（光学工程专业论文）飞秒激光脉冲整形与测量技术研究.pdf

中文摘要 本文在对飞秒脉冲整形技术、飞秒脉冲测量技术、飞秒脉冲研究进展综述的 基础上，提出高能量、周期量级脉冲产生的方案，并围绕这个课题展开研究。论 文的主要内容包括： 1 利用充惰性气体中空光纤、惰性气体电离成丝对放大系统输出的脉冲进行 光谱展宽实验研究，并利用低压惰性气体电离成丝获得可支持周期量级脉冲的高 能量、超宽带光谱。 2 研究液晶空间光调制器( l c s l m ) 的脉冲整形原理；数值模拟l c - s l m 的 色散补偿效果；设计超宽带光谱范围内的色散补偿实验；搭建l c - s l m 脉冲整形 系统；以实验测量的方式校正l c - s l m 的电压控制位相关系；编制l c - s l m 的自动 化控制软件；实验上实现了l c - s l m 位相的精确控制。 3 根据飞秒脉冲测量仪器原理编写相干条纹分辨自相关、频率分辨光学开关 法( f r o g ) 仿真软件；分析光谱相位相干直接电场重建法( s p i d e r ) 测量误差的 来源，在算法上采用小波变换和傅立叶变换两种方法互校的方式实现位相的精确 还原；编制在线的s p i d e r 位相还原软件和辅助测量程序，实验上实现s p i d e r 的 精确测量；采用s p i d e r 测量和l c - s l m 位相控制相结合的反馈方式，实现色散补 偿。 4 设计、搭建包含l c - s l m 的啁啾脉冲放大系统光路；采用解析的方法，对 放大系统的展宽器和压缩器参数进行设计；对l c - s l m 在放大系统中的色散补偿 效果进行仿真；完成放大系统种子脉冲振幅整形。 此外，对l c - s l m 的脉冲整形算法进行研究，并编制相应软件；采用反复傅 立叶方法对位相整形滤波函数进行计算；采用模拟退火算法和遗传算法进行自适 应的反馈实验仿真；设计利用l c s l m 脉冲整形的自适应反馈研究光子晶体光纤 光谱展宽的实验方案。 关键词：单周期脉冲、飞秒脉冲整形、液晶空问光调制器、光谱相位相干直接 电场重建法、啁啾脉冲放大、自适应算法 a b s t r a c t t h em e t h o do fg e n e r a t i n gi n t e n s em o n o c y c l el a s e rp u l s e sw a sg i v e nb a s e do nt h e o v e r v i e wo ff e m t o s e c o n dp u l s e ss h a p i n g s 、f e m t o s e s c o n dp u l s e sm e a s u r e m e n ta n d f e m t o s e c o n dp u l s e sd e v e l o p m e n t t h em a i nc o n t e n t sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b r o a d i n ga m p l i f i e rs p e t r u mw i t h h o l l o wf i b e rf i l l e dw i t hn o b l eg a so r f i l a m e n t a t i o ni nn o b l eg a s ，a n dh i g he n e r g yu l t r o b r o a d b a n do p t i c a lp u l s e si sa c h i e v e d 2t h ep r i n c i p l eo fl c s l mp u l s e ss h a p i n gi sd e s c r i b e d ；t h ee f f o r t so fd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o ni ss i m u l a t e d ；t h eu l t r o b r o a d b a n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n t i sd e s i g n e d ；4 fp u l s e ss h a p i n gs y s t e mi sc o n s t r u c t e d ；t h er e l a t i o no f v o l t a g ea n dp h a s e i sc a l i b r a t e db ye x p e r i m e n t ；p h a s ec o n t r o ls o f t w a r ei sc o m p i l e d ；a n da c c u r a c yc o n t r o l o f p h a s ei sr e a l i z e d 3t h es i m u l a t i o no ff r a ca n df r o gi sc o m p i l e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f