（光学工程专业论文）固态染料激光器的装配以及基于可编程光调制器的输出调谐研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 本文报道了在国际光子学硕士项目中所进行研究的部分成果，本研究项目的 主要目的在于，设计并通过实验来验证一套以可编程空间光调制器为核心器件的 输出波长调制及带宽压缩系统在以嵌入聚合物寄主物质中的固态r h o d a m i n e 6 g 样品为增益介质的染料激光器系统中的应用。 在当今科学研究及工业应用领域，使用固态染色体化合物作为增益介质的光 谱可调式激光器，因为其宽广的输出光谱以及低廉的成本，而得到广泛的应用。 在本文中，首先简要回顾了激光以及染色体激光的基本原理，然后介绍了我们在 实验室中成功搭建并测试三组使用r h o d a m i n e 6 g 为增益介质的染色体激光系统， 这些系统之间的区别包括染色体样品的形状、泵浦光源以及共振腔的设计方案等 等。关于这些区别对系统的影响，在文中做了讨论，并将测试所得结果同典型的 同类商业产品做了比较。在接下来的部分中，我们介绍了一种新的对固体染料激 光器的输出波长进行调制并压缩输出带宽的方法。在这一方案中，我们使用了一 只可编程的动态空间光调制器作为核心器件，通过改变该光调制器的相位传输函 数，使输出光在其光谱范围内得到精确快速的调制。文中我们重点做了基于傅立 叶光学的调制性能分析与系统仿真结果报告，并展示了包括调制部分在内的整个 系统的结构图示。在文章的末尾，对该系统的实际应用方面进行了探讨，并对后 续研究工作做了展望。 关键词：r h o d a m i n e 6 g 样品，固体染料激光器，空间光调制器，输出波长调制， 带宽压缩 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t sr e s u l t so far e s e a r c hp r o j e c tp e r f o r m e dw i t h i nt h ei n t e r n a t i o n a l m s cp r o g r a mi np h o t o n i c s t h eo b j e c ti st od e s i g na n de x p e r i m e n t a l l yt e s ta p r o g r a m m a b l es p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) a s ak e yc o m p o n e n te n a b l i n g w a v e l e n g t ht u n i n g i ns o l i d - s t a t ed y el a s e r sw i t ht h eg a i nm e d i u mc o n t a i n i n g r h o d a m i n e6 g ( r h 6 g ) d y ee m b e d d e di np o l y m e r i ch o s tm a t e r i a l t u n a b l el a s e r su s i n gd y e si ns o l i dc o m p o s i t i o na sg a i nm a t e r i a l sa r ec o m p e t i t i v e a n dw i d e l yu s e di nr e s e a r c ha n di n d u s t r yf o rt h e i rb r o a d b a n do u t p u ts p e c t r aa n dl o w c o s t i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sf o rl a s e r sa n dd y el a s e r si np a r t i c u l a ra r e b r i e f l ys u r v e y e d ，f o l l o w e db yar e p o r to ft h ee x p e r i m e n t a lw o r ko ns u c c e s s f u l a s s e m b l i n ga n dc h a r a c t e r i z i n g t h r e ed y el a s e rs y s t e m su s i n gr h 6 gd y e t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s es y s t e m si n c l u d e st h es h a p eo ft h ed y es a m p l e s ，t h ep u m p s o u r c e s ，a n dt h ec a v i t yd e s i g n t h ei m p a c to ft h ed i f f e r e n