（物理电子学专业论文）测量超短脉冲的新方法——频率分辨的光学门技术（frog）.pdf

摘要 本文埘频率分辨光学f j ( f r o g ) 技术进行了理论和实验研究，目的是将浚 算法用程序语言得以实现，并通过实验验证之，以试图探索这个测量超短脉冲的 新方法。 围绕这个重点，j 本文首先列举出了一些有关的传统测量方法；( ；并对其中较特 殊的进行了突出分析，以期读者能先对该方向有所认知，并在了解f r o g 方法 时能有所对比。 从第二章起， j 一三( 3 - 3 ) l n ( m ，) r 式中，p ( 0 ) 式初始状态的腔内平均功率。m 。代表初始阶段在腔内振荡的模式数。 l n 阳j 与1 有相同的量级。l 是光在腔内来回一周所需的时间，t c 是一次起伏 的平均寿命，它大约等于有效的模间相关时间。自启动要求k 和p ( 0 ) 必须足够的 大，换句话说，就是腔型要调节得足够的好，连续光输出功率要足够的强。实际 中要达到这些条件并不容易，通常总是借用外界因素，引入一个起伏足够大的能 量波动来启动锁模。比较简单的是振动腔端镜、或腔内棱镜。复杂些的方法有： 腔内插入饱和吸收体【7 j 、玻璃光纤【8 】、声光调制一l 、以及使用具有非线性反射镜【l o 】 或振动镜j 的外腔。 在自振幅调制的作用下，脉冲不断缩短，峰值功率提高，频谱展宽。当频谱 宽度达到一定的大小，使与频谱有关的非线性效应变得显著时，超短脉冲的形成 进入了第二阶段脉冲压缩阶段。 在这个阶段，频谱较宽，自振幅调制、群速度色散和自相位调制的联合作用 起主导作用。 ，等= 三岛筹( a )，警叫m ( b )( 3 _ 。， 其中，( a ) 是群速度色散单独作用于脉冲时的数学表达，( b ) n 是自相位调制单独 作用于脉冲的公式。 群速度色散和自相位调制共同作用，即幻和三舭的值可比时，二阶色散的符 号是正还是负，作用大不相同。如果激光腔内净色散为正，群速度色散和自相位 调制两种效应将使脉冲展得很宽，并具有大的啁啾，而且稳定性大大下降。( 如 第一段中所述) 。如果腔内净色散是零或负的，则自相位调制与群速度色散相结 合，在自振幅调制的帮助下，压缩脉宽到飞秒量级，形成通常所观察到的稳定的 自锁模飞秒脉冲序列的输出。 f k r a n s z 提出了自锁模激光器输出锁模脉冲的半高全宽脉宽野删的简单公 式： = 学托缈 b 5 ) 第三章s h g f r o g 方法的实验研究 其中d 为腔内净色散，是脉冲单位光强的光在谐振腔内往返一周的产生的 相移，是脉冲能量，口是与脉宽测量位置有关的量。 自锁模激光器大大降低了飞秒激光器的成本，飞秒激光器的市场迅速扩大。 在丰厚市场利润的推动下，美国的光谱物理公司，相干公司等已将性能优良的自 锁模钛宝石激光器商品化。但在中国国内由于t i ：s 晶体质量偏低、输出稳定性 差，锁模激光器实用领域窄、科研经费又不足等原因，自锁模激光器却仍基本上 处在实验室装配、研究和使用阶段，很少以商品形式出现。在本课题组罩因为需 要超短脉冲激光器作光源，所以重新搭建了白锁模钛宝石激光器。 钛宝石自锁模激光器经过多年的发展，出现了各种各样的自锁模激光器腔 型，如紧凑腔型、三镜腔等等。但因为我们的主要目的并不是要求有多么节约的 空间、多么低的启动功率或多么窄的自锁模脉宽。所以我们援引了de s p e n c e 等人所设计的第一套装置( 见图4 1 ) 的结构，并根据近几年的有关研究成果对 腔参数作了适当的改进，谐振频率为8 2 0 n m 。 图4 1 自锁模钛宝石激光器结构示意图 元件：m 】、m 2 的曲率半径r l = r 2 = o 1 m ；m o 的曲率半径t o = 0 2 m ；a a ”= o 0 1 m 长度：m 3 m l - o 8 0 m ；m om 1 - 0 0 6 m ；m la = 0 0 5 m ；a ”m 2 = 00 4 8 m ； m 2m 4 = o 9 0 m ；m 2 b = o 2 2 7 m ：b 留”= c ”= o 0 3 8 m ； b ”肘7 = 0 3 4 m ；m ，c = o 1 6 5 m ：c ”m d = o 0 6 5 m 第三章s h g f r o g 方法的实验 i j 究 由于钛宝石的激光跃迁上能级寿命仅为3 8 , u r n ，为了获得足够高的泵浦效率， 钛宝石激光器大多采用激光泵浦。