m e a s u r i n gp r i n c i p l e e x a c tp h a s er e t r i e v a la i i t h m e t i ci sr e a l i z e dw i t ht h ec o m b i n a t i o n o fw a v e l e tt r a n s f o r ma n df o u r i e rt r a n s f o r m , c o r r e s p o n d i n gp h a s er e t r i e v a ls o f t w a r e o n l i n ei sc o m p i l e d ；e x a c tm e a s u r e m e n ts ir e a l i a z e d ；d i s p e r s i o ni sc o m p e n s a t e db yt h e c o m b i n a t i o nw i t h p h a s ec o n t r o l l i n g l c - s l ma n dp h a s em e a s u r i n go f s p i d e r 4c h i r p e dp u l s e sa m p l i f i e rs y s t e mw i t hl c s l mi sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d p a r a m e t e r si n s t r e t c h e ra n dc o m p r e s s i o ns y s t e m si s d e s i g n e db yr e s o l u t i o n ； d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o ne f f o r tw i t hl c - s l mi ss i m u l a t e d ；a m p l i t u d es h a p i n go f l a s e ri sc o m p l e t e d i na d d i t i o n ，p u l s e ss h a p i n ga l g o r i t h m so fl c - s l mi ss t u d i e d ，a n dc o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ei sp r o g r a m m e d ；p h a s es h a p i n gf i l t e rf u n c t i o ni sc a l c u l a t e db yr e r a t i v e f o u r i e ra l g o r i t h m ；a d a p t i v ef e e d b a c ks i m u l a t i o nr e s u l t b ys i m u l a t i v ea n n e a l 、 g e n e t i c sa l g o r i t h mi sg i v e n e x p e r i m e n tp r o j e c to fp c fs p e c t r u mb r o a d i n gw i t h l c s l ma d a p t i v ef e e d b a e ki sd e s i g n e d k e yw o r d s ：m o n o c y c l ep u l s e ，f e m t o s e c o n dp u l s e ss h a p i n g ，l c s l m ，s p i d e r , c p a ，a d a p t i v ea l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 签字日期：& 呻年，月7 白 i 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签孝：? 互蜉+ 眺名： 签字日期：知7 年厂月夕日签字日期：加哆年、月可1 日 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 飞秒激光简介 第一章绪论 飞秒( f s ，1 0 。1 5 s ) 激光是一种以脉冲形式运转的激光，是人类目前在实验 室条件下所能获得的脉宽最窄的脉冲。1 9 8 1 年，美国贝尔实验室的r l f o r k 及其合作者采用被动锁模原理，在以r h o d a m i n e6 g 为增益介质的碰撞锁模环形 染料激光器中获得脉宽小于l o o f s 的激光脉冲，这标志着飞秒激光研究的开始。 然而，染料激光器存在很多缺点：染料介质要求溶解在有机溶剂中，需要采用喷 流方式，结构复杂、难以调试，不便于使用和携带，难以小型化和实用化，且大 部分染料有毒性。因此，染料激光器不利于现实的应用和商业化的发展。