節：實驗架構

圖3.2 為實驗中脈衝型變系統架構，使用 Ti-sa 脈衝雷射，中心 波長800nm，頻寬(full-width-at-half maximum)40nm，平均功率

400mW，重複率 82MHz，理想脈衝寬度為 27fs。使用 600/mm 光柵，

焦距為10cm 的反射鏡，以及液晶空間光調制器(SLM Cambridge Research and Instrumentation Inc(CRI) SLM-128)，由 128 個圖素組成 的液晶陣列，每個圖素100μm 寬。脈衝經由光柵→曲面鏡→空間光 調制器→曲面鏡→光柵 所組成的 4-f 系統後聚焦在 100μm 的 BBO 晶體(type-Ιβ-Ba1BO4)，使用光電倍增管(PMT)接收其倍頻訊號，電 腦產生各種相位，經由空間光調制器改變相位，量測倍頻訊號為回

饋，配合相位凍結演算法，一再重複達到最佳化的目的。

圖 3.2 脈衝型變系配合相位凍結法架構

圖 3.3 為相位凍結演算法的流程圖，在整個實驗架構 4-f 系統中，

中心波長800nm 座落在 SLM 圖素 64 的位置，每個圖素間距 100μ m,相對於光譜上 0.75nm 的波長差，所以，頻寬 40nm 的光譜,全寬約 坐落在圖素20 到圖素 100。演算法剛開始，將 128 個圖素分為兩群：

1~64 及 65~128，先固定 65~128 這一群的相位，調變 1~64 這一群，

從0~2π，經由回饋的倍頻訊號，找出最強的相位，此時，兩部分的 Femtosecond laser

grating grating

BBO Filter PMT

PC with Freezing Algorithm

相位是相同的。接下來，將128 圖素分為四部份：1~32、33~64、65~96、

97~128，同樣步驟，固定後面三部分的相位，調變圖素 1~32 從 0~2 π，找到最強的倍頻訊號後，將此疊加的相位凍結起來，接著改變圖 素33~64 這一群，找到最強的訊號後凍結起來，依此類推，讓四部分 同相位。

將頻譜上各部分的光依次調變，凍結住使倍頻訊號最強的相位，

一步步下來，使被頻訊號越來越強，這表示各部分的光漸漸同相位；

然後再往下細分，分8 部分、16 部分、32 部分、64 部分、128 部分 來做處理，這便是相位凍結演算法的流程，反覆的測試後，最終，找 到一個相位分布是可以消去色散，使倍頻訊號最強，此時， 脈衝壓 縮至頻寬對應的最短脈衝寬度(transform limit)，各波長的光有相同相 位。

圖3.3 相位凍結法流程圖 3.3 節：結果與討論

圖 3.4(a)為相位凍結的過程，使用最後的強度做歸一化；初始分 2 部分、4 部份、8 部分、16 部分、32 部分、64 部分；倍頻訊號強度 由47%、65%、77%、95%、99%增強到 100%，圖 3.4(b)為初始入射

Regroup

Vary the phase

Determine the spectral phase

Measure

Start

End

凍結過程的脈衝形狀，Ti-sa 脈衝雷射原始脈衝寬度為 150fs，經由相 位凍結法壓縮到27fs，與理論上頻寬對應的最短脈衝寬度(transfer limit)相同。

由數據顯示，倍頻訊號增強的過程大多發生在圖素 20 到圖素 100 的位置，也就是光譜全寬的範圍，在圖素40 及 80 的位置附近變動強 烈，圖3.5（a）為 SLM 上疊加的相位，清楚的發現疊加相位近似二 次曲線，一階斜率在圖素 60 左右的地方為零，圖素 20 到圖素 100 為 有效區域，相位凍結過程漸漸抵消色散，最終達到最短脈衝寬度，最 終疊加的啁啾(chirp)為-3*10⁴fs²，故原本雷射為正色散，啁啾量為 3*10⁴fs²。

針對相位凍結法，提出以下幾點討論：

1. 需要一個回饋訊號，讓回饋訊號增強進而達到壓縮脈衝的目的，

所以，回饋訊號的強弱決定相位凍結的效益，回饋訊號的改變量 必須比雜訊大，演算法才可精確判讀。

2. SLM 配合相位凍結法可以消去色散，但系統的解析度決定可以消 去色散量的大小，本系統使用600/mm 光柵，焦距為 20cm 的反 射鏡，SLM 上每個圖素為 100μm,控制光譜上 0.75nm 的波長差；

若想更提升系統解析度必須增加圖素，或是增加光柵條數，或使 用長焦距，以求達到更精細控制頻域相位，叠加更大的啁啾。

3. 在週而復始的變換相位過程，由長波長開始改變或是由短波長開 始改變不會影響最後的結果

4. 由疊加的相位可以回推原始脈衝的相位分布，這方法比起

FROG(frequency-resolved-optical gating)的脈衝量測技術擁有更高的 解析度。

0 40 80 120 0.5

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

SHG(a.u.)

pixel number

2g 4g 8g 16g 32g 64g

圖3.4 (a) 相位凍結二倍頻增強過程

圖 3.4 (b) 相位凍結過程脈衝形狀變化

20 40 6 0 80 100 120