（光学专业论文）飞秒波包干涉控制技术及其应用.pdf

摘要 飞秒波包干涉控制技术是在超快激光技术及量子相干控制理论的基础上发展 起来的一种飞秒相干光谱技术。其基本原理是控制激光脉冲之间的相位差，并通 过测量由相对相位可调的激光脉冲对激发量子体系所产生的信号，来研究超快激 光与物质的瞬态光学相干过程。该技术在超快光化学、超快光物理、相干控制化 学反应等研究领域内都有着非常重要的应用价值，因此，对波包干涉控制技术的 研究与实现其在相干控制中的应用，无论在学术研究上还是技术发展上都具有非 常重要的意义。本论文研究了飞秒波包干涉控制技术，设计了飞秒波包干涉控制 装置，并运用该装置实现对双光子荧光的激发态波包的干涉控制，内容主要包括： 1 ) 自行设计制作飞秒波包干涉控制装置，该装置在迈克耳逊干涉仪的基础上，可 实现对于涉仪输出激光脉冲之间相位的反馈控制。光电探测器用来探测干涉仪 的信号反馈，并将此反馈信号输入到伺服电路控制系统，通过电路系统进行解 调、积分、放大等处理后，输出信号用来驱动反馈控制元件圆管状压电陶瓷 ( p z t ) 。压电陶瓷上固定有高反镜作为干涉仪的一臂，利用压电陶瓷的逆压 电特性，通过在压电陶瓷上加载驱动控制信号，可使压电陶瓷管长发生伸缩变 化，因此就可精密调节干涉仪两臂之间的光程差，进而控制输出激光脉冲之间 的相位。本装置对压电陶瓷的管长的控制精度可达1 r i m 。 2 ) 运用自行设计制作的飞秒波包干涉控制装置对d c m ( 4 - d i c y a n o m e t h y l e n e - 2 - m e t h y l - 6 - p - d i m e t h y l - a m i n o s t r y r y l - 4 h p y r a n ) 样品的双 光予荧光信号进行波包干涉控制实验，实现对双光子荧光的激发态波包的干涉 控制。结果表明，通过控制激发光脉的相位，可对激发态的波包进行干涉控制， 而激发态波包的干涉效应又将进一步影响激发态布居数的改变。 关键词：飞秒脉冲相位控制、波包干涉控制、双光子荧光 a b s t r a c t t h ef e m t o s e c o n dw a v e p a c k e ti n t e r f e r o m e t r yh a sb o c o m ean o w t e c h n i q u et os t u d y q u a n t u mc o h e r e n tp r o g r e s s e si nt h es y s t e mw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ff e m t o s e c o n d l a s e rt e c h n i q u ea n dq u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o lt h e o r y i t 伽b ew i d e l ya p p f i e di nt h e p h o t o p h y s i c a l , p h o t o c h e m i c a la n dp h o t o b i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，s u c ha s ：m a n i p u l a t i o no f v i b r a t i o n a ld y n a m i c s , o n eo rm u l t ip h o t o nt r a n s i t i o n , s e l e c t i v ec o n t r o lo fp r o d u c t f o r m a t i o ni nc h e m i c a lr e a c t i o n , a n ds oo n s oi ti sv e r yn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tf o ru s t oi n v e s t i g a t ew a v e p a c k e ti n t e r f e r o m e t r yt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s , w e e x p l a i n t h e p r i n c i p l e o f w a v e p a c k ei n t e r f e t o m e t r y , i n t r o d u c e as e l f - d e s i g n e d w a v e p a c k e ti n t e f f e r o m e t r i cs y s t e ma n di n v e s t i g a t et w o - p h o t o nf l u o r e s c e n c es i g n a lb y u s i n gt h es y s t e mt or e a l i z