脉冲测量仪器Wizzler原理及使用技巧
图一： Wizzler内部光路设计
一、Wizzler基本原理
1. 交叉偏振滤波
要理解Wizzler的基本原理，就不得不先阐释一下交叉偏振滤波（XPW）技术，因为此技术是Wizzler光学部分的重要知识点。
交叉偏振波产生基于简并的四波混频三阶非线性原理，如图二所示，在具有非对称三阶极化特性的氟化钡晶体中，入射激光偏振发生旋转，因此在正交检偏器的输出方向会有一定量的输出。由于XPW是三阶非线性过程，因此转化效率严重依赖于入射激光的强度，也正是这种强烈的强度依赖效应，脉冲结构中的噪声会被检偏器极大的抑制，因此XPW技术最早用来提高超强激光的对比度，目前已经是商品化TW/PW激光的必备技术。
除此之外，XPW还具有展宽光谱、空间滤波和改善光谱相位的作用。
图二： 基于非线性旋转原理的XPW技术（图片来源于维基百科）
2. Wizzler内部光路设计
图三：Wizzler内部光路设计
如图三所示，入射激光脉冲首先经过定位光阑，作为Alignment的基准。波片和P1-P4偏振片起到偏振旋转、能量衰减和偏振净化的作用。双折射片用于产生和入射脉冲延时固定、偏振垂直的待测脉冲。脉冲然后经M1聚焦到XPW晶体BaF2上，此时XPW效应被触发，产生一个偏振垂直，但是和主脉冲没有延时的小脉冲（标记为XPW脉冲）。偏振片P5的偏振方向与P1-P4正交，三个脉冲经过P5之后主脉冲被阻止进入光谱仪，只剩下具有固定延时的待测脉冲和XPW脉冲，二者发生光谱干涉。
3. 脉冲测量算法
图四：自参考光谱干涉提取频率域电场和光谱相位
在得到光谱干涉信息以后，就可以对此进行处理，以得到完备的光谱强度和相位信息。
1. 如图四所示，首先对光谱干涉图样进行反傅里叶变换，得到中心主脉冲和两个旁瓣脉冲，对旁瓣脉冲进行滤波，并且延时到中心零点后再做傅里叶变换，即可得到参与干涉两个脉冲的相位之差：?1（?）- ?2（?）和电场的乘积：E1(?)* E1(?)。
2. 对中心主脉冲进行傅里叶变换，可以得到电场的平方和E12(?)+E22(?)。
至此，我们可以得到待测脉冲的完整电场幅度信息，只剩下待测脉冲的相位信息需要计算。接下来就需要因此XPW的另外一个效应，也就是图五左方的相位平坦效应，也就是说XPW脉冲的光谱相位?2（?）接近为零，因此也就知道了?1（?）的值。
3. 但是XPW脉冲的光谱相位为零假设是否成立呢？就需要引入一个迭代的算法进行修正，如图5右方所示，经过得到多次循环可以对光谱相位进行修正，最终得到收敛的准确相位信息。
图五：参考脉冲的光谱相位获取及准确性修正
二、Wizzler使用技巧
由于是完全共线设计，Wizzler内部光路调节非常简单，尤其是掌握了以上原理以后，就算把所有的元件都拆装一遍也不会花费很长的时间。下面就简单描述一下Wizzler调节方法以及使用技巧。
1. 光路调节
1) 移除XPW晶体，使用入射光阑和厂家提供的辅助小孔进行光路的对准。验证是否对准的方法是看光谱仪上的强度是否最强。注意：厂家提供的小孔背面贴有四分之一波片，因此需要旋转波片使得初始强度合适。
2) 移除小孔，此时由于偏振元件的正交性，光谱仪上应该没有信号，或者非常之微弱。如果有较强的信号，说明偏振片的方向有所旋转，需要校正一下。如果发现有微弱的信号，并且有光谱干涉的现象，说明双折射片的角度不正确，需要旋转一下，祛除干涉条纹。
3) 放入XPW晶体，此时光谱仪上应该有一个相对光滑的光谱出现。当然，这是建立在脉冲比较优化的前提下。如果信号较弱，需要调节一下激光系统中的脉冲压缩器直到获得最强的光谱强度信号和最宽的光谱宽度。
4) 最后一步是利用双折射片产生待测信号，适当旋转双折射片的角度，产生一个调制深度适中（笔者的经验大约在30%）的干涉图样。
5) 此时，Wizzler界面上应该会给出一个详细的脉冲宽度数值和相位信息。
图六：Wizzler典型测量界面
2. 与Dazzler进行反馈
图七： Wizzler-Dazzler主动反馈系统
Wizzler的一个重要优点是可以和Dazzler形成反馈系统，最终得到严格的傅里叶转换极限脉冲。
进行此项功能操作的要点就是将Dazzler和Wizzler的软件安装在同一个电脑上，或者安装在不同电脑上，使用远程控制建立起通讯。
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参考文献：
1. A. Jullien et al., Opt. Express, vol. 14, pp. 2760–2769 (2006)
2. “Self-referenced spectral interferometry，” Oksenhendler, T., Coudreau, S., Forget, N. et al. Appl. Phys. B (2010) 99: 7.