c eo nt h el a s e rp e r f o r m a n c e i sd i s c u s s e d ，a n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht y p i c a lc o m m e r c i a ld y el a s e r s i nt h en e x ts t e p ，an o v e la p p r o a c hi sd e s c r i b e df o rt u n i n gt h ew a v e l e n g t ho fa s o l i d s t a t ed y el a s e rt op r o v i d en a r r o w b a n do u t p u tr a d i a t i o n f o rt h i sp u r p o s e ，a d y n a m i cd i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t ( d o e ) b a s e do n ap r o g r a m m a b l es l m i sa p p l i e d b yp r o p e r l yc h o o s i n gt h ep h a s et r a n s f e rf u n c t i o no f t h ed o e ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n g a l ls l ma sah i 曲l yd i s p e r s i v ei n t r a - c a v i t yc o m p o n e n ti sd e m o n s t r a t e dt oo b t a i n a c c u r a t et u n i n go v e rt h el a s i n gb a n d t h et u n a b i l i t ya n a l y s i sa n ds y s t e ms i m u l a t i o n a r eb a s e do nf o u r i e ro p t i c s t h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no ft h ew h o l es y s t e mw i t ht h e t u n i n gp a r ti s a l s op r e s e n t e d f i n a l l y , s o m ep r a c t i c a la s p e c t so ft h es y s t e ma r e d i s c u s s e da n da no u t l o o kf o rf u r t h e rr e s e a r c hi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：r h o d a m i n e 6 g , s o l i d s t a t ed y el a s e r s ，p r o g r a m m a b l es p a t i a l l i g h t m o d u l a t o r ( s l m ) ，o u t p u tw a v e l e n g t ht u n i n g ，b a n d w i d t hc o m p r e s s i o n i l 浙江大学硕士论文 第一章：绪论 随着现代光学技术的发展，使用有机染色体作为增益介质的染料激光器正 日渐成为整个激光科技的重要组成部分。一系列优良的性质使其成为无论科学研 究还是生产应用中，不可或缺和替代的工具之一。本研究项目旨在使用固态染色 体样品做增益介质，来搭建并测试简易而完整的染料激光器系统，同时运用仿真 与实验相结合的手段，寻找和设计一套调节机制，利用一只由电脑控制的可寻址 液晶空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ) ，使系统的输出光谱在一定范围内 可调。 1 1 背景知识 关于染料激光器的研究，最早可以追溯n - 十世纪六十年代，距离世界上第 一台工作激光器的搭建仅十年时间。当时人们注意到，有机染色体化合物具有着 比任何已知的作为增益介质的物质都要宽的发光光谱，这一光谱范围除涵盖了整 个可见光部分以外，随着现代科技的发展还有向红外和紫外光谱延伸的趋势，而 研制具有超宽可调光谱的激光器一直以来都是科研工作者们孜孜以求的梦想和 与追求。 宽光谱性可以说是染料激光器最为突出和重要的一个特点和优点，然而，使 染料激光器变得具有科研和应用吸引力的，并不只有这一个优点。其他的优点还 包括，染色体化合物在作为增益介质工作的时候，可以以固态，液态以及气态等 多种状态存在，并可以在不同状态中进行转化，这一特点使人们可以更加容易的 控制其吸收和增益，并且有利于散热和物质更新。