et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e ne x c i t e dw a v e p a c k e t s 1 ) as e l f - d e s i g n e dw a v e p a e k e ti n t e r f e r o m e t r i cs y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t hm i c h e l s o n i n t e r f e m m e t e r , p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r , s o l v e tc i r c u i ts y s t e ma n dp i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e s 口码t og e n e r a t ep h a s e - l o c k e dl a s e rp u l s ep a i r s 2 ) u t t z 吨t h eh o m e m a d ew a v e p a c k e ti n t e r f e r o m e t r i cs y s t e m ，t h ew a v e p a c k e t i n t e r f e r o m e t r yo ft w o - p h o t o nt r a n s i t i o np r o c e s si nc o m p f i c a t e dm o l e c u l a rs y s t e m d c m ( 4 - d i c y a n o m e t h y l e n e - 2 - m e t h y l - 6 - p - d i m e t h y l - a m i n o s t r y r y l - 4 h - p y r a n ) i s e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d t h ei n t e r f e r e n c ep h e n o m e n ab e t w e e nt h ee x c i t e d w a v e p a c k e t sb yp h a s e l o c k e dl a s e rp u l s e sa l ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a ti ti sf e a s i b l ef o rt h es e 峪d e s i g n e dw a v e p a c k e ti n t e r f e r o m e t r i cs y s t e mt o a c c u r a t e l yc o n t r o lt h ep h a s e so f l a s e rp i l l s c s k e y w o r d s ：p h a s e - l o c k e df e m t o s e c o n dp u l s e s ，w a v e p a c k e ti n t e r f e r o m e t r y , t w o p h o t o nf l u o r e s c e n c e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意 作者签名：盥 日期： 趔：! ：! 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 魏协 一名：蟛 第一章引言 第一章引言 相干过程是现代物理学研究的核心内容之一所谓相干，简单的说，就是体系 中的粒子( 或光子) 以相同的相位运动与变化。早在1 9 0 5 年，爱因斯坦就提出了受激 吸收与受激发射的概念。以受激发射为例，诱导光场被介质放大，放大后的光场与 诱导光场具有相同的发射频率、位相和传播方向。诱导光场与放大后的光场具有 相干特性。在此概念提出5 0 多年之后，人们发明了激光种理想的相干光源。 随着激光的诞生，相干领域的研究已成为物理学中最主要、最富有成效的研 究领域之一。要实现了解和控制量子力学系统的目标，不仅要知道该系统波函数的 概率分布，还要知道其波函数的位相。当量子力学系统受到激光脉冲的激发，处于 受激态时，系统中各能态间是相干的，并具有一定的位相关系。而在激发脉冲终止 后，由于散射等原因，系统回到平衡态，位相关系消失。人们所知道的一些瞬态相 干效应，都是系统处在相干受激态下与光脉冲相互作用的现象。而相干控制，就是 利用系统的位相关系，根据量子干涉原理，用激光来控制量子系统的变化进程。 1 1 飞秒相干光谱技术 近年来，激光科学技术中一个最引人注目的成就就是飞秒( 1 0 s ，简称f s ) 激光技术的迅速发展。1 9 7 6 年，人们首次在染料激光器中实现飞秒激光脉冲输出 1 以来，飞秒激光技术经历了几个重要的发展阶段，每次的进展都得益于新的物 理概念的产生，这使得激光脉冲的宽度不断被压窄。