1 9 9 1 年，英国人d e s p e n c e 等人采用2 0 m m 长的钛宝石晶体作为增益介质，利用氩 离子激光器全线泵浦，将s f l 4 玻璃棱镜对插入激光腔补偿钛宝石的材料色散， 利用钛宝石的自锁模，获得了6 0 f s 的激光脉冲输出乜1 ，首次成功研制了以钛宅 石为增益介质的飞秒激光器。以钛宝石激光器为代表的固体激光器以其结构简 单、可调协范围宽、输出功率高、性能稳定、寿命长、无污染等优点阳1 逐渐取代 了染料激光器，并获得了飞速发展。 飞秒激光带来了实验室前所未有的高时间分辨率以及强电场、强磁场、高压 强和高温度的极端物理条件，引发了基础科学和技术科学的一场广泛而深刻的变 革。 飞秒脉冲具有极高的时问分辨率和空间分辨率，在飞秒时间分辨光谱术，飞 秒化学，飞秒生物学等领域都有非常广泛的应用。飞秒激光可用于研究物理，化 学和生物过程中的动力学问题，成为观测和记录爆炸和化学过程等超快过程的重 要手段。2 0 0 2 年1 0 月，德国和奥地利科学家利用飞秒激光成功观测电子运动，从 原子的层面上揭示了微观物质运动的规律。飞秒激光在病变的早期诊断，医学成 像和外科医疗等方面都发挥着极其重要的作用。 飞秒激光极高的峰值功率使得其在高次谐波产生3 ，激光等离子体n 删，激 光加工1 ，激光核聚变、裂变，模拟宇宙学等方面应用广阔。飞秒激光利用其独 特的优势，克服长脉冲加工材料选择性大等缺点，可对不同材料进行精密加工。 气态、液态、固态的物质在高强度飞秒激光的作用瞬间变成等离子体，这种等离 子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生 天津大学博l ：学位论文第一一章绪论 硬x 射线飞秒激光，p 射线激光以及正负电子对。高功率的飞秒激光还可以将大 气击穿，从而释放云层中聚集的雷电，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂 因天然雷击而造成的灾难性破坏。 1 2 飞秒激光脉冲整形 上个世纪9 0 年代，以液晶空间光调制器2 侧( l c s l m ) 为代表的脉冲整形 器件的出现和发展使飞秒脉冲整形技术获得了巨大发展。目前，可以根据人们的 要求实现任意复杂的脉冲波形，利用电子仪器中的专业术语，如果将飞秒激光器 看作世界上最好的脉冲发生器的话，那么脉冲整形器就好比一个可以产生方波、 三角波及任意波形的信号发生器。飞秒脉冲整形作为一种控制超短脉冲波形的实 验工具，在研究激光与电子束的相互作用、量子动力学控制n 引、飞秒放大脉冲源 瞳旷2 3 3 以及在生物医学等领域应用日益广泛，已成为超快激光研究的重要课题。 1 2 i 飞秒脉冲整形简介 从广义上讲，只要改变了脉冲的形状，都属于脉冲整形的范畴，为了更好地 理解脉冲整形，我们用频域振幅彳( 动，频域位相矽( 四，时域振幅a ( t ) ，时域相 位矽( ，) 四个量来描述脉冲的特性，脉冲整形就是改变其中的一个或多个量。 频域电场e ( c o ) 和时域电场e ( t ) 满足傅立叶变换关系： e ( 缈) 2f o o d t e ( t ) p 一删 ( 1 1 ) 即) 2 去e 妣( 咖胁 ( 1 - 2 ) 其中， e ( c o ) = 彳( ) p 。= j ( 国) p 印引 ( 1 3 ) 即) 2 扣妙肛厕彬。慨 ( 1 - 4 ) 其中，i ( c o ) 为频域强度，( f ) 为时域强度。 由于飞秒脉冲的持续时问极短，主要是在频域内进行脉冲整形。只对振幅进 行整形称为纯振幅整形，纯振幅整形的优点是可以改变光谱成分；只对位相进行 整形称为纯位相整形，纯位相整形的优点是不损失能量；同时进行振幅和位相整 形，可以实现任意形状的脉冲。 飞秒脉冲整形的丰要目的是： 天津大学博士学位论文 第一章绪论 一压缩脉冲宽度 根据测不准原理，脉冲宽度f 。( 最大强度半高宽) 与它的光谱半高宽d 的 乘积必须大于等于一个常数k ，即 r p u k ( 1 5 ) 当频域相位为常数时，f 。a u = k ，这样的脉冲被称为傅里叶变换极限脉 冲。可见，获得短脉冲的关键是产生超宽带光谱和进行位相补偿。 将频域相位看成是频率的函数并假定相位随频率缓慢变化，可以把相位展开 成以频率国。为中心的泰勒级数表达式形式： 矽( 动= 矽( ) + ( c o o ) ( r o c o o ) + 面1 ( ) ( 缈一t o o ) 2 + 酉1 ( c o o ) ( c o c o o ) 3 + ( 1 - 6 ) 热纵驴剖一c 驴剖0 c oo 剖0 c o 。嘞 c i 国j 铀l d ，= “。i d # “ 矽( c o o ) 称为群延迟时j f i j ( g d ) ，( t o o ) 称为群延迟色散( g d d ) ，( t o o ) 称为 三阶色散( t o d ) 。 ， 由于# ( c o o ) 和( c o o ) 和脉冲宽度没有关系。位相补偿可用如下过程实现：将 需要压缩的输入脉冲e 加变换到频域，进行位相整形，补偿公式( 1 6 ) 式中的群 延色散及高阶色散，使( c o ) = 矽( ) + 矽( c o o ) ( r o - c o o ) ，那么可获得变换极限脉冲。 