可用作泵浦光源的激光器有氩离子激光器、铜 蒸气激光器或半导体激光器列阵泵浦的倍频n d ：y a g 或n d ：y l f 激光器等。l n 光 灼泵浦的钛宝石激光器也获得成功。 我们采用的泵浦源是全线氩离子激光器。氩离子激光器属气体激光器，发射 谱线很丰富，主要分布在可见光的蓝绿光谱区，其中以5 1 4 5 n m ( 绿) 和4 8 8 0 n m ( 蓝) 两条谱线最强，占总输出功率的3 0 - - 4 0 。氩离子在黄绿光谱区有很多 相距很近的谱线，所以利用一对多层介质膜反射镜，可以获得若干条谱线的同时 振荡。若未采取措施对这些谱线加以筛选、限制，这样的a r + 离子激光器就被称 为全线氩离子激光器。氩离子激光器连续输出功率一般从几瓦到几十瓦。它是可 见光范围内连续输出功率最高的激光器。输出功率一般在3 - 5 w 左右。由于功率 偏低，所以氩离子振荡腔内气压较低时，对应相同的腔内电流，激光器输出功率 反而会有所提高。一般，氩离子激光器输出功率应控制在4 5 w 左右，以保证氩 离子激光器的输出功率稳定、光束模式良好。 顺应钛宝石自锁模激光器的发展趋势并考虑实际所能达到的实际泵浦功率， 钛宝石棒的长度缩短至1 0 m m 。谐振中心频率8 2 0 n m 。泵浦光能量经过泵镜m o 和曲镜m l 相当于由一面焦距1 0 c m 的正透镜( m o ) 和面焦距5 c m 的负透镜 ( m i ) 构成的组合透镜注入钛宝石晶体之中。因为在不使用硬光阑的情况下钛宝石 自锁模激光器中强调增益光阑的作用，所以m o 和m l 两镜的间距对提高钛宝石 自锁模激光器功率和锁模稳定性很重要。 本套激光器采用了双棱镜对序列来提供负色散，并利用5 0 0 m h z 数字采样示 波器( h p 5 4 6 1 5 b ) 判定和监视锁模输出。 图4 2 自锁模脉冲序列 塑兰里! ! ! ：! ! 旦旦苎蔓茔塑兰塑型丛塑一一5 0 图4 2 是本次实验中所拍摄到的自锁模脉冲序列。其周期t 2 1 2 n s 满足锁模 脉冲的重复频率由腔长决定的规律。 在后面的验证实验中我们将对该白锁横脉抖，进行测量。 第= 章s h g f r o g 方法的头验研究! _ _ _ h _ _ _ - - - _ h _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ 第二节相关器光路设计 通常人们将迈克尔逊干涉仪改制成光学相关器来实现用一次谐波法测量超 短光脉冲。对本实验中钛宝石激光器产生的e 秒艟级脉冲来说，恢技术足 合适 的方法。 相关器的内部光路图如下： 2 ， 一 ：， f 、。1 l 一 7 一 一u 4 j l 图4 3 相天器内部结构蚓 图中1 和2 为相同的平面反射镜，3 为由半反半透镜充当的分光镜。下面我 们来介绍一下图? ? 的工作原理：待测光脉冲经分光镜3 被分成两束，其中一束 入射到反射镜1 的反射面上，经过反射后折回。另一束光入射到反射镜2 的反射 面上，经过反射后也折回。两束光由凸透镜4 聚焦后再经过倍频晶体，l 妇倍频晶 体倍频后的信号由光栅光谱仪系统来接受。通过改变反射镜2 的位置就可实现一 路光束的延迟。 在光学相关测量中，一束光相对于另一束光时间延迟的变化是通过改变其中 一束光的光程来实现的。而光程的改变是靠机械系统改变其中一束光路之中反射 镜的位置来完成的。简言之，电机驱动由两级蜗轮、蜗杆组成的传动机构来带动 丝杠转动。丝杠与螺母配合将它的转动变为导轨的移动。将反射镜固定在导轨上 面，那么由于导轨的移动，反射镜的位置也就相应地发生了变化。说明一下，考 虑到滚动具有运动灵便、平稳、不易出现爬行、磨损小、使用寿命长等特点，我 们选用了滚动双圆弧导轨。 