现在我们已经能够获得脉宽 仅几个飞秒的激光脉冲 2 - 4 ，这就意味着，在激光的脉冲包络内仅仅包含了几个 光波振荡周期。飞秒激光技术的发展开拓了超快现象研究的新的领域，对超快激 光脉冲与物质的相互作用的研究揭示了许多尚未被认识到的新规律。并极大的推 动了光电子学、光通信和信息技术向高频域、高速率的方向发展。可以说，飞秒 激光技术的发展对整个物理学产生了革命性的影响 第一章引言 随着飞秒激光技术的长足进步，飞秒相干光谱技术也得到了快速的发展。所 谓飞秒相干光谱技术，是指通过各种光谱探测手段如：瞬态吸收光谱、瞬态偏振 光谱、光子回波技术及时间分辨荧光技术等来研究超快激光与物质的瞬态相干作 用。其原理是；当激光与共振介质的相互作用时闻小于介质的纵向和横向驰豫时 间时，介质中会发生一系列的瞬态现象。瞬态相干效应是粒子的记忆行为，入射 相干光脉冲把共振介质中的粒子激发到相干叠加态，形成有确定相位关系的电偶 极矩集合，介质又进一步发射或吸收相干光。由于在这些偶极矩的发射或吸收信 号中记忆了全部入射脉冲和在相互作用期间所发生的各种驰豫动力学过程的信 息。这样使瞬态相干光学成为研究粒子系统内部和外部相互作用机制及其微观结 构的有力工具1 5 。 飞秒相干光谱技术的出发点是利用超短脉冲激光与物质的瞬态相干作用效 应，探测信号光场的振幅、位相和波矢，也可以测量物质与激光瞬态光学相干作 用的其它信息，如：激发态布居数的变化、电子运动及原子核振动等方面的信息。 其基本思路是基于两方面的考虑： 一方面，在瞬态相干过程中，体系的态保持了相干叠加，相干态可以再辐射 光场，该光场可通过光电探测器来探测； 另一方面，体系的相干态又可以感受另一个相干光场，不仅光场的振幅能够 影响相干态的特性，而且其相位对相干态的演化进程也会产生重要影响。这样， 如果人为地控制激发光场的相位，那么，相干态之间就会因干涉而发生相长或相 消。因此，探测态的干涉信号，也可以得到瞬态相干光学过程的信息。也就是说， 既可以通过直接测量相干辐射场，也可以通过测量态的布居来研究瞬态相干现象。 随着超短脉冲激光器的发展，超短脉冲测量的技术也在不断地向前发展。早 期的技术主要测量的是脉冲的强度自相关信息 6 。一般的飞秒测量都是采用自相 关技术，由于这些方法所固有的缺陷使得测量结果只含有光振幅信息，因而不能 提供脉冲形状的完整信息。而要全面地描述一个脉冲光场需要确定其振幅和相位。 但在光频段，同时进行信号的振幅和相位测量非常困难，对于出现在飞秒尺度的 相干辐射，探测器已不能直接测量到时间分辨的感应极化强度，只能通过间接测 量的方法来实现。一般来说，间接测量的方法有两种： 一是在某一特定方向使相干辐射与另一超短脉冲相干，由相干函数即可得到 第一章引言 相干辐射的时间波形；二是直接在介质中引入第二个脉冲与前一个脉冲产生的感 应极化场相互作用，这样介质的能级粒子数布居将是脉冲对相对延时的函数，它 可以表征由单脉冲诱导的自由感应衰减过程。因而通过测量与体系激发态布居有 关的信号，如非相干辐射( 荧光) 、半导体的光电导等，可以得到同样的瞬态相干 光学过程的信息。常用的方法是用具有确定相位差的脉冲对，通过测量激发态布 居来研究瞬态相干光学过程。 作为一种间接测量技术，飞秒相干光谱技术的优点在于：首先，可以应用于 不同样品的测量上，使测量方式有更多的选择余地，如对半导体可测量光电导，对 稀土样品可测量荧光；其次，在大多数情况下，测量布居所引起的信号比直接测 量再辐射信号有更高的灵敏度；第三、根据测量得到干涉图或相关函数，可以从 中求得态的相位演化特性，而且，如果经过适当的数学处理，如傅立叶变换等， 还可以得到相关的频谱信息。 飞秒激光相干光谱技术在物理、化学及生物等各个方面都有非常广泛的应用 7 ： 在物理学方面，飞秒激光相干光谱技术可用于研究半导体纳米结构( 量子线、 量子点、纳米晶体等) 的载流子动力学，包括半导体中瞬态电子在电场中的输运， 灼热电子的驰豫和隧穿及光与物质相互作用的动力学等 8 一i i ：例如，对于i i i v 族量子阱材料的研究。由于在超高速调制半导体激光器和接收器等光电子器件方 面的重要应用，i i i - v 族量子阱材料的载流子动力学的研究引起了人们的普遍关 注。当光子能量大于材料间隙，激发光可在材料中产生激发的电子和空穴，载流 子起始在动量和能量空间有较窄的分布，随即会发生载流子的动量和能量空间的 重新分布；再经过载流子和载流子的相互作用，激发的电子和空穴达到新的热平 衡分布，即费米一狄拉克分布。在更长的时间后，这些热载流子会与光学声子发生 相互作用而失去多余的能量，有关这些过程的时间尺度在飞秒到皮秒量级，其中 载流子载流子散射及谷问、谷内散射最快，处于飞秒时域。运用飞秒相干光 谱技术可对g a a s 体材料中光激发产生的电子的散射进行研究，并测量这些谷间散 射的寿命。 在化学方面，飞秒相干光谱技术目前已成功的应用于研究光化学反应、光解 离过程、化学键的断裂与结合及相关的动力学过程。飞秒相干光谱技术的发展为 第一章引言 化学家们提供了以特定的光脉冲( 特定波长、偏振状态、宽度、强度及波形等) 来控制化学反应的可能性 1 2 - 1 4 在此领域内做出杰出贡献的是1 9 9 9 年诺贝尔 化学奖获得者加州理工大学的z e v a i l 教授及其工作组 1 5 - 1 e 。