另外，低廉的成本也是使染料 激光器具有巨大竞争力的一个重要因素，与其他一些具有同等功能的增益物质相 比，染色体化合物样本的价格甚至可以忽略不计，这对于一些处于早期阶段的研 究以及消耗性强的工业应用来说，其意义是不言自明的。 有关染料激光器的研究大致可以分为以下几个方向：谐振腔和泵浦光源设计、 光谱压缩、可调性优化、大功率激光衍生、新增益介质研试，超短脉冲发射以及 连续光波激光器操作等等。 浙江大学硕士论文 1 2 论文纲要 本文的逻辑框架和行文安排如下所述。在第一章绪论中，我们给出一个关于 项目背景的简单介绍。接下来的第二章，是关于激光原理的介绍以及对染色体化 学结构和性质的描述，在此基础上对染料激光器的工作和褪化原理加以陈述。紧 接着，是关于实验室中所做工作的总结，包括我们如何利用染色体样品 r h o d a m i n e 6 g 和其他光学器件来搭建简易而完整可工作的染色体激光系统，以及 对这些系统所进行的测试和与同类商业产品的性能比较，这些将是第三章的主要 内容。在紧随其后的第四章里边，我们详细介绍了我们为了压缩输出光谱并使其 可调而进行的模拟实验及其结果，这一光谱调节系统的核心器件为一只由计算机 控制的可寻址液晶空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，s l m ) 。第五章， 作为全文的最后一章，对全文进行了总结，并对后续研究工作做了展望。 1 3 本文创新点 本项目的研究成果在国内外现有技术基础上进行了创新，具体有以下几个方 面。 第一，在染料激光器的调谐系统中首次引入了高相位等级的可寻址光调制器， 大大提高了调谐的精度。 第二，使用电控器件作为染料激光器调谐系统的核心器件，提高了调谐的速 度，使激光器可以应用于高频领域。 第三，在利用虚拟的闪耀光栅对激光器进行输出调谐的时候，首次采用多光 栅周期交替的方法，提高了调谐的精度。 2 浙江大学硕士论文 第二章：染料激光器原理 本研究项目的主要目的之一为，利用固体染色体r h o d a m i n e 6 g 作为增益介 质，来搭建输出光谱可调的染料激光器系统。在本章中，首先将给出一个关于激 光器组成和工作原理的简要介绍，接着是对r h o d a m i n e 6 g 化学结构及性质的描 述，最后将阐述染料激光器的原理和操作等事项。 2 1 激光历史与概况 激光( l a s e r ) 的全称为“受激辐射产生的光放大( l i g h ta m p l i f i c a t i o nb y s i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ) 。世界上第一只可工作的激光器诞生于 1 9 6 0 年，是一只由t h e o d o r eh m a i m a n 制造的由闪光灯作泵浦光源的红宝石晶 体激光器。然而，激光理论的里程碑式的突破性进展可以追溯到2 0 世纪2 0 年代， 爱因斯坦( a l b e r te i n s t e i n ) 创造性地演绎了普朗克( m a xp l a n c k ) 的辐射理 论，提出并论述了受激吸收、自发辐射以及受激辐射及其概率系数等一系列概念 ( 后来被称为“爱因斯坦系数”) ，从而为激光的发明奠定了基础。 当前存在的激光器，可以依据不同的标准分为不同的种类。既可以按照增益 介质的状态分为气态激光器、液态激光器和固态激光器，也可以按照工作模式而 分为连续激光器和脉冲激光器。分类不同，其基本原理却是相同的，在这一基础 上，可以产生出具有高单色性、准直性以及相干性的激光光束来。 2 2 激光原理 激光原理的实质在于光与物质的相互作用，因此，在讨论这一作用的时候， 有必要以微粒说( 即光子) 的观点来对光进行描述，这样可以有助于我们的理解。 根据量子电子学理论，原子或分子只能够停留在离散的能级上面。其中，最 低的能级称为基态，而其他的能级称为激发态。大多数情况下，原子或分子处于 基态。而当它吸收了光子所携带的特定数量的能量后，可以跃迁到更高能级中去， 变为激发态，而所吸收的能量值必须严格等于基态与所到达激发态之间的能量 差，这一过程称为受激吸收。与之相反地，处于激发态的原子或分子，同样可以 回落到基态，同时以光子的形式释放出能量。这些从激发态到基态的回落过程， 3 浙江大学硕士论文 大多数情况下是随机的，称为自发辐射。自发辐射所产生的光子具有相同的能量， 然而它们的方向、相位和极化却是完全随机的。这一现象被称为荧光。而在另外 一种情况下，当处于激发态的原子或分子与光子作用，而这一光子所具有的能量 又恰好等于原子或分子所处能级与某一较低能级之间能量差值的时候，原子或分 子将会由高能级向低能级跃迁，同时以生成一个新的光子的形式释放出能量。新 生成的光子在方向、相位、极化等各个方面，与原先的光子均完全相同，两个光 子是相干的，这被称为受激辐射( 图2 - i ) 。大量的由受激辐射所产生的光子的 集合，组成激光光束。 2 产 ，、 、， _ ，、，v v 、 r _ ，、 一 ( a )( b )( c ) 图2 1 两能级系统中的( a ) 受激吸收，( b ) 自发辐射和( c ) 受激辐射。 