二改变脉冲形状，满足飞秒激光应用的不同要求 近年来，人们对超短脉冲的应用不仅局限在超短的脉冲宽度，有时还要求特 殊的脉冲形状。例如，射频自由电子激光器的注入系统中，光阴极电子枪要求用 紫外平顶的超短脉冲照射金属或半导体光阴极材料产生微电子束团；在超快非线 性波导光学中用矩形脉冲可改善全光器件的开关特性；一些反应与超短脉冲分裂 数量有关系。 1 2 2 飞秒激光脉冲整形技术 飞秒激光脉冲整形方式可以分为被动和主动两大类。被动式技术通常是基于 光栅对、棱镜对、啁啾镜和它们的组合。这些元件的物理和光学性质是固定不变 的，不同阶次的相位是互相独立的，因此每个元件进行位相补偿的能力有限，对 于任意相位分布，很难实现完全的位相补偿。主动式技术中比较有代表性的是基 于液晶空问光调制器、声光可编程色散滤波器 2 4 - 2 5 】( a o p d f ) 和机械式可变形 镜【2 6 - 2 7 】( d m ) 的脉冲整形系统，它们通过计算机程序控制实现脉冲整形。 天津大学博： ：学位论文 第章绪论 1 2 2 1 被动式技术 一棱镜对 、 1 9 8 4 年，f o r k 等人分析了棱镜对的色散补偿作用【2 8 1 ，并且将棱镜对作为色 散补偿元件插入激光腔中进行了色散补偿实验。棱镜对由于构成简单，使用灵活， 损耗小，色散可调节等优点，获得了非常广泛的应用。棱镜对的结构如图1 - 1 所 示。当脉冲通过第一个棱镜时，棱镜将不同波长的光按照不同的角度折射出去， 再进入到第二个棱镜。由于短波长光比长波长光折射角度大，这样腔内光脉冲中 不同波长的光对应着不同的行进光程，短波长成分光经过光程更小。 图1 1 棱镜对结构图 m 棱镜对的相位函数矽( 缈) 与总光程p ( 五) 的关系为： 烈妨2 詈砌) (。1-7) f 群延色散g d d 和三阶色散t o d 分别为： g d d ：乓d 2 p ； 2 忿2 拼 ( 1 - 8 ) 脚= 告 3 窘+ 力爿 m 9 ， 实验中采用调节调整棱镜对问距和棱镜插入量来进行色散补偿。 二光栅对 早在1 9 6 9 年，e b t r e a c y 2 9 1 就提出用光栅对作为色散延迟线，提供负色散， 用来压缩啁啾脉冲或使不带啁啾的短脉冲产生啁啾。光栅对的结构如图1 - 2 所示。 在入射角一定时，衍射光的衍射角依波长而改变，从图中可以看到短波长光经过 光程比长波长的小，其计算公式见第五章。 光栅对提供负的群延色散，经常被用来补偿脉冲中来自材料的正啁啾，从而 天津大学博i 学位论立第审绪论 把脉冲压缩。由于历史的原因，这样的光栅对被称为脉冲压缩嚣 图1 0 光栅对 1 9 8 3 年f m e h l y 等人采用在光栅对之间放八一对焦距相同的透镜，使用图l 一3 所小装置使用固定的掩模对皮秒脉冲进行整形。南于各个元件的距离均等于透镜 焦距，t 该装最被称为4 f 系统。由于各波k 问没有光程差( 只有像差) ，该装置 被看成是无色散的。 图1 - 34 f 脉冲整形系统 幽1 4 展宽嚣结构 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 9 8 7 年，该装置被m a r t i n e z 利用【3 0 】，通过改变光栅和透镜的距离来引入色 散，实现了脉冲的展宽和压缩，现在被广泛用于啁啾脉冲放大系统。如果出射光 栅与透镜的距离缩短，放在焦平面内，则可以提供正色散，如果入射光栅也放在 焦平面内，就可以形成对称结构。由于通过单次展宽，光束是发散的，所以通常 采用偶数次展宽的方法，如果用一个平面镜折返，则可省去一对光栅，如图1 - 4 所示。 三啁啾镜 早在2 0 世纪6 0 年代早期，人们就已经对多层介质膜的频率依赖相位延迟效 应进行了相应的研究。到了8 0 年代，飞秒激光技术的产生使得人们对多层介质 膜的色散研究重新焕发了兴趣【3 。1 9 9 4 年，匈牙利固体物理研究所的r s z i p o c s 和奥地利维也纳大学的e k r a u s z 等人首次提出了啁啾反射镜的概念 3 2 - m 】。即把更 多不同中心波长的反射膜叠加在一起，形成“多膜系反射镜”。 啁啾镜的原理是，特定中心波长的波包被相应的四分之一膜系最有效地反 射，如果将厚度渐增的多层介质膜沉积在基片上制作成反射镜，长波成分透入介 质膜结构的深度会更深，再被相应的膜系反射。这样一来长波波包经历更多的群 延迟，由此产生负色散。从原理上讲，啁啾镜可以同时补偿材料的二阶色散以及 任意阶的高阶色散。啁啾镜一旦设计制造，它的色散就不能改变。它只能提供离 散的色散补偿。通常将棱镜对与啁啾镜结合使用。啁啾镜使人们能够研制出结构 更为紧凑、性能更为稳定、使用更方便的飞秒激光器和放大系统。 1 2 2 2 主动式技术 一可变形镜 近年来发展的可变形镜技术，方案简单，成本低，因此受到越来越多的关注。 可变形镜是一种低损耗、高集成度的位相整形器件。目前的可变形镜是利用电致 伸缩效应，基本结构如图1 5 所示，它的典型元件是一块以p c b 板为衬底的硅 片，硅片上为镀金的氮化硅反光膜，硅片下有驱动电极阵列。当驱动电极加上控 制电压后，电极与膜之间产生静电吸引，从而改变反光膜的形状。