他们在1 9 8 6 年首 次利用飞秒激光研究了氰化碘( i c n ) 分子的解离过程 1 7 ： i c n + 一，c n + 一，+ c n ，发现氰化碘的解离过程为亚皮秒时间尺度，同时其 中存在着一个化学反应过渡态f ，c 1 另外，在对i h g l 的研究中，他们观察到 了确实存在过渡态化合物，且寿命只有2 0 0 r s 。他们还利用可调谐飞秒激光结合 动能分辨的时间飞行质谱技术，成功的研究了许多化学反应的动力学特性如， 研究振动高激发态和碰撞能量驰豫，液体中的相干分子振动、长程相互作用和短 程碰撞过程，分子激发态的驰豫过程、分子间的微观摩擦等等。 此外，飞秒相干光谱技术还为研究生物体中的超快光物理、光化学及光生物 学的过程提供了有效的工具，使人们能够对生物体中的超快现象进行更为深入的 研究，特别是生物体中存在的飞秒量级的能量传递、电荷转移等过程的研究，如 光合作用中的能量传递过程，视觉系统中的光致异构化过程以及d n a 中的电荷传 递及质子传递等过程 1 8 - 1 9 。这有利于人们更有效的利用太阳光能、设计超快响 应的分子生物器件及未来的生物计算机。 第一章引言 1 2 波包干涉控制技术的概述 本论文重点介绍的波包干涉控制技术属于飞秒相干光谱技术的范畴。其基本 原理是控制激光脉冲对之间的相位差，并通过测量由相对相位可调的激光脉冲对 诱导的量子体系激发态的信号，来研究超快激光与物质的瞬态光学相干过程，以 获得介质物质的相关信息。 飞秒波包干涉控制技术的概念起源于建立在相干态基础之上来研究介质特性 的飞秒相位动力学 2 0 。飞秒相位动力学的研究始于b i g o t 等 2 1 2 2 的工作，他 们用干涉自相关和时间分辨的强度测量技术，用超短脉冲共振激发确定了在半导 体量子阱中相干发射的相位和振幅。然而b i g o t 的方法是建立在六能带模型上， 需要测量六个物理量来恢复波函数的振幅和相位信息，而忽略了体系相干态的相 位演化过程，不仅实验复杂，且很难对其进行合理的理论解释。 为了测量信号光场的振幅、相位及极化态的性质，人们尝试使用别的较为简 单的实验方法，通过测量超短脉冲诱导的量子体系激发态布居随激光脉冲之间相 对相位的函数关系，来得到瞬态相干光学过程的相位信息o ，t ) ，即飞秒相位动 力学的研究。 对于激光脉冲相位进行控制的手段可以分为被动控制与主动控制两大类。被 动控制技术即利用色散介质改变不同激光波长的脉冲的相对位相。这是一种被动 控制的手段，由于控制元件的物理性能与光学性能都是固定不变的，因此，这种 技术方法不可能做到对于激光脉冲相位进行自动反馈控制。主动控制技术即在激 光系统中加入控制元件，这些控制元件在驱动信号的作用下，其物理特性会发生 变化，影响到激光系统，使输出激光脉冲的相位发生变化，而达到对于激光脉冲 的相位进行控制的目的。 最初的主动控制技术是应用声光移相技术来控制激光脉冲之间的相位 2 3 1 。这 种技术方法采用声光调制器对激光脉冲进行声光调制，通过改变加载在声光调制 器上的射频载波信号，对激光脉冲的相位和幅度进行反馈控制。运用这种技术可 以实现激光脉冲的相位控制，但是这种相位控制方法的最快响应时间在纳秒( 1 0 4 第一章引言 秒) 量级，随着超快激光技术的发展，皮秒、飞秒、亚飞秒、阿秒或更短脉冲激 光的出现，我们迫切需要能够在皮秒甚至飞秒量级内实现对于激光脉冲的相位控 制的技术。 随后，w a l e c k i 等 2 4 - 2 6 提出了一种双通道飞秒光谱干涉技术来控制激光脉 冲的相位。这种技术方法将激光脉冲分成两柬，构成激光脉冲对，并通过迈克耳 逊干涉仪将两个激光脉冲再次合成到一起，这样，迈克耳逊干涉仪其中一臂与另 一臂之间的相对运动就构成了延时可调的激光脉冲对迈克耳逊干涉仪输出的激 光脉冲对又被进一步分为光强不等的两柬，较强的光束用于激发样品，样品被激 发后发射的信号由探测器探测得到。而另一束光强较弱的作为参考信号经另一个 探测器进行探测，两路光信号进入两个不同的差分锁相放大器进行相关检测，这 样就可以避免由探测器本身带来的本底信号。由于自相关函数的干涉条纹和相关 信号被同步测量记录，因此实验环境所引入的系统误差也被同步记录，取其差分 信号即可消去系统误差，得到随脉冲对延时变化的样品的量子系统的激发态相关 信号。由于这种方法采用相关检测的机制，还可以消除实验系统的误差，因此降 低了对实验装置的要求，并且可以应用在各种不同的样品中；如，g a a s 晶体 2 7 、 稀土材料 2 8 、半导体材料 2 9 等。但这种方法也有明显的不足：即对光束之间 的延迟时间的控制精度不高。这是由于使用步迸电机来控制迈克耳逊干涉仪的延 迟线，电机皮带和齿轮之间不完全吻合，转速不均匀及干涉仪传动齿轮间的狭小 间隙等因素造成控制精度下降。而要控制激光脉冲对的相对相位，其控制精度在 长度单位上必须达到激光脉冲的波长量级( 即数百飞秒) 。因此，从实际应用上 来讲，这种方法并不能够真正实现对于超短激光脉冲的相位的控制。但是这种双 通道相干检测的技术方案为我们进一步实现激光脉冲对的相位控制提供了一种可 行的参考方案。 