在激光器的设计过程中，一个基本的原则就是要最大限度地强化和利用受激 辐射，同时在一定程度上抑制自发辐射，从而获得具有高度相干性、单色性和准 直性的激光光束。 激光的运行原理相对比较简单，然而，要搭建一个可以实际工作的激光器， 需要若干必要的组成部分配合工作，这些组成部分包括增益介质、泵浦光源以及 共振腔。关于这些组成部分的具体介绍和讨论将在下一节中给出。 2 3 激光组成 无论其结构复杂与否，或其采用的具体发光方式如何，几乎所有的激光器都 由三个基本部分组成：这些组成部分包括增益介质、泵浦光源和共振腔。每一部 分的具体功能将在本章进行具体的讨论。 4 浙江大学硕士论文 2 3 1 增益介质 增益介质作为激光器系统中的核心部分，主要负责提供进行能量传输的原子 或分子，这些原子或分子可以在不同能级之间进行跃迁，来吸收外部能量并放射 出光子。常见的增益介质有气体氦氖、气体氩、固液气三态的染色体化合物、固 体晶体如y a g 、红蓝宝石等等。如前所述，增益介质中的原子首先需要被泵浦到 激发态中，然后才能回落并释放光子。在大多数情况下，原子或分子停留在高能 级的时间间隔非常短，对于可见光这一间隔在1 0r l s 量级，而相对地，它们停 留在基态的时间却是比较长的，对于实际工作的激光器来说，这一性质是不利的。 为了抑止其发生而使高能级上的停留时间变长，人们通常使用多能级系统，引入 而外的能级，使原子或分子在回落以前的停留时间大大增长。被引入的能级称为 亚稳态能级。常用的多能级系统通常由3 个或4 个包括基态在内的能级做组成 2 。 2 3 2 泵浦光源 增益介质中的原子或分子需要从外界吸收能量才能被激发到高能级中，这些 能量是由泵浦光源提供的。可以使用另外一种形式来描述泵浦光源的作用，即维 持粒子数反转这一件的成 2 。泵浦光源的具体实例包括，电子放电、闪光灯、 电弧灯、其他激光器发光、化学反应甚至爆破性装置等等。泵浦光源的类型选择 通常由增益物质的种类所决定，而这同时决定了能量在物质中是如何转化的。对 于染料激光器来说，通常使用的泵浦光源有，闪光灯、电子放电以及包括氦氖激 光器在内的多种激光器。几乎所有的用于染料激光器的泵浦光源都是脉冲光源， 这一现象的原因将在文章的后面部分给以解释。 2 3 3 共振腔 激光系统的另一必需组部分为共振腔，激光光束可以通过在中来回往复的传 播来以一系列模式自我复制。最简单的共振腔为f a b r y p e r o t 腔，由相距l 的两 个反射平面组成( 图2 - 2 ) 。通过在每次往复的传播过程中复制自己而存在的光 波需满足以下条件： 浙江大学硕士论文 丸：丝 m ：1 ，2 ，3 ， 2 2 ， m ( 2 1 ) 其中，k 为光在真空中传播时的波长，n 为光在介质中的折射率，m 为模数。 对应地，在频域中，满足： ：竺 肌：1 ，2 ，3 i m ， ( 2 2 ) = 2 n l 肌21 ，2 ， ， ( 2 2 ) 其中c 为真空中光速。相邻两种模式之间的频率差为： v m + i = 肛轰 0 ( 2 3 ) 图2 - 2 由两只相距l 的平面经所组成的f a b r y p e r o t 共振腔，并给出满足谐振条件的前 三级模式。 除了模式选择，共振腔还有另外一个作用，即将所产生的激光光束耦合出系 统之外。其具体的实现途径通常是设法令共振腔其中一端的反射率为1 0 0 ，而 另一端的反射率小于1 0 0 ，没有被第二端反射的那部分能量即作为系统的出射 光波而被耦合出来。 6 浙江大学硕士论文 2 4r h o d a min e 6 g 的化学结构与性质 本研究项目中，使用固态r h o d a m i n e 6 g 作为增益介质，其化学结构如图2 3 所示，它属于有机染色体中的氧杂葸族。r h o d a m i n e 6 g 分子由两部分组成带 苯环的阳离子以及氯化阴离子，其中阳离子负责与光相互作用。r h o d a m i n e 6 g 具 有两个重要性质。其中一个性质为，r h o d a m in e 6 g 为未饱和有机化合物，即分子 中的具有一个或多个由包含两到三个电子的碳原子所组成的化学键，另一性质 为，r h o d a m in e 6 g 分子包含共轭双键，即由一个单键所连接的两个双键。这些化 学结构上的特点，使得r h o d a m i n e 6 g 具有可见光范围内的较高的吸收率和辐射 率，而这对于宽光谱可调激光器来说是有利的。其吸收率最高处的位置非常接近 于5 3 2 n m ，恰好是脉冲倍频n d ：y a g 激光器的输出波长。同时，由于s t o k e s 频移 效应( 图2 4 ) ，其辐射光谱相对于吸收光谱有一个向长波方向的移动。使 r h o d a m i n e 6 g 得到广泛应用的另一个原因是其具有高达9 5 的量子辐射增益系 数。 峰广 ( a )( b ) 图2 3 ( a ) r h o d a m i n e 6 g 化学结构( b ) 3 d 视图 3 。 浙江大学硕士论文 图2 - 4 溶解于乙醇中的r h o d a m i n e 6 g 的单态吸收( 口a ) 、辐射( 口彩及多态吸收( 口t ) 光谱 3 。 