通过实验验证了所设计的机械结构是比较合理的，它所达到的延迟速度范田 笙兰童! 坚鱼：! ! 旦鱼塑鲨塑塞堕型壅一一5 2 能够满足相关测量的要求。 一基本原理 第三节光栅光谱仪简介 我们在实验中所使用的信号接收器是w g d 一8 型组合式多功能光栅光谱仪， 它由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，a d 采集单元，计算机组 成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。其光学系统采用 c t 型，如图4 3 。 图4 4 光谱仪光学原理图 s 2 入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0 - 2 r a m 连续可调，光源发出的 光束进入入射狭缝s 1 ，s 1 位于反射式准光镜m 2 的焦面上，通过s 1 射入的光束 经m 2 反射成平行光束投向平面光栅g 上，衍射后的平行光束经物镜m 3 成象在 s 2 或s 3 上。 m 2 、m 3 光栅g 焦距5 0 0 m m 每毫米刻线1 2 0 0 条，闪耀波长2 5 0 n m 二规格与主要技术指标 笫二章s h g f r o g 方法的实验研究 焦距 相对孔径 杂散光 分辨率 光电倍增管接收 波长范围 波长精度 波长重复性 c c d ( 电荷耦合器件) 接收单元 光谱响应区间 积分时间 5 0 0 r a m d f = 1 7 1 0 叫 优于0 1n m 2 0 0 8 0 0 n m 0 4n l t i 0 2n i n 2 0 4 8 3 0 0 9 0 0 h m 9 档( 每档5 3 毫秒) 塑三里! 坚! ：! ! 旦鱼塑鲨塑兰竺塑! ! 一一5 4 参考文献 1 激光技术，湖南科技山版社，1 2 8 页 2 rlf o r k c h b r i t o ，c r u zpc b e c k e ra n dcvs h a n k ，o p tl e t t ，1 2 ，4 8 3 ，1 9 8 7 1dj u n g ，e t a l ，o p t l e t t ，2 2 ( 8 ) ，1 0 0 9 ，1 9 9 6 d e s p e n c e ，rnk e a n a n dw s i b b e t t ，o p tl e r ，1 6 ，4 2 ，( 1 9 9 1 ) h a h a u s ，o p tl e t t ，1 6 ，1 3 3 1 ，1 9 9 1 kt a m u r a ，o p t l e l l ，1 8 ，2 2 0 ，1 9 9 3 m l a i ，o p t l e t t ，1 9 ，7 2 2 ，1 9 9 4 n s a r u k u r a ，yi s h i d aa n d h n a k a n o ，o p tl e t t ，1 6 ，1 5 3 ，1 9 9 i n s a r u k u r a ，yi s h i d aa n dty a n a g a w a t a p p lp h y s l e t t ，5 7 ，2 2 9 ，1 9 9 0 d e s p e n c e ，j m e v a n s ，e t a l ，o p t l e t t ，1 6 ，1 7 6 2 ，1 9 9 1 1 0 u k e l l e r ，g w t h o o f l ，wh k n o xa n dj e c u n n i n g h a m ，o p tl e f t ，1 6 ，1 0 2 2 ，1 9 9 nhr i z v i ，rmwf r e n c ha n dj r t a y l o r ，o p tl e t t ，1 7 ，2 7 9 ，1 9 9 2 3 4 4 5 6 7 8 9 兰婴童壅壁垒苎丝墨坌堑一一5 5 第四章 实验及其结果分析 第一节传统方法测量 为了验证s h g f r o g 测得结果的正确性，我们必须采取另外一种方法对同 一被测脉冲进行测量，鉴于s h g 法的稳定性和准确性，以及两种方法除了在信 号接收部分的有所差异外，光路搭建完全一致等特点，我们选用了s h g 法作为 参照方法。 