同时，f o u r k a s 等【3 0 】提出了另一种激光脉冲相位控制的技术手段。他们采用 压电陶瓷材料( p z t ) 作为反馈控制元件来控制激光脉冲对的相位。压电陶瓷是一 种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。如在压电陶瓷的极化方向上加 一个电场，其极化强度会发生变化，形成极化方向上的伸长或缩短形变。利用压 电陶瓷的这种逆压电特性，在圆管状的压电陶瓷上加载反馈控制信号，使其长度 随控制电压信号的变化发生伸缩，来实现迈克耳逊干涉仪两臂之间光程差的精密 第一章引言 调节。运用这种技术方案，f o u r k a s 等人实现了对皮秒量级的激光脉冲对之间的相 位控制。这是我们首次真正实现对于激光脉冲对之间相位的精密控制。但是，这 种控制技术的实验装置需要使用两个压电陶瓷样品，因此对于反馈信号的控制比 较困难，而且实验装置复杂，较难进一步推广 s c h e r e r 等x 3 1 3 2 】在结合以上两种技术方法的基础上，进一步提出波包干涉 控制技术，并在飞秒时域内实现了激光脉冲对的相位控制。波包干涉控制技术， 即采用压电陶瓷材料作为精密控制元件，将压电陶瓷固定在光学高反镜上构成迈 克耳逊干涉仪的一臂，通过对压电陶瓷加载反馈控制信号，调节迈克耳逊干涉仪 两臂之间的相对运动来实现激光脉冲对的精密位相控制。应用这种控制技术可以 生成相位可控的激光脉冲对，并且通过测量脉冲对激发的样品相关信号与脉冲对 之间相位的函数关系，来研究物质的瞬态相干光学过程。运用这种技术方法可以 观察到物质相干态在相位确定的激发光脉冲的作用下，随延迟时间的瞬时变化信 息，及相干态的演化过程。 第一章引言 l 3 本论文出发点及主要内容 飞秒波包干涉控制技术是国际上一个新兴的前沿研究领域，利用这种技术， 我们可以控制激光脉冲对之间的相对相位差，并通过测量激光脉冲对激发的量子 体系的信号随脉冲对之间相位差的变化，来研究超快激光脉冲与物质相互作用的 瞬态光学相干过程目前，在国际上这一技术的理论和实验研究已经取得了一定 成果，但是在我国，对于这一方面的研究还很少。因此，对波包干涉控制技术的 研究与实现其在相干控制中的应用无论在学术研究上还是技术发展上都具有非常 重要的意义，这也是本论文工作的主要出发点。 本论文首先对于飞秒激光脉冲的产生与应用、飞秒相干光谱技术及飞秒波包 干涉控制技术进行了简单的介绍，然后具体分析了波包干涉控制技术实现的原理 及方法，利用压电陶瓷材料( p z t ) 及光电探测器探测信号反馈，构建了基于光学 迈克耳逊干涉仪的激光脉冲相位精密控制的实验装置，通过自行设计的伺服控制 电路系统对系统进行信号调制，并对反馈信号进行解调、积分、放大处理后，反 馈到压电陶瓷上控制迈克耳逊干涉仪两臂之间的光程差的变化，实现对于激光脉 冲相位的精密控制。最后运用此控制装置进行了反馈控制激光染料d c m 的双光子 荧光控制实验，并对实验的结果进行了分析和讨论。 第一章引言 参考文献 【1 】ls r u d d o c k , d j b r a d l e y , a p p lp h y s l e t t ，v 0 1 2 9 , 2 9 6 ，1 9 7 6 【2 1 ) ( a n ，c s p i e l m a n na n dek r a u s z , 劬l e t l ，v 0 1 2 2 ，e 1 2 5 9 ，1 9 9 6 【3 1 ld j u n g , ex k r t n e re ta 1 ，o p t l e t l ，v 0 1 2 2 ，i 1 0 0 9 ，1 9 9 7 【4 】u m o r g n e r , ex k r t l l g re ta 1 ，劬l e t t ，v 0 1 2 4 , e4 1 1 ，1 9 9 9 【5 】邹英华，孙陶亨，泼老物理学毛北京大学出版社，1 9 9 1 年出版 【6 】e ei p p e n , cvs h a n k , t e c h n i q u e s f o rm e a s u r e m e n t , s p r i n g c r - v e r l a g , 1 9 8 7 【7 】马国宏，郭立俊，荔红理v 0 1 3 0 , e 3 4 9 【8 】d n i s h i w a l d , yh a m a n a l m , yn o n o g a k ae ta 1 ，j o u r n a lo f l u m i n e s c e n c e ，v 0 1 8 3 ， p 4 9 ，1 9 9 9 1 9 】h y e , g 、mw i c k s , em f a u c h e t m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g , v 0 1 8 2 , e 1 3 1 ，2 0 0 1 【1 0 c j y o u n g d a h l ，j r w e e r t r a a n ，r c h u g o ，s c t a m a t e r , v 0 1 她e 1 4 7 5 ，2 0 0 1 【1 1 】c h e