膜面的变形量 由控制电压决定。每个驱动电极对膜面的变形都有影响，膜面的整体形状可以看 成是所有驱动电极变化函数的线性组合。反射镜的形变提供所需要的光程差，实 现相应的位相调制。 因为变形镜是不透明的，整形系统采用折叠式4 f 系统，如图1 - 6 所示。 相位的变化量矽和位移变化量z 之间的关系为3 5 】： ” 驴= 2 = a z 旯 ( 1 1 0 ) 天津大学博士学位论文第一章绪论 可变形镜表面是连续的，没有无信号区，所以它对波形的调制是连续变化的， 效率较高。但是它存在笨重，相位标定、空问分辨率和相位分辨率低，光的偏转 等缺尉3 6 1 。此外，它的应用由于相对小的有效像素数受到限制。 i n i t l a is u r f a c e 图1 5 可变形镜结构示意图 图1 - 6 变形镜整形系统 二声光可编程滤波器 2 0 0 0 年，v e r l u i s e 等人提出了利用可编程声光色散滤波器来进行脉冲整形的 方法【3 。7 1 ，可以在很大范围内进行色散补偿。a o p d f 是目前唯一可以直接在时域 进行脉冲整形的可编程器件，可以同时实现振幅整形和位相整形。 可编程声光色散滤波器基于共线声光作用原理，如图1 7 所示。基本原理是 利用声波频率随时间变化的性质，控制声光作用中衍射光波的群速延迟。这样， 可以通过对声波的调制使光波产生任意群速延迟，从而实现频域位相调制的作 用。同时，衍射光波的光谱振幅也和声波的强度相关。 天津大学博 ：学位论文第一章绪论 目前，a o p d f 主要用于c p a 系统。可以起到三个作用：放在放大系统前， 通过振幅调制抑制增益窄化；补偿放大系统中的剩余色散；给不同频率成分加不 同延迟，使它们在时域上分开，从而产生多脉冲。 但是a o p d f 存在很多缺点：本身存在很大材料色散：带宽有限；衍射效率 很低。因此，在实际应用中，a o p d f 常常作为抑制增益窄化效应的器件，而不 作为纯粹的位相补偿器件。 图1 7 a o p d f 整形原理 2 三液晶空间光调制器 液晶空间光调制器一种电光控制器件，由许多像素组成，通过改变加在每个 像素上的电压，可实现振幅调制和相位调制。目前，可同时实现振幅调制和相位 调制的双液晶空间光调制器已有产品出售。 l c s l m 是由a m w e n i e r 首先进行脉冲整形的【1 2 】，采用4 f 脉冲整形系统， 由于其可调光谱范围宽，实验中无须移动光路等优点，在飞秒脉冲整形中显示出 巨大的优势。 l c s l m 脉冲整形系统的最大缺点是整形系统中光栅的使用大大增加了整 个系统的损耗。为了容纳更宽的波长范围，往往采用密度较小的光栅( 例如1 5 0 l i n e s r a m ) ；而密度小的光栅的衍射效率很低。实验表明，使用1 5 0l i n e s m m 光 栅的4 f 系统的透过率只有1 0 左右。 1 3 飞秒激光脉冲测量技术 飞秒激光脉冲测量技术是应飞秒脉冲发展的需要而产生并飞速发展、成熟 的，并同时促进着飞秒激光及脉冲整形技术的发展，目前，甚至成为周期量级脉 天津大学博士学位论文 第一章绪论 冲产生的重要手段。 由于目前最快的光电探测器的分辨率为p s 量级，无法直接探测到飞秒信号， 所以，飞秒脉冲的测量必须采取问接的测量方法。目前应用最为广泛的飞秒脉冲 测量方法是自相关 3 8 - 4 2 】测量方法、频率分辨光学开关法【4 3 - 4 7 ( f r o g ) 和光谱相 位相干直接电场重建法【4 和s 4 ( s p i d e r ) 。 一自相关测量方法 自相关法是测量超短脉冲宽度最常用的方法。自相关测量的基本思想是： 将入射光分为两束，让其中一束光通过一个延迟线，再把这两束光合并，通过一 块倍频晶体或双光子吸收发光介质。改变延迟可得到一系列信号，根据得到的 自相关信号来推算脉冲的宽度。自相关分为相干条纹分辨自相关和强度自相关。 相干条纹分辨自相关将分开的两束光合并成共线的一束，自相关信号是电 场相干叠加的结果，包含着脉冲形状的信息，由于没有合适的还原算法，主要通 过假定脉冲形状推算脉冲宽度，以及根据自相关曲线边缘的形状定性地判断脉冲 中的啁啾情况。 在相干条纹分辨自相关仪的基础上降低探测器件对延迟的响应时问就获得 了脉冲强度自相关信号，这样得到的相关曲线是有背景的强度自相关曲线。无背 景自相关是将两束光分开后不再合并为束共线的光束，而是让两束光以一定的 角度聚焦到倍频晶体中。无论是有背景自相关法还是无背景自相关法得到的强度 自相关信号均不包含与脉冲的频率有关的振荡项，因而无法提供脉冲的位相方面 的信息。 现在为了满足不同的应用需要，多种技术被用来产生飞秒脉冲，不同方法 产生脉冲的性质也不同，相应的测量脉冲宽度的自相关仪也不同。 直接从激光器产生的飞秒脉冲，重复频率通常较高( 在m h z 量级以上) ， 而且脉冲之间的参数变化不大，可以使用扫描延迟线的自相关仪进行测量；放大 后的脉冲，重复频率可能是l k h z 、1 0h z 、1 h z ，甚至更低，为了更好的反映每 个脉冲的脉冲宽度，不能用多个脉冲的平均结果来代替脉冲的真实情况，需要采 用单脉冲测量。 