本研究项目中所使用的r h o d a m i n e 6 g 样品共有两种形状，即平行平面样品和 楔形样品，如图2 5 所示。使用楔形作为样品形状的原因是为了防止由样品表面 本身所形成的共振腔引起振荡，给系统的调试带来不必要的麻烦，同时给系统输 出引入噪声。 图2 5 本研究项目中所使用的r h o d a m i n e 6 g 样品图示。 浙江大学硕士论文 2 5 光同有机染色体相互作用 染色体分子中的电子按照自旋状态的不同可以分为两类，单态和多态。无论 任何时候，每个原子总是有偶数个电子，并且两两成对出现。其中，单态状态下 的一对电子，其自旋方向呈反向平行，即一个旋转轴朝上，而另一个朝下，例如 图2 - 5 中处于基态s 。以及激发态s 。和s ：的电子就是这样。而对于多态状态下的 电子来说，这一自旋方向是同向平行的，如激发态t 。和t ：中的电子。并且在单 态和多态电子能级的上方附近，分别伴随着隶属于这一单态或多态能级的相关旋 转能级和振动能级。 一对处于s 。的电子对中的一个电子，可以吸收带有特定能量的光子而被激发 到s 。上方的振动能级中。一旦电子到达该振动能级，将迅速经历一个非辐射跃 迁过程( 1 0 0 f s 数量级) p ，到达s 。，亦为粒子数反转的上方能级，这一跃迁过 程称为内部转化。在此之后，该电子将等待一段时间p ：( 平均寿命通常在l o n s 数量级) ，并因为自发辐射或受激辐射的原因而滚落到s 。的上方振动能级之一， 这一过程称为荧光辐射过程。紧接着，电子将经历另一个极为迅速的非辐射跃迁 过程( 1 0 0 f s 数量级) p 3 ，从而回到原先的出发点s 。在这一闭合回路中，由于 p 2 p 且p ： p 3 ，因而在s 。和s 。之间形成粒子数反转而其余的振动能级实质上 是空的，从而形成一个四能级激光系统 2 。 对位于s 。能级的电子来说，除了回到s 。能级以外，还有另外一种可能就是， 转移到对应的多态能级t 。，这一过程称为系统间穿越，对r h o d a m i n e 6 g 而言，这 一过程的概率用一个时间常数来衡量，其典型值为1 6 0 n s ，远高于内部转化的对 应时间值。与此同时，从s 。到t 。的转移伴随着电子自旋方向的改变，致使电子 不容易回到s 。能级，从而导致t 。能级上的电子堆积，减少了实际可工作电子的 数量。更糟的是，处于t 。上的电子有可能吸收本可用于泵浦或受激辐射的等值 的能量而跃迁到更高的多态能级上去，从而导致能量的浪费。无论是工作电子的 浪费还是能量的浪费，对于激光系统的运行来说，其效果都是负面的，因而应当 设法避免。解决的办法包括，使用短脉冲泵浦光源来抑制系统间穿越，或是向染 色体样品中引入氧气或清洁剂来提高磷光( t 。向s 。的跃迁) 速率 4 。 9 浙江大学硕士论文 1 一 r 一 t - 一 5 ，- - - - t - - - - - - - - 一 h o r 脚 h 岍 q _ 姗 哗 、 、 图2 - 5 染色体化合物的增益机制以及多种电子跃迁过程 5 。 1 0 r t r i p 一_ 啷 。_ h 硐岬 矗 舅| i 浙江大学硕士论文 2 6 染色体化合物的效率退化 基本上来说，共有两种退化机制可以导致染色体化合物效率的降低从而损害 激光的正常运行，分别是荧淬效应和漂白效应。在荧淬效应中，由于非辐射发光 或其他原因，激发态电子被从粒子数反转中移走。这一效应部分抵消了作为激光 原理核心部分的受激辐射过程，因此对激光系统的运行是有害的。在漂白效应中， 一些化学转变发生，从而损害激光系统的正常运行。在液态染色体激光系统中， 可以通过不断泵浦共振腔中的溶液来不停更新增益介质，从而避免了漂白效应带 来的负面影响。然而对于本研究项目中所使用的固态染料激光器来说，由于这种 漂白效应是不可逆的，并且染色体分子在空间上是固定的，因此值得对这一效率 退化机制给以足够的重视。 对于上述两种退化机制，这里将不做详细探讨，而只是将其实现途径流出如 下 2 。 荧淬效应实现途径： 系统间穿越 内部转化 氢原子振动 阴离子间电荷迁移作用 染色体分子聚合 漂白效应的实现途径： 化学反应导致的激发态光子惰化 二聚物生成 热解构 浙江大学硕士论文 第三章：染料激光器的装配和测试 在前边一章所讨论的染料激光器原理基础上，我们在实验室中成功装配了包 含所有必需的组成部分的可以实际工作的简易染色体激光系统，并进行了测试。 有关实验的详细步骤、过程和结果，将在本章中给出。 本实验的主要目的为使用固态r h o d a m i n e 6 g 作增益介质来搭建简易的激光系 统 6 ，并测试所搭建系统的输出功率、转换效率、发散角以及输出光谱等参数。 我们有备选的固态r h o d a m i n e 6 g 样品若干，其已知事实如下： 1 ) 寄主物质：m p m m h 聚乙烯 2 ) 工作物质：浓度为0 0 0 1 m o l 1i t r e 的r h o d a m i n e 6 g 3 ) 添加剂：乙醇 在实验的起初阶段，我们设计了一些测试步骤来获得不同样品的吸收光谱以 及折射率等参数。 