s s ，s f u n k , m b o n n , a p p lp h y s a ，v 0 1 6 5 ，r 5 9 7 ，1 9 9 7 【1 2 】a lp e g a r k o ve ta 1 ，r u s s i a np h y s i c s j o u r n a l ，、b 1 4 4 , e 1 2 4 9 ，2 0 0 1 1 3 】w w u r t he ta 1 ，a p p lp h y s a ，v 0 1 6 5 ，e 5 9 7 ，1 9 9 7 【1 4 】vl o z o v o ，s aa n t i p i nc ta 1 ，c h e m p h y s l e t t ，v 0 1 2 8 4 ，e 2 2 1 , 1 9 9 8 【1 5 】ah z e w a i l ，上p h y c h e m ，v 0 1 1 0 0 ，r 1 2 7 0 1 ，1 9 9 6 【1 6 】章宗穰，茸烈赫v 0 1 2 1 ，e 3 6 3 ，2 0 0 0 【1 7 】m d a n t u s , m j r o s k e ra n d 丸h z e w a i l ，zc h e m p h y s 蜀v 0 1 7 ，e 2 3 9 5 ，1 9 8 7 【1 8 】j p e o n ，丸h z e w a i l ，c h e m p h y s l e t t ，v 0 1 3 4 8 ，e 2 5 5 ，2 0 0 1 【1 9 】d e f o l m e r , lp o t h , e s w i s n i e w s k ie ta 1 ，c h e m p h y s l e t t ，v 0 1 2 8 7 ，e 1 ， 1 9 9 8 【2 0 jx yh ，q l e o ，w ：l “e la 1 ，a p p lp h y s l e f t ，1 7 3 ，e 3 3 2 1 ，1 9 9 8 【2 1 】j yb i g o t ，m a m y c e k , s w e i s se ta 1 ，p h y s r e v l e t t ，v 0 1 7 0 , e 3 3 0 7 ，1 9 9 3 【2 2 】d s c h e m l a ，j yb i g o t ，m am y c e k e ta 1 ，p h y s r e v b ，v 0 1 5 0 ，e 8 4 3 9 ，1 9 9 4 【2 3 】j e g o l u b , ys b a ia n dzw m o s s b e r g , p h y s r e v a ，v 0 1 3 7 ，e l l 9 ，1 9 8 8 【2 4 b s w h e r r e 也a ls m i r le ta 1 ，i e e ezq u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 1 9 ，e 6 8 0 ，1 9 8 3 9 第一章引言 2 5 】w j w a l e c k i ，d 。n f i t t i n g h o f f , a ls m i r l ，o p t l e t t o ，v 0 1 2 2 , p 8 1 ，1 9 9 7 f 2 6 1o b u c c a f u s c a , x c h e n , w j w a l e c k ie ta 1 ，z 仍，s o ca r tb ，v 0 1 1 5 ，e 1 2 1 8 ， 1 9 9 8 【2 7 】0 l e o , x y x u , w l l ic la 1 ，4 p 叫p h y s 最v 0 1 7 0 , p 5 3 , 2 0 0 0 【2 8 】q l e o ，d d z h a n ge ta 1 ，c 饥p h y s 僦，v 0 1 7 ，p 1 0 1 ，2 0 0 0 【2 9 】ll e o ，lc h e n , z r q i ue ta 1 ，j a p p l p h y s v 0 1 8 9 , 1 8 3 4 2 ，2 0 0 1 【3 0 】j tf o u r k a s ，wl w i l s o nc ta 1 ，上何s o c a r te v 0 1 6 ，i 1 9 0 5 ，1 9 8 9 3 1 】n es c h e r e r , aj r u g g i e r o ，m d ue ta 1 ，zc h e r tp h y s ，v 0 1 9 3 ，e 8 5 6 ，1 9 9 0 【3 2 】n es c h e r e r , r j c a r l s o n ，久m a t r oe ta 1 ，zc h e r t p h y s ，v 0 1 9 5 ，p t 4 8 7 , 1 9 9 1 1 0 第二章飞秒波包干涉控制装置 2 1 波包干涉控制装置的概述 波包干涉控制装置是一种应用于飞秒激光脉冲位相精密控制技术领域的自动 控制装置，该装置由迈克尔逊干涉仪、光电探测器和伺服电路控制系统三部分组 成。本章将对该装置的主要组成部分进行详细的介绍。 