自相关测量方法的优点：结构简单、使用方便、运转稳定、容易调节。 自相关测量方法的缺点：推算脉冲宽度时需要假设脉冲波形，往往会产生很 大误差。 二f r o g 测量方法 1 9 9 3 美国桑迪亚国家实验室的i lt r e b i n o 和d j k a n e 首先通过频率分辨 光学开关法重建脉冲的光谱相位【删，第一次通过实验实现了脉冲强度和相位信息 天津大学博士学位论文第一章绪论 的完全重现。 f r o g 的原理是：通过测量不同时问单次自相关信号的频谱。通过脉冲还原 算法得到脉冲信息。测量出的频谱信号与时间和频率都有关系，是一个二维的谱 图，常被称作f r o g 行迹。从f r o g 行迹还原出脉冲信息的算法有多种，目前 最为常用的是反复傅立叶变换算法。 f r o g 的优点： 1 由于这个谱图包含脉冲的全部信息，因此，可以还原出脉冲的全部信息， 2 因为光谱可以通过光谱仪测量直接得到，所以f r o g 测量方法可以实现对 还原信号的自一性校验。 f r o g 的缺点：如果还原算法采用迭代的方式，不能实现实时测量 三s p i d e r 测量方法 1 9 9 8 年，c i a e o n i s 和i a w a l m s l e y 提出了光谱相位相干直接电场重建法， 这是一种测量光谱相位的方法。 s p i d e r 的原理是： 测量两个具有微小时移和微小频移的脉冲光谱干涉信号，由于包含着相位信 息，因此可以还原出脉冲的位相。最为常用的还原算法是傅立叶变换算法，2 0 0 4 年，本实验小组的邓玉强提出了采用小波变换的方法还原频域位相【5 5 1 。 优点：因为可以通过测量频谱干涉条纹曲线直接还原出光谱位相，所以 s p i d e r 可以实现实时测量。 缺点： l 在硬件上，由于需要两个分光光路来引入时移和频移，那么分束镜的色散 必然会带来测量误差。 2 在算法上，由于傅立叶变换算法中滤波窝口宽度和小波变换算法中小波因 子这两个不确定参数的存在，测量的位相还原结果会产生误差。 1 4 周期量级脉冲产生方法 飞秒激光脉冲整形技术与飞秒激光脉冲测量技术的发展促进了飞秒脉冲的 发展。钛宝石激光器通常采用棱镜对、啁啾镜或它们的组合补偿腔内色散防川。 2 0 0 1 年，r e l l 等人利用超宽带啁啾镜和c a f ：棱镜对补偿腔内色散获得了5 f s 的超短脉冲3 ，这是目前直接从钛宝石激光器输出的脉冲宽度最窄的脉冲。 激光器输出的基本上是变换极限脉冲，如果需要产生更短的脉冲，就必须利 用腔外脉冲压缩技术【3 6 】：一方面利用各种非线性效应，向种子脉冲引入新的频率 成份，使脉冲在频域内展宽；另一方面通过脉冲整形技术，利用各种光学器件对 天津大学博士学位论文第一章绪论 在频域内经过展宽后的脉冲进行位相补偿。 1 4 1 飞秒激光腔外脉冲压缩研究进展 超宽带光谱的产生主要是利用飞秒激光与物质的非线性相互作用来拓展光 谱。科学家们尝试了用不同的方法展宽光谱，主要采用的非线性介质有各种固体 【6 5 1 、气体材料【6 6 】，单模光纠6 8 - 7 3 1 ，光子晶体光纤【7 蝴3 1 、充惰性气体的中空光纤 8 4 - 1 0 4 1 ，下面对不同光谱展宽方法分别介绍： 一固体材料 人们最早对光谱展宽的研究是从固体材料开始的，早在1 9 7 0 年，r r h l f a n o 等人发现用皮秒激光通过玻璃可以产生4 0 0 n m - 7 0 0 n m 的超连续光谱，随后又对各 种固体和液体介质进行了光谱展宽的研究加鄹。由于当时没有可以直接测量飞秒激 光的方法，其发展受到影响。1 9 8 8 年，p b c o r k u m 等人用不同厚度的石英，c a f ： 和s f 6 玻璃等固体材料对c p m 染料激光器里出射的脉宽为9 2 f s 的脉冲进行光谱展 宽，并用光栅对进行压缩，得到了脉宽小于2 2 f s 的超短脉冲蛳1 。2 0 0 3 年，e m 6 v e l 等人采用3 咖的b k 7 展宽光谱，利用啁啾镜压缩脉冲，将输入为4 2 f s 的脉冲压 缩到1 4 f s 州。 二普通单模光纤 由于光脉冲在普通单模光纤中传播受非线性折射率的影响非常大，人们早在 1 9 8 2 年，就开始采用单模光纤利用自相位调制作用展宽光谱引。1 9 8 7 年，r l f o r k 等人利用长度为9 m m 长的石英光纤进行光谱展宽，并采用棱镜对和光栅对 相结合的方法进行脉冲压缩，将5 0 f s 入射脉冲压缩到了6 f s 6 9 1 ，该记录保持了1 0 年之久。1 9 9 7 年，a b a l m 薹k a 等人利用长度为3 - 4 r a m 的单模光纤展宽光谱，分别 采用棱镜对和啁啾镜组合及棱镜对和光栅对组合的色散补偿方法，获得5 5 f s 和 4 9 f s 和的超短脉冲口们。 三光子晶体光纤 光子晶体光纤( p c f ) 是从1 9 9 6 年开始发展起来的新型微结构光纤【j 7 4 1 。是 一种由单一物质构成，在光纤横截面向上排列( 通常为规则的六角形) 着波长量 级的空气孔构成包层的新型光纤。包层的这种微结构使得光子晶体光纤能够呈现 出在传统光纤中难以实现的特性，包括在极宽谱带内支持单模传输、强烈的非线 性效应、在可见光和近红外波段可以呈现反常色散、极强的双折射效应等。