3 1 固态染色体样品的吸收光谱测试 我们使用一只白光源和一只光谱分析仪来对6 只r h o d a m i n e 6 g 的吸收光谱进 行测试。首先先使白光源的光线直接耦合进入光谱分析仪来测试白光源光谱，结 果如图3 1 所示，接着将染色体样品放置于白光源与光谱分析仪之间，使透过样 品后的光线耦合进入光谱分析仪，得到一个新的光谱，其中一只样品的光谱如图 3 2 所示。与原先的光谱比较，从而得出与波长有关的样品吸收信息。 五丽石1 嚣面而i 函函丽百正弼、。拂l ：l 明云一 r 、。 ，。 一 团圆圈圆 图3 1 白光源光谱。 1 2 浙江大学硕士论文 图3 2 染色体样品的吸收光谱( 样品3 ) 。 由图3 - 2 可见，染色体样品的高吸收区位于4 8 0 n m 到5 6 0 n m 之间，而n d ：y a g 倍频激光器的输出波长( 5 3 2 n m ) 恰好位于这一区域的中部，因此可以被用来做 染色体激光系统的泵浦光源。 3 2 泵浦光源入射角度估测 在这一部分，我们的目的是计算泵浦激光器应该与共振腔轴线成多少角度入 射，使得泵浦光线与出射光线在最大程度上重合。要进行这一计算，需要使用 s n e l l 定理。然而由于我们并不知道染色体样品的折射率，因此需要进行一些前 期的测试作为准备工作。 a 固体染色体样本对于5 3 2 n m 波长与6 3 3 n m 波长光折射率的测试 用一只氦氖激光器、一只n d ：y a g 激光器、尺子和接收屏，我们可以运用以下 方法粗略测算9 只r h o d a m i n e 6 g 染色体样品对于红光( 6 3 3 n m ) 以及绿光( 5 3 2 n m ) 的折射率： 1 测量染色体样品的几何参数( 半径h ，最大厚度a 以及最小厚度b ) 。 2 调整红色( 绿色) 激光光束，使其垂直照射在接收屏上，在屏上标出 入射点位置。 3 将样品置于红色( 绿色) 激光光束与接收屏之间，调整样品的位置和 方向，使光束与样品的第一个表面垂直。此时由于光在样品中的折射， 出射光束在屏上的入射点将有一个位置上的偏移。 4 记下红色( 绿色) 激光在屏幕上面新的入射点。 浙江大学硕士论文 5 测量两次屏上入射点之间的偏移距离t ，以及屏到样品之间的距离1 ( 图3 - 3 ) 。 6 应用s n e l l 定理计算出样品的折射率。 图3 - 3 折射率测量原理示意图。 使用一个小的m a t l a b 程序所算得的结果如表3 - 1 所示。 表3 1 计算得到的九只样品对于红光( 5 3 2 n m ) 和绿光( 6 3 3 n m ) 的折射率。 n o 123456789 r e d 1 5 3 2 91 5 1 4 51 5 7 8 81 5 31 5 2 7 81 5 4 6 21 5 0 0 71 4 9 8 9 1 5 0 8 g r e e n1 5 9 2 71 5 3 4 41 5 1 1 9 在本实验中，有两个难点：首先是由于九只样品中只有三只可以使绿光通过， 而对于其余六只，当绿光入射时全部被吸收，无法在接收屏上得到入射点的位置， 因而无法计算它们对于绿光的折射率。其次是计算的误差比较大，这是由于实验 室的空间有限，使得我们不能够测量到较大的1 和t 值，因而无法进行较精确的 计算。 b 使用楔形样品时泵浦光束与出射光束之间夹角与入射角的关系 我们利用上一节得到的折射率来计算使用楔形样品时泵浦光束与出射光束之 间夹角与入射角的关系。在这一计算过程中，我们使用样品对6 3 3 n m 红光的折射 率来近似的代替样品对染色体激光系统的出射光束的折射率，并假设泵浦光束与 出射光束在样品内部是完全重合的，应用s n e l l 定理来计算两光束入射夹角0 c 、 出射夹角d 与入射角0 间的关系，结果如图3 4 所示。 1 4 浙江大学硕士论文 i n c i d e n ta n g l e ( d e g r e e ) ( b ) 图3 4 ( a ) 两光束入射夹角、出射夹角与入射角间的位置关系。( b )( 红色 曲线) 、( 蓝色曲线) 以及( 纵坐标) 之间的关系。 图3 - 4 结果显示，两光束之间无论是入射还是出射的角度差是非常小的( 小 于5 度) ，因此在设计泵浦光的入射方向时，应使其与共振腔之间的角度尽量小。 一o_i功odoocoid譬一d心一功c 浙江大学硕士论文 3 3 染料激光器设计与实验 3 3 1 使用平行平面样品的染料激光器系统 搭建一台染料激光器最简单的方法可以只用一只带有两个经过抛光的相互平 行的表面的染色体样品，这两个表面本身就形成了一个共振腔，当合适的泵浦光 以适当的方式和角度耦合进入样品后，就会有染色体激光光束产生。 本实验在a c r e o 公司实验室中进行，使用一只两边平行的固体染色体样品作 为增益介质，一台短脉冲宽度( 1 0 0 p s ) n d ：y a g 激光器作为泵浦光源。泵浦光源 具体参数如下： a ) 脉冲宽度：1 0 0 p s b ) 峰值功率：4 0 k w c ) 脉冲列最小重复频率：1 0 0 h z d ) 每列脉冲包含脉冲数目：2 0 实验中，我们测量了染料激光器的输出光谱和发散角。