波包干涉控制装置的整体框架如图2 1 所示。 5 0 b s ：5 0 分束片； d e l a y ：延时系统： p z r ：圆管状压电陶瓷； h r ：光学高反镜； 图2 1 波包干涉控制装置的整体框架示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fw a v e p a c k e ti n t e r f e r o m e t r i cs y s t e m 波包干涉控制装置实现飞秒激光脉冲位相精密控制的原理是：迈克耳逊干涉 仪的输出光的采样信号经探测器转化为电信号，又通过伺服系统将接收到的光电 信号进行处理，并输出驱动信号对于迈克耳逊干涉仪一臂上的压电陶瓷进行反馈 第二章飞秒波包干涉控制装置 控制。圆管状的压电陶瓷在驱动信号的作用下，由于逆压电效应，圆管的长度会 随驱动信号的变化而发生伸缩那么，对于压电陶瓷的反馈控制就被转化为了对 于迈克耳逊干涉仪两臂之间光程差的调节，这样，即实现了对干涉仪输出的合成 光信号中两个沿不同光程传播的飞秒激光脉冲之间的位相的精密调节。 与普通的迈克尔逊干涉仪不同的是，本装置中组成迈克耳逊干涉仪一臂的高 反镜背面固定有控制元件圆管状压电陶瓷( p z t ) 上，而另一臂则是由两个相互垂 直的高反镜构成的延时系统。激光脉冲经5 0 分束片分为强度相等的两束光后， 沿两个不同的光程进行传播，并经过另一个5 0 分束片合成。合成光由9 5 反射、 5 透射的分束片进行采样，采样信号输入探测器。 光电探测器接收手涉仪输出的采样光信号，并将其转化为电信号，光电探测 器的输出信号输入到伺服电路控制系统。 伺服电路控制系统是我们根据现有的电子线路技术自行设计制作的一个可实 现自动控制的闭环反馈系统。其主要的功用是对光电探测器提供的采样光电信号 进行处理，并输出反馈控制信号。圆管状的压电陶瓷作为干涉仪光路系统中的控 制元件，在伺服电路系统输出信号的驱动下，其长度发生伸缩变化( 伸缩量应在 一个激光光源波长的范围内) ，从而改变迈克耳逊干涉仪两臂之间的光程差，也即 实现了飞秒激光脉冲位相的精密调节。 为了实现对于激光脉冲的控制，我们必须把控制信号加载到激光脉冲上，因 此，伺服控制系统除了输出反馈控制信号外，另一个功用是实现对于迈克耳逊干 涉仪光路系统的信号调制 1 。对于激光的调制可以分为内调制与外调制两种。内 调制指加载调制信号在激光振荡的过程中进行，如控制激光器的泵浦电源或在激 光谐振腔内放置调制装置来对激光进行调制。而外调制指在激光形成后加载调制 信号，例如，在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在此调制器上加载调制信 号电压，使调制器的某些物理特性发生变化，从而对激光脉冲进行调制。在本装 置中，圆管状的压电陶瓷就可以看成是这样的一个信号调制器。当对压电陶瓷加 载一定频率( 小于激光脉冲的重复频率) 及一定幅度( 使压电陶瓷的长度伸缩量 约激光光源波长的十分之一) 的调制信号时，压电陶瓷会在调制信号的作用下发 生有规律、小幅度的振荡，从而对整个迈克耳逊干涉仪的光路系统进行信号调制。 第二章飞秒波包干涉控制装置 2 2 压电陶瓷材料的特性研究 压电陶瓷作为控制元件及信号调制器，在整个波包干涉控制装置中起着非常 重要的作用。因此我们有必要对于压电陶瓷材料的一系列特性进行研究。 压电陶瓷( p z t ) 材料是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料 【2 】。其在微电子机械系统、精密加工数控机床、光学技术等领域有着广泛的应用。 本装置利用p z t 材料能够通过外加电压的变化控制长度伸缩的特性，精密调节飞 秒激光脉冲之间的位相差，从而实现波包干涉控制的功能。 本节将对压电陶瓷材料的特性进行概述，并着重介绍本装置中所选用的压电 陶瓷材料样品的压电特性测量实验及结果分析。 2 2 1 压电陶瓷材料的概述 压电陶瓷是一种多晶体。压电陶瓷在经过极化处理后具有压电效应【3 】。压电 陶瓷在经过极化处理后，陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来， 在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用， 在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。陶瓷片内的束缚电荷不能 自由移动，故陶瓷片内的剩余极化强度不能自行改变。当温度不变时，只有在外 界的机械作用力或电场的作用下，才能使陶瓷片内的剩余极化强度改变。随着极 化强度和束缚电荷的变化，陶瓷片上所吸附的自由电荷也发生变化。 如在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力f ，陶瓷片将产生压缩形变极化强 度变小，因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，极化强度变大，因此电极上又吸附一部分自由 电荷而出现充电现象。这种由机械能转换为电能的现象，就称为正压电效应。 