因为 光子晶体光纤的色散很小，所以超短脉冲在光子晶体光纤内传播时，峰值功率可 以保持较小的变化，这实际上增强了光纤中的各种非线性效应。在自相位调制、 交叉相位调制、拉曼散射和四波混频等非线性效应作用下，用纳焦量级的能量就 可以获得超过一个倍频程甚至达到两个倍频程的展宽光谱 7 5 - 7 6 】。 天津大学博士学位论文第一章绪论 2 0 0 4 年，m y a m a s h i t a 研究小组采用光子晶体光纤展宽光谱，并用l c s l m 进行位相补偿，将1 2 f s 的脉冲压缩到6 8 f s t 8 0 罐2 1 。2 0 0 5 年u k e l l e r 研究小组通过 光子晶体光纤展宽光谱，l c s l m 补偿位相，将1 5 f s 的脉冲压缩到5 5 f s t 8 3 】。 四充惰性气体的中空光纤 中空光纤的折射率小于包层的折射率，即使充入高压惰性气体，折射率仍然 小于波导壁的折射率，光波在这样的波导中传播是靠表面掠入射造成的反射进行 传播。与单模光纤不同的是，空心光纤的芯径可以很大( 可达几百微米) ，且仍 然能工作在单模状态下。中空光纤的透射率很高，而且所充惰性气体有较高的多 光子离化阈值，适合高能量，高峰值功率的飞秒脉冲传输。由于光纤中充有惰性 气体，可以根据惰性气体的种类不同，以及对其压强的改变来控制其非线性作用 长度。于是人们开始用充惰性气体的中空光纤展宽光谱。其中以意大利的m n i s o l i 研究小组，日本的m y a m a s h i t a 研究小组及瑞士的u k e l l e r 研究小组最具 代表性。 1 9 9 6 年m n i s o l i 等人首次用充惰性气体的中空光纤展宽放大脉冲的频谱， 并用布儒斯特角的石英棱镜对进行位相补偿，将入射脉宽为1 4 0 f s 的激光脉冲压 缩到1 0 f s 8 4 。1 9 9 7 年，m n i s o l i 等人再次使用充氪气和氩气的石英中空光纤展 宽放大脉冲，并用小顶角双石英棱镜对和啁啾镜进行色散补偿，将入射脉宽为 2 0 f s 的激光脉冲压缩到4 5 f s 和5 3 f s 【8 5 - 8 6 。2 0 0 2 年，m n i s o l i 等人采用级联空心 光纤的方法展宽光谱，并用啁啾镜进行压缩，将2 5 f s 的入射脉冲压缩到6 2 f s 盯l 。 2 1 ) 0 1 年，m y a m a s h i t a 研究小组采用空心光纤展宽光谱，并用液晶空间光调 制器脉冲整形系统补偿位相，将3 0 f s 的入射脉冲压缩到5 f s l 9 引。2 0 0 3 年，m y a m a s h i t a 研究小组的k y a m a n e ，张志刚等对原有方案进行改进，通过s p i d e r 测量位相和液晶空问光调制器位相控制结合的反馈方式补偿位相，将脉宽小于 3 0 f s 的入射脉冲压缩到3 4 f s 1 0 4 。2 0 0 4 年，k y a m a n e 等人采用同样的方法，将 脉冲光谱向短波长展宽，并减少l c s l m 上每个像素的补偿位相，并且精确优 化调节4 f 系统中双光栅的位置，最终获得了2 8 f s 的近变换极限脉冲输出阳4 。1 ， 这是迄今为止在可见光至近红外区域获得的脉宽最窄的脉冲。 2 0 0 3 年，u k e l l e r 研究小组采用锥形空心光纤与普通空心光纤级联的方法 进行光谱展宽，然后通过l c s l m 脉冲整形系统补偿位相，将2 5 f s 的入射脉冲 压缩到3 8 f s t 州。 五低压惰性气体成丝 激光在气体传输过程中，能量高于气体的自聚焦阈值时，由于自聚焦作用和 等离子体电离作用的相互平衡，激光光束不再发散，而是沿着一条或者多条特定 的轨道传输，这就是我们所说的成丝现象。激光在气体中成丝的同时，由于内部 天津大学博j ：学位论文第一章绪论 自聚焦，脉冲自陡峭，自相位调制等非线性效应的共同作用，使光谱得到展宽， 并且还伴有脉冲自压缩现象【1 0 5 1 。 很多人对强激光脉冲在空气中的成丝现象进行过深入地研究，但由于其非线 性过程复杂，所以已往人们总是对强激光在大气中成丝的现象比较关注，直到近 几年，才将激光在惰性气体中的成丝现象应用到压缩脉冲的实验上来。 2 0 0 4 年，u k e l l e r 研究小组将脉宽为4 3 f s ，能量为0 8 4 m j 的脉冲入射到级 联的充有低压氩气的密闭装置内成丝，并利用啁啾镜分别对每级出射脉冲进行补 偿，得到了脉宽为5 7 f s ，能量为0 3 8 m j 的飞秒脉冲【l 吲。 2 0 0 5 年，s a t r u s h i n 等人将4 5 f s 激光经过长焦距透镜聚焦到非密闭惰性气 体盒中，惰性气体在垂直光束传播方向缓慢流动并充满气体盒使其内部气压保持 在9 5 0 m b a r 观察到了1 0 1 2 c m 的成丝现象，采用啁啾镜压缩后获得了1 0 f s 的输 出脉冲，由于通光方向没有透射镜的阻碍，能量透射率高达9 6 t 1 0 7 1 。 六光参量放大技术( o p a ) 光参量放大技术是利用非线性晶体的二阶非线性极化效应，将入射的强泵浦 光的能量转移到弱信号光中，同时还产生另一频率的闲频光。