发散角约为 0 0 6 7 m r a d ，数值较大，原因是因为共振腔的自身长度很短。 ( a )( b ) 图3 5 ( a ) 为平行平面染色体样品自身组成的共振腔。( b ) 为测量到的染色体激 光光束的光谱。 表3 - 2 样品两种角度情况i n 得的波k 、线宽和输出功率。 c e n t r a l w a v e l e n g t h l i n ew i d t h p o w e r ( d b m ) ( n m )( n m ) 5 5 4 9 6 0o 54 2 8 8 5 6 2 4 0 00 54 5 1 0 1 6 浙江大学硕士论文 在本例中，接近5 0 的泵浦脉冲能量，不足以在浓度为0 0 0 1 m o l li t e r 的 染色体样本内产生具有相当能量的激光。同时，由于较高的脉冲列重复频率不利 于染色体分子中的热量及时散发出来，导致染色体退化加剧，因此整个系统的输 出辐射迅速消失，我们在整个实验中只在极短的时问内捕捉到输出的染色体激光 光束。 为了使系统表现有所改善，我们采取了一些措施，包括使用短焦距透镜将泵 浦激光光束汇聚在样品表面染色体浓度最低处，来提高单位面积上单个脉冲激发 时所吸收的能量，同时使用频率可调的斩光器来降低脉冲列的重复频率以延长染 色体发光时间，在这些措施的共同作用下，系统的稳定性得到显著提高。然而， 我们仍然需要一台具有更高脉冲能量并且脉冲上升沿时间在r s 数量级的泵浦光 源。 3 3 2 用镜面组成共振腔的染料激光器系统 我们最终在a l b a n o v ap h y s i c sc e n t r e 的l a s e rp h y s i c s 小组找到了一台适合于 做本实验项目泵浦光源的n d ：y a g 激光器。其具体的数据信息如表3 - 3 所示。 表3 - 3 m b a n o v ap h y s i c sc e n t r e 的l a s e rp h y s i c s 小组的n d ：y a g 激光器数据信息。 w a v e l e n g t h 5 3 2n n l f r e q u e n c yt u n a b l er a n g e 1 2 0h z p u l s ew i d t h5n s e n e r g y p u l s e 2 8m j 在a l b a n o v a 的实验中，我们设计了两套方案：方案一用两只平面镜组成共振 腔，同时用一只平行平面的染色体样品做增益介质，方案二用一只平面镜和一只 球面镜组成共振腔，同时用一只楔形染色体样本做增益介质。 方案一：两平面镜和平行平面样品 在本方案中，组成共振腔的是一只表面镀铝的平面镜( 对染色体激光反射率 为1 0 0 ) 和一只作为输出耦合镜的平面镜( 对染料激光器7 0 ) 。共振腔的长度 约为2 1 c m ，处于临界稳定状态。一只固态的平行平面染色体样品作为增益介质 被放在共振腔的中部。泵浦激光器发出的光束从镀铝平面镜的靠近共振腔外部一 1 7 浙江大学硕士论文 端进入共振腔中，并几乎与共振腔轴线处于同一直线上( 图3 - 6 ) 。 图3 - 6 方案一示意图。 由于同时有两个共振腔存在，即由平面镜组成的共振腔以及染色体样品本身 的两个平行平面组成的共振腔，因此有两束激光光束产生。我们对由平面镜组成 共振腔所产生的光束进行了测定。其能量转换效率为1 5 ( 4 2 0 2 8m j ) ， 量子增益为1 5 7 3 ，发散角为1 6m r a d 。输出光谱如图3 7 所示。中心波长约5 5 8 n m ， 线宽约3n l l l ( 9 7c m 。) 。计算所的q 因子为1 8 6 。 ji b ：f l , 1 3 1 k 1 。jc ：f i x 4 b l j ( ：i 5 5 n 孵 “ c ，鞠日，白0 一 i 限 艨 j 卜l 、 i l 、； f 图3 7 方案一系统输出光谱。 1 8 浙江大学硕士论文 方案二：平面镜、球面镜和楔形样品 本方案中，共振腔由一只平面镜和一只球面镜组成。其中，球面镜的曲率半 径为5 0 c m ，对染色体激光的反射率为1 0 0 ，平面镜作为输出耦合镜，对染色体 激光的反射率为4 0 。为了满足谐振条件0 ( 卜l r ) 木( 卜l r ：) 1 ，其中r 为5 0 c m ，r 。为无穷大，共振腔的长度l 应大于5 0 c m ，以形成一个稳定或临界稳 定的共振腔。在本例中，我们选择了临界稳定状态，即l = 5 0 c m 。增益介质为一 只楔形染色体样品( 图3 8 ) 。 图3 8 方案二示意图。 本方案的能量转换效率大于7 5 ( 0 3m w 4m w ) ，发散角大约为4m r a d 。 中心波长约为5 5 9n l n ，线宽约3n i n ( 9 7c m 一) 。计算所的q 因子为1 8 6 。输出光 谱如图3 - 9 所示。 a 弛p dr e s ：e 2 n _ p l sm d e ：r ：c k # l 6 ：29 事l ：铂1 k 玮 1 、 l 一 ? 7 r ，l 图3 - 9 方案二系统输出光谱。 