第二章飞秒波包干涉控制装置 k 一 图2 2 1 逆压电效应示意图 f i g 2 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n v e r s e dp i e z o e l e c t r i ce f f e c t 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图2 2 1 所示，由于电 场的方向与极化强度方向相同，所以电场的作用将使极化强度增大。陶瓷片就会 沿极化方向发生伸长形变( 图中虚线) 。同理，如果外加电场方向与极化方向相 反，则陶瓷片将会沿极化方向产生缩短形变。这种由电能转变为机械能的现象就 称为逆压电效应。 本章介绍的波包干涉控制装置就是利用p z t 的逆压电效应，当p z t 的外加电 场改变时，其在极化方向上就会产生形变。这样，我们通过控制外加电压的幅度 就可以调节p z t 的长度变化，从而调节飞秒激光脉冲之间的位相差。 2 2 2 压电陶瓷材料的主要特性及理论计算 压电陶瓷材料同时是介电体、弹性体和压电体，在电场及应力作用下，压电 陶瓷将出现电极化并发生形变。为了描述压电陶瓷的状态，我们取一直角坐标系， 其三个轴分别为x ，nz 轴，而压电陶瓷的极化方向与z 轴平行在电场及应力不 太大的条件下，压电陶瓷的状态可由下面方程式表示： 第二章飞秒波包干涉控制装置 d l - e l t 。e l + d 。i ，dr 一8 l e ，+ a 。 1 t ， d ：- 占三e + d ：，瓴+ 五) + d ：l 是。譬+ 薯+ 篓+ 屯e ， ( 2 2 1 ) s ，s ：r p + s ：乒。+ s ：l ；+ d l t e z s 。一s ：i q l + t 0 + s ：z + dz 乒z 。 s 。is ：t i + d 。i e y ，s 。- s i t | + d i j e x ，s l - s 毛r 式中e 代表电场，d 代表电位移，占代表介电常数，t 代表应力，s 代表应交， s 。代表弹性柔顺常数，d 代表压电常数。 如图2 2 2 所示，x ，y ，z 是直角坐标的三个轴，极化方向与z 轴的方向平行。乃 和墨分别代表与x 轴垂直的平面内的切应力和切应变，毛和s ，分别代表与y 轴垂直 的平面内的切应力和切应交，瓦和分别代表与z 轴垂直的平面内的切应力和切应 变。 y x 图2 2 2 坐标轴的取向示意图 f i g 2 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o o r d i n a t ea x i s 1 压电陶瓷的介电常数 压电陶瓷的介电常数有两个：s 。，占其中e 。是x 轴方向电场强度改变1 个 单位时引起的该方向电位移的变化，：使z 轴方向电场强度改变1 个单位时引起的 第二章飞秒波包干涉控制装置 该方向电位移的变化 介电常数f 与元件的电容c 、电极面积a 和电极间距t 之间的关系为： c - 卯。孚 ( 2 2 2 ( a ) ) 或f c t( 2 2 2 t u ) )戥f - l z zj e o a 式中，气8 8 5 x 1 0 f m ，电容c 的单位为法拉( f ) ，电极面积a 的单位为平 方米( m 2 ) ，电极间距t 的单位为米。 2 压电陶瓷的弹性常数 任何物体在外力作用下都要发生不同程度的弹性形变，反映材料受力与弹性 形变之间关系的参数称为弹性常数。压电陶瓷中使用最多的是弹性柔顺常数，它 表示单位应力引起的应变。压电陶瓷的独立柔顺常数有五个：，& ，s 。，s ；， 和s i j ，另外还有s 从一2 ( s 。- s ，) 压电陶瓷中有时还使用弹性刚度常数，它表示使物体产生单位应变所需要的 应力，以c 表示。 3 压电陶瓷的压电常数 压电常数是压电材料所特有的一组重要参数，它反映材料的机械效应和电效 应之间的耦合关系。其中使用最多的是压电常数d ，它等于应力恒定时由于电场 强度变化引起的应力变化与电场强度变化之比，或电场恒定时由于应力变化所引 起的电位移交化与应力变化之比，d 。的第一个足标代表电效应的方向，第二个足 标代表机械效应的方向。压电系数的单位是库仑牛顿或米伏。 在波包干涉控制装置中我们使用的压电陶瓷形状为圆柱形。如图2 2 3 所示。 第二章飞秒波包干涉控制装置 x = d - d 图2 2 3 圆管状压电陶瓷示意图 n 昏2 2 3r o u d t i i b e s h a p e dp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r 图2 2 3 中d 表示压电陶瓷的外径直径，d 为内径直径，f 为压电陶瓷样品的管长。 在压电陶瓷内外壁上外加一个变化的电场，由于逆压电效应，压电陶瓷会沿f 方向 发生伸长或缩短形变。根据压电系数的定义，图2 2 3 中的压电陶瓷的压电系数可 以表示为d 。，其中z 表示外加电场的方向，善表示应力变化的方向。因此，由 ( 2 2 1 ) 式可得，此情况下，压电系数只与样品的内外径之差( 也即圆管的厚度 石) 和圆管的长度有关。其表达式 4 如下： j 石址 。瓦 ( 2 2 3 ) 上式中，x 表示