匣丑塑 珈叫堕 堕 倍频晶体 图4 1s h g 方法实验配置 s h g 方法结构与s h g f r o g 方法结构( 图3 1 ) 基本一致，区别在于从倍频晶 体出射的光信号，经过光电倍增管转换成为模拟电信号，模拟电信号输入到函数 记录仪上，函数记录仪将根据所接收到的电信号绘制3 ：l 曲线( 如下图) 。 擘 图4 2 函数记录仪记录f 的3 ：1 曲线 进行测量时，记录仪走纸速度为每5 秒走l c m ，相关器每1 4 8 秒转一圈，丝 杠走 m m ，则光程差为2 m m 。正由于记录仪每0 5 秒走l m m ，则相关器在o 5 秒内光程的改变量为： 丽2 0 5 秒= 去m 卅 一 塑型兰兰鉴些! ! 丝墨坌塑一5 6 - _ - _ - - _ - _ - ，_ _ _ _ - d _ - _ - _ _ _ _ _ _ 一 光改变( 走击m 掰光程所对应的时间为 1 m m 3 1 0 “聊秒 1 4 8 l1 = 一x 一 1 4 83 1 0 1 = 2 2 5 x 1 0 。4 秒 根据前面章节所给出的比例系数，这罩等值宽度位置和相关曲线与待测脉冲宽度 的比例系数均按双曲正割脉冲形状来选取的，其比例系数为1 5 5 。折合成脉宽得： 2 2 5 x 1 0 - 14 程) ：1 4 5 l o 秒 1 5 5 = 1 4 5 矗 即记录仪记录了i m m ，脉宽为1 4 5 f s 。 由图4 1 的干涉相关曲线可以看出，在包络曲线的半高全宽处小格数为4 5 一个小格的宽度是i m m ，所以得到待测脉冲的宽度为： 1 4 5 奔x 4 5 = 6 5 3 声 第二节s h g f r o g 方法测量 我们将s h g 方法中用到的光电倍增管和函数记录仪撤掉，取而代之的是光 栅光谱仪和计算机，这样就可以进行s h g - f r o g 方法的实验了。 首先，我们将步进电机设定成每前进或后退一个定长度后立刻停止，同时让 该时刻的倍频光信号输入到光栅光谱仪中，通过操作光谱仪在计算机中的控制软 件，我们可以采集每一时刻的光谱图，并可直接显示在计算机的显示屏上。下面 图4 3 给出了某一时刻倍频光的光谱图。 实验中，我们将步迸电机设定为每前进或后退2 秒钟就立即停止，实际上也 就是设定了步进电机运动的定长度。因为步进电机每运动一次，光谱仪就记录一 次光谱，所以在步进电机进行了一系列运动后，光谱仪也就记录下了一系列的二 维光谱图。将这一系y 0 - - 维光谱图迭加后就形成了以波长、时间和振幅为轴的三 维立体图，这就是我们需要的f r o g 谱图( 如图4 4 ) 。 笫p u 章实验及其结果分析 图4 3 某一时刻光谱仪记录f 的倍频光信号 图4 4 一系列二维谱线迭加屙得到的三维f r o g 图 笙型主壅堕墨丛丝墨坌塑一5 8 我们任意取一个高斯脉冲作为迭代运算的初始猜想值，在经过了区区2 0 次 迭代，耗时1 0 分钟，我们终于得到了由f r o g 方法计算出的脉冲振幅和相位( 如 图45 ) ， 1 0 0 t i m e ( f s ) 图4 6 由f r o g 方法得出的实验结果 依据上图我们可以直接得出脉冲的宽度和相位，脉冲的宽度为8 0 f s ，且是无 啁啾脉冲。该结果与传统方法得出的结果相差十几飞秒，我认为这是由实验本身 造成的。实际上，在测量脉冲时我们就发现，钛宝石激光器工作不十分稳定，由 示波器上来看，脉冲波形不稳，上下起伏明显。3 ：1 曲线法的测量只需一分钟 的时间，且短时间内脉冲能够相对稳定，所以脉冲起伏不会影响结果；而f r o g 方法的实验需要测量脉冲的一系列谱线，这势必会增加实验时间，脉冲的起伏就 会对测量结果构成明显影响，所以两种方法的测量结果有差异就是可以理解的 了。我相信如果被测脉冲如果能在较长时间内保持稳定