引入超快系统。通过使用两个平面反射镜将脉冲压缩回其原始形状，可以很容易地纠正大多数光学介质中出现的正群延迟色散。每一次反射都会带来一些负面的GDD，从而抵消系统其他部分带来的正面GDD。

图6：用于超快脉冲压缩的高色散镜

白光干涉测量的挑战

尽管白光干涉测量有很多好处，但它也有很多用户应该意识到的挑战。众所周知，光学元件的使用和对准非常困难，这是任何光学系统都面临的问题。然而，在干涉测量中，这只会变得更加具有挑战性。光波的相长干涉和相消干涉的前提使得将两束光束相互干涉不仅繁琐，而且对变化极其敏感。

振动是干涉仪设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，使记录准确的测量值变得更加困难。

使用WLI时面临的另一个常见问题是在不可见光带中工作。当没有简单的方法来查看光束是否正确穿过系统时，这使得对齐光学元件变得更加困难。使用可见的引导光束可以缓解其中一些困难，但将两个光束重合仍然很困难。

上述问题都会影响干涉仪的信噪比（SNR）。信噪比的值为在信号不再强大到足以准确记录数据之前可以允许多少噪声设定了一个基线。SNR不仅会受到上述并发症的影响，还会受到信号减弱的昏暗源的阻碍，从而使SNR恶化。一种解决方案是通过使用具有更高动态范围的检测器来降低噪声并增加信号