【仪器使用技巧】自相关仪的工作原理和调节方法（1）
激光器脉冲宽度一般是指脉冲的半高全宽，顾名思义，就是脉冲高度为最大值的50%的全脉冲宽度（FWHM）。
随着1960年激光器的问世，脉冲激光器由于峰值功率高而获得广泛的应用，目前在化学反应动力学、非线性光学、激光加工、激光测距等科技领域都采用脉冲激光器作为光源。而随着锁模激光器的发展，脉冲激光器的输出脉冲宽度已经由ns量级缩短为ps和fs量级。
对于一般的ns脉冲激光器，可以用一个快速响应的光电二极管（如EOT系列，升降时间小于1ns）将光信号转换成电信号，并将之在一台带宽很大的示波器（比如，带宽大于350MHz）上显示出来，这样可以直接读出该待测脉冲脉宽。但是，对于ps或fs如此之短的脉冲，已经超出光电二极管的响应时间，故只能用条纹相机，扫描自相关仪进行测量。当然，Frog和Spider也可以对超短脉冲的脉宽和相位进行测量，但两者的光路和后期数据处理较自相关仪复杂，这里就不再赘述了。
单次自相关仪是近十多年来发展的专门用于测量脉冲宽度的新型仪器，具有高分辫率、高灵敏度和使用方便等优点。目前已出现多种型号的自相关仪可用于探测超短光学脉冲的瞬时宽度，提供最佳的灵敏度和分辫率，适于测量锁模染料或蓝宝石激光器的fs脉冲和脉冲半导体激光器或Nd-YAG/YLF激光器的ps脉冲。
相干公司（Coherent Inc.）自相关仪
这里基于相干公司（Coherent Inc.）针对800nm波长的自相关仪，阐述其工作原理和调节方法。如下图1是自相关仪的光路图：
图1. Coherent Inc. 的自相关仪SSA的 (a)光路图和 (b)实际结构图
由上图1，自相关仪的结构类似于迈克尔逊干涉仪。按照其非线性的匹配形式可分为共线结构或非共线结构，由于非共线的形式可使测得的和频信号和原始基频信号自然分开，从而消除背景基频光，达到较高的测量精度。本例中的自相关仪SSA即为非共线结构。
注意，这里使用了分束片BS1对输入光进行分束，即透射光a和反射光b，透射光a入射到延时器DL上，反射光b经反射镜M2后必须再经过一个与前面BS1相同的分束片BS2，用来补偿反射光b相对于透射光a的色散和啁啾。这里的半波片是用来改变入射光的偏振，从而调节待测光经过非线性晶体BBO后产生的和频信号的强度。
初始入射光I(t)（这里以800nm中心波长为例）经过如图1(a)中的BS1后分成两束I(t)和I(t-τ)，经由反射镜M5后以非共线形式注入到非线性晶体BBO中，通过调节延时器DL和BBO晶体的角度，使透射光a和反射光b经过晶体后产生二者的和频信号S(τ)，即一条蓝色的亮线，如图2. (b)。每束光单独注入BBO晶体时则无二次谐波产生。和频光信号S(τ)仅与两束入射光的强度有关：
所产生的和频信号S(τ)由光电倍增管接受并记录，可以显示在示波器上，如图2. (a)所示。
图2. (a)示波器显示电脉冲; (b)非线性晶体后的和频信号
这样，示波器上显示的脉冲宽度（FWHM）即与实际光脉冲的宽度（FWHM）是一个确定的线性关系。即：
由此可见，利用光脉冲强度相关法测量脉冲宽度，实质上就是把不可见时间的测量转换成可见的长度的测量，把光脉冲形状的测量转换成相关函数S(τ)波形的测量，其半宽度（FWHM）的时间间隔即为脉冲宽度（FWHM）。
该比例系数a针对不同类型的自相关仪是不同的，具体参见仪器的使用说明书。但是即使是同一台仪器，根据调节光路或倍频状态的不同，其比例系数均有小的调整，需要及时标定。
其比例系数a可以由以下方法确定：
如图1. (a)，当移动延时线DL时，可以在和频晶体后看到和频后的蓝线上下移动，同时在示波器上显示的自相关信号在时间轴上相应的移动。例如延时线移动0.24mm时（该路光光程移动∆1=0.48mm），示波器上显示的脉冲在时间线上移动5.406ms，
即移动延时器造成的实际时间变化为：
示波器上显示脉冲在时间上的位移为：
实际脉冲宽度还要考虑激光脉冲的波形，假设这里我们输入的光脉冲是高斯型，则需要再乘以一个变换系数k=0.707
则比例系数a
如果在示波器上测得脉冲的半高宽为τ_scope=152.4μs，即其对应脉宽为
附，如果激光脉冲波形是高斯型、双曲线正割型、单边指数型，其变换系数分别为0.707、0.648、0.5.
基于自相关仪的基本原理，其结构也可以采取不同的方式。除了共线结构和非共线结构外，延时器也可以采用不同的结构，如可移动的一对互为直角的反射镜，可移动的直角棱镜，转动玻璃平板等。其分光结构也可依据待测光的能量和脉宽等参数分为用分束片分光和在空间上分光等。探测器也可以采用不同类型，如光电探头，CCD探测器等。
至于自相关仪的光路调节，我们会在下一期中详细介绍。