目前，利用光参量 放大技术压缩脉冲也获得了很大进展。 1 9 9 7 年t w i l h e l m 等人利用l k h z 钛宝石啁啾放大系统的倍频蓝光作为泵浦 光，超连续白光作为种子光，利用b b o 晶体i 类非共线相位匹配的飞秒o p a ，获 得了4 7 0 - - 一7 5 0 n m 连续调谐的小于2 0 f s 的放大信号光脉冲，脉宽最窄为1 6 f s ，单脉 冲能量为1 1 山4 。此后随着相位匹配以及位相补偿方式的不断改进，利用o p a 技术获得飞秒脉冲的宽度的记录不断被刷新。2 0 0 2 年a b a l t u g k a 等人利用石英棱 镜对预压缩超连续种子白光，利用石英块展宽泵浦光，用一个石英棱镜引入泵浦 光的角色散，结合啁啾镜，光栅，可变形镜补偿色散获得了脉宽为4 f s 单脉冲能 量为0 5 山的激光脉冲。这是迄今为止利用光参量放大技术获得的脉冲宽带最窄 f 1 0 9 1 的脉冲一。 1 4 2 高能量、周期量级激光脉冲产生方案 周期量级脉冲是指脉冲宽度小于载波的两个光学周期，即在可见光范围内， 小于5 f s ( 8 0 0 r i m 中心波长的一个光学周期脉宽为2 7 f s ) 的光脉冲。 产生周期量级脉冲的关键技术是：产生超宽带光谱和整个光谱范围内的位相 补偿。此外，还需要合适的测量方法对产生的周期量级脉冲进行评价。 在光谱展宽技术中，由于固体介质的展宽压缩比较小，光子晶体光纤和普通 单模光纤不能承受较大的脉冲能量，目前，高能量的超宽带光谱产生方法主要是 在放大系统后依靠通过充有惰性气体的空心光纤或低压惰性气体成丝技术展宽 天津大学博士学位论文 第一章绪论 光谱。 在位相补偿器件中，由于液晶空间光调制器可以通过的光谱范围很宽，能够 用计算机程序实现对复杂光谱位相的控制，所以是最佳的选择。 通常，利用非线性效应产生的超宽带光谱，其位相关系比较复杂，那么，最 好的位相补偿方法是：首先测量展宽光谱的脉冲位相，然后让脉冲通过l c s l m 脉冲整形装置，通过计算机控制l c - s l m ，使其在各个频率成分上所加的相位与 s p i d e r 测量的位相正好反号相等，这样就可以实现位相的完全补偿。但是，这 个反馈的方法对测量和l c - s l m 位相控制的精度要求非常高。 此外，为了产生高能量的超宽带光谱，还需要解决的问题是建立一套高性 能的飞秒脉冲放大系统。 1 5 选题意义、内容及创新 1 5 1 论文的选题意义 超短超强激光的持续创新发展与应用开拓，是当前国际上激光高技术乃至现 代科学技术中一个非常重要的前沿领域，也是我国已具有较好基础并有望取得重 大突破的，且将在国家战略高技术与众多学科领域中起到重要推动作用的科学技 术领域。 一完全采用自主技术实现高能量、周期量级激光脉冲的产生 高能量、周期量级激光脉冲的研究和应用，是飞秒激光脉冲发展的必然趋势， 也是产生阿秒脉冲，推动阿秒科学发展的必经阶段和必要手段。 高能量、超宽带光谱的产生、l c s l m 的精确位相控制和飞秒脉冲的准确测 量是实现产生高能量周期量级脉冲的必备条件，高质量的放大脉冲光源是开展这 项工作的前提条件。 论文的前五章内容都是围绕高能量、- 周期量级激光脉冲产生这个项目展开 的，对高能量、超宽带光谱展宽技术、l c - s l m 脉冲整形技术、飞秒脉冲测量技术 及啁啾脉冲放大技术进行研究。这些工作为完全采用自有技术实现高能量、周期 量级脉冲的产生奠定基础，必将推动我国飞秒激光技术的发展。 二液晶空间光调制器脉冲整形应用的算法研究 随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光在越来越多的领域得到应用。然而一些 应用，对飞秒激光的要求不仅局限在脉冲宽度和能量方面，还要求脉冲具有殊殊 的形状。甚至还有一些应用，例如在化学反应控制中，并不知道所需的脉冲形状。 论文第六章针对飞秒脉冲整形的应用，对l c - s l m 的脉冲整形算法进行研究， 天津大学博士学位论文第一章绪论 并编制相应的控制软件。这些工作为飞秒脉冲的一些应用提供了实现的方法和手 段。 1 5 2 论文的工作内容 论文包括如下七个部分： 一绪论 对飞秒脉冲整形技术、飞秒脉冲测量技术、飞秒激光腔外压缩技术进展进行 综述，提出高能量、周期量级激光脉冲产生方案。 二高能量超宽带光谱产生 分析光谱展宽原理；对数学模型的计算方法进行研究；对充惰性气体中空光 纤、低压惰性气体电离成丝进行光谱展宽实验研究。 三l c s l m 脉冲整形研究 对液晶空间光调制器脉冲整形原理进行研究；设计超宽带光谱范围内的色散 补偿实验方案；数值模拟l c s l m 的色散补偿效果；搭建4 f 脉冲整形系统；实 验校正l c s l m 的电压控制位相关系；实现l c s l m 波长像素的自动映射；编 制l c s l m 自动化控制软件；实现l c s l m 位相的准确控制。 四飞秒脉冲测量技术研究 对目前常用的测量技术进行深入研究；编制自相关仿真软件；编制f r o g 仿真软件；利用各种方法减少s p i d e r 测量误差；提出采用小波变换和傅立叶变