脉冲激光器可以通过将脉冲能量压缩到较短的持续时间内来实现较大的峰值功率。这使得需要高强度的应用成为可能，例如激光加工和非线性频率转换。此外，超短脉冲对于探测快速光物质相互作用和高速光通信至关重要。因此，脉冲源的准确时间表征与准确估计脉冲能量以及空间和光谱轮廓一样重要。正如脉冲激光操作方法中所讨论的，技术可以导致从 µs 到 fs 的脉冲持续时间。使用光电探测器直接测量小于 20 ps 的脉冲仍然是一个挑战，因为高速光接收器的响应时间目前限制在 10 ps(见 光接收器的类型)。因此，已经开发了使用光选通技术测量超短脉冲的间接方法，并在下面进行讨论。在解决表征技术之前，我们详细介绍了脉冲激光时间剖面的属性。
激光脉冲时间曲线
对于脉冲激光器，输出功率 (φ) 是一个随时间变化的量。与激光束空间剖面中讨论的激光束空间剖面一样，时间剖面具有振幅、脉冲形状和宽度。一种常见的轮廓采用高斯函数的形状(如图所示)，可以写成如下形式：
脉冲宽度。被定义为功率下降到其峰值功率 (φ pk ) 值的 1/e 或 0.37 时的半径 (HW1/e)。时间宽度有时被报告为其 FWHM 值，对于高斯脉冲，该值大于乘以 2(ln2) 1/2。激光系统可以产生许多脉冲形状，包括洛伦兹、双曲正割和平顶脉冲。与激光束类似，激光脉冲可以在传播后进行修改。这种修改的一个重要结果是超短脉冲，即小于 35 fs 的τ值，在传播仅几厘米后可能会在色散介质中经历显着的脉冲展宽。
pk 的值明显不同于平均功率，因为它给出了脉冲峰值处的瞬时功率值。高斯脉冲的 .pk 值可以通过回顾等式 (8) 中的φ(t)在整个脉冲上的积分给出脉冲能量 (Q e ) 来确定。因此，通过对上式中的高斯脉冲进行积分，可以得到峰值功率，即φ pk = Q e /τ√π，其中峰值功率与脉冲宽度之间的反比关系很明显。此外，通过采用φ(t)的这种高斯形式并将其插入给定高斯光束的辐照度分布中，生成脉冲激光的时空辐照度分布。这样的公式对于估算重要量(如峰值辐照度或峰值功率密度)至关重要。
自相关
时间事件的测量要求检测方法的响应至少与被测量的事件一样快。由于高速光接收器的响应时间有限，持续时间小于 10 ps 的脉冲的测量依赖于光脉冲本身作为响应函数。自相关器是一种利用这种方法测量超快激光脉冲的脉冲形状和持续时间的设备(如下图)。当不需要脉冲的相位信息时，自相关是确定脉冲宽度的最简单方法。自相关基于使用迈克尔逊干涉仪记录二阶相关函数。具有电场 E(t) 的输入脉冲首先通过分束器分成两个副本。复制品沿着两条独立的时间延迟线发送，一条是可变的，一条是固定的，以在它们之间产生时间延迟。然后，两个复制品 E(t) 和 E(t-τ) 在非线性晶体中重新组合以产生 SHG。SHG 信号的总强度与场总和的平方成正比，如下图所示。信号 ([2E(t)E(t-τ)]) 的一个分量完全归因于两个脉冲的时间重叠。只有当两个脉冲在时间上重叠时，信号的这个分量才会出现。虹膜或光圈仅允许将此组件发送到检测器，通常是光电二极管。光电二极管对信号进行平方并将其积分，给出与两个副本的强度成比例的强度。通过将此信号记录为时间延迟的函数，生成激光脉冲的强度自相关。
上图左侧所示的自相关方程是两个副本的相关函数，而不是脉冲的直接测量值。如果两个副本相同，则可以分析求解该方程式，并且可以通过将自相关信号宽度除以取决于脉冲轮廓的常数因子来简单地确定脉冲宽度。应该清楚的是，自相关宽度总是大于实际脉冲的宽度。这可以从图 1 中所示的高斯脉冲看出，其中自相关宽度是脉冲宽度的 √2 倍。
频率分辨光选通
由于时间带宽不确定性原理，超短激光脉冲具有显着的光谱带宽(通常为 10 至 100 nm)。自相关可以测量超短脉冲的持续时间，但无法表征不同组成光谱分量之间的相位关系。这样做的主要原因是自相关器利用单晶光电探测器有效地整合脉冲的光谱轮廓。光的光谱分量之间的关系会在色散介质中传播时发生变化，从而导致称为线性调频的效应，这会导致脉冲展宽。幸运的是，现有技术可以监测脉冲的光谱轮廓随时间的变化，从而可以完全重建电场。在这些技术中，频率分辨光选通(FROG) 可以说是最直接和最容易实现的。下图显示了该技术的最简单版本 (SHG FROG)，它本质上是一个光谱分辨自相关器，它将 SHG 信号发送到光谱仪而不是单晶光电二极管。下图显示了从 SHG FROG 设置生成的典型信号(称为迹线)，并揭示了在色散介质中传播后脉冲展宽的影响。从 FROG 轨迹中提取电场(称为检索)比从自相关信号中提取强度要复杂得多。FROG 迹线的分析需要结合二维相位检索算法的迭代方法。幸运的是，存在用于相位检索的有效算法。有其他几何形状可用于 FROG，包括自衍射 FROG (SD FROG)。这种几何结构提供了光谱相位的符号(不是使用单次 SHG FROG 扫描提取的)并且分析起来更直观，允许实时进行线性调频测量。缺点是 SD FROG 依赖非常高的峰值功率来产生足够的信号。