1 9 浙江大学硕士论文 3 4 同商业产品的比较 我们用方案一的结果同市场产品作了一个比较，我们的对照产品为c o n t i n u u m 公 司的可调激光器n d 6 0 0 0 ，两者的参数比较如表3 4 所示。结果显示，n d 6 0 0 0 在一些性能上有比较明显的优势，例如能量转换效率更高、线宽更窄、发散角更 小、单脉冲能量更强等等。而在泵浦光源波长以及输出波长等方面，两者大致相 同。 表3 4 方案一与商业产品性能参数比较 n d 6 0 0 0 o u rf i n a ls e t u p g a i nm e d i u mi 之h 6 gr h 6 g p u m pl a s e r n d ：y a gn d ：y a g p u m pe n e r g y 10 0 10 0 0m j 5 3 2n l l2 8m j 5 3 2n l n o u t p u te n e r g yu p t o2 6 0 m j l ： u l s e 4 2 0l t j p u l s e b e a md i v e r g e n c e 2 5 t h ep e a k o f 1 5 5 5 8n l t l r 6 g l i n ew i d t ha n dc e n t r a l0 0 5c m 。1 5 6 0m n 9 7 c m 。1 5 5 8n i l w a v e l e n g t h 从上面的实验中我们得出结论，在装配可工作的染料激光器的过程中，选择 合适的增益物质、搭建符合稳定或是临界稳定条件的共振腔以及选择合适的泵浦 光源和合理的入射方式，是三个最为重要的步骤，其中尤以最后一个步骤最为关 键。作为泵浦光源的激光器要求有较短的脉冲宽度( 1m j ) ，并且应该将泵浦光聚焦在染色体样品合适的位置上。 浙江大学硕士论文 第四章：输出光谱调制分析 在第三章里，我们讨论了在实验室搭建的简易的脉冲染色体激光装置，该装 置具有5 5 8 n m 的输出波长和3 n m 的线宽。设法使输出带宽变窄并可调，是我们的 研究工作的自然的延伸，因为对染料激光器来说，一个重要的特点就是宽可调范 围和相应的较窄的带宽。 4 1 染料激光器调制发展背景 自2 0 世纪7 0 年代以来，关于获取可调、窄带有机染料激光器的研究陆续被 报道，而且具体实现的方法多种多样 7 - 11 。在早期，当染料激光器还是由脉冲 较长的闪光灯作泵浦光源的时候，对输出波长的调节是通过在共振腔内插入棱镜 或透镜等色散元件来实现的 1 2 ，1 3 。这种方法的最窄线宽纪录为1a 。另一方 面，对于由氮气激光器或氦氖激光器从边部泵漓的染料激光器来说，其线宽很难 被压缩到1 0a 以下 1 4 ，1 5 。这主要是由较小的光束直径以及在极短的泵浦脉冲 时间内光束有限的往返次数造成的。为了使情况得到改善，人们在光路中使用了 全息光栅，使输出带宽压缩至0 4a 1 6 】。 一些专门为使用短脉冲激光器作泵浦光源的染料激光器而设计的比较常见的 调制方案使用了全息光栅与l y o t 滤光器，或光栅与f a b r y p e r o t 标准器的组合。 除此之外还有方案使用望远镜与光栅的组合，得到o 0 1a 数量级的输出带宽 【1 7 ，1 8 】。而近年来通过固态燃料的引入，使得输出带宽和可调范围都有了进一步 的提高 1 9 2 1 1 。m g l i t t m a n 等人在1 9 7 8 年公布了他们的设计方案，使光谱线 宽达到1 2 5 g h z 2 2 。这一方案( 图4 1 ) 避免了望远镜的使用，从而减少了由 望远镜的各个光学表面所带来的能量损失，并使得共振腔结构更加紧凑，光路调 节更加简易。 2 l 浙江大学硕士论文 图4 1 掠入射可调染色体激光系统结构示意图 2 2 。 4 2 共振腔及调制系统结构 在图4 1 所示设计方案中，经过染色体样本的染色体激光光束中不同波长分 量被全息光栅分为空间上不同的方向。安装在共振腔一端的反射率为1 0 0 的反 射镜，可以转动很小的角度( 千分之一弧度数量级) 来选择这些已经在空间上分 开的波长分量，使其中一个分量垂直入射到反射镜上，从而可以在共振腔中振荡， 而其他分量由于不满足振荡条件从而被筛选掉。对于平面镜这一力学转动的控制 可以达到相对比较高的精度，从而满足调制系统在分辨率方面的要求。而另一方 面，这种方案内在的缺陷也是显而易见的。首先，调制的速度受到平面镜这一元 件力学运动本质的限制，这限制了该激光系统在高频应用中的使用。第二，平面 镜的转动总是连续的，这意味着输出波长不可能从一个波长跳变到另外一个波长 而不经历两者之间的波长。这在实际应用中可能会向系统内引入噪声。第三，由 于平面镜在空间上的频繁旋转，使得其精度在经过一段时间的使用之后会有所降 低，这有可能影响到系统的可靠性，因而需要定期的校准。 在本研究项目中，我们在图4 1 所示系统基础上，作了若干改进。其中最核 心的一个改进就是在平面反射镜和全息光栅之间的光路上插入一只由微机控制 的8 位可寻址8 0 0 * 6 0 0 像素液晶显示空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , s l m )