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四川大学硕士论文 皮秒激光传输特性及检测方案 研究生：黄强 专业：光学 摘要 指导教师：冯国英 随着激光技术及激光晶体材料技术的迅速发展，超短激光技术由于军事及 光通信的推动得烈了飞速发展。但是对于超短脉冲激光传输的特性尚有许多未 解释清楚的现象，超短脉冲激光的测试技术也没有得到相应的进步。本文基于 以上情况下，研究了超商斯皮秒光脉冲的传输特性，综合考虑了激光放大介质 中基质的克尔非线性效应、群速度色散、活性粒子的增益谱以及增益饱和对光 脉冲传播特性的影响。同时还设计了一套皮秒激光器的自动检测方案，用8 0 5 1 单片机与计算机的串口进行通信，控制激光器的电源，同时获取激光器的信息， 送回计算机中，编制软件对各个部分加以控制，实现了整套系统的自动化。 本论文包括以下几个方面的内容： 1 建立了超高斯皮秒光脓冲传输特性的分析理论模型，该模型综合考虑了 激光放大介质中基质的克尔非线性效应、群速度色散、活性粒子的增益谱以及 增益饱和对光脉冲传播特性的影响。对其进行数值模拟，分别讨论了色散、增 益谱、非线形、增益饱和效应的影响。从数值模拟结果可以看出：随着光脉冲 的传输，超高斯光脉冲的峰值由平坦逐渐变尖，强度半高由宽变窄，并且峰值 向脉冲前沿移动。同时超高斯光脉冲的非线性相移逐濒变大，且脉冲不同位置 的非线性相移不同。 2 对比研究了无啁啾超高斯皮秒光脉冲和有啁啾超高斯皮秒光脉冲的传输 特性，分析了啁啾对超高斯光脉冲传播的影响。得出了以下结论：当脉宽l o o p s ， 峰值光强1 g w c 1 2 的超高斯光脉冲在钕玻璃放大介质中传输时，由于脉冲谱宽 四川大学硕士论文 很窄，因此色散和增益谱的影响都很小，可以不考虑。由于光脉冲光强很大， 因此非线性效应和增益饱和对脉冲的影响较大，必须考虑。 3 分析了激光电源的工作原理及工作过程。本文用8 0 5 1 单片机与计算机的 串口进行通信，通过计算机控制激光器电源的通断、重复频率等参数。目前该 模块已经傲出，运行状况稳定。 4 设计了一套皮秒激光器的自动检测方案。该套自动检测的硬件平台结构 包括：个人p c 机( 带图像采集卡) 、皮秒激光器、c c d 摄像头、自动平移台，将 所有的控制用软件来完成。对于同步检测部分，分别使用了三种检测方案。一 种方案是使用鼠标触发的方式，这种实现方法最为简单，其原理是用光电转换 后的信号经可调节延时的硬件电路，触发鼠标而截取当前图像。省去了串口通 行部分的软硬件设计，但精度不高且容易受到干扰。第二种方案是使用光电管 将光信号转换成电信号，送入单片机中，单片机再将收到的信号通串口送入计 算机中。在软件编程时一旦检测到单片机发出的这个信号，立即截取当前图像。 这种实现方法精度很高，延迟的时间很小，但软硬件设计相对复杂些。最后 种方案是不用光电管，直接用软件控制延时。其思路是在软件中发出激光的同 时设置一个固定的延时量来截取图像，该固定的延时量通过实际的调试来确定。 该方案的实现也较为简单，但是在调试固定的延时量的时候比较费时。综上， 我们对同步检测方案进行了研究和实际的设计，对于皮秒激光器的自动检测有 一定的参考价值。 关键词：皮秒激光，群速度色散，增益谱，增益饱和，自动检测 i i 四川大学硕士论文 s t u d yo nt h ec h a r a c t e ris tic so fp r o p a g a tio na n dd e t e c tio n r e s o i u t i o nf o rp i c o s e c o n dl a s e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g ya h dt h en e w c r y s t a l ，t h ec r e a t i o na n d u s eo fu l t r as h o r tl a s e rp u l s e sg e tt r e m e n d o u s l yp r o g r e s s e si nt h ef i e l do fm i l i t a r y - a f f a i r sa n dt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s u n f o r t u n a t e l y , t h e r ea r em a n y u n k n o w np h e n o m e n o n sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r as h o r tp r o p a g m i o na n dt h e m e t h o d sf o rm e a s u r i n gt h e s ep u l s e sd o n th a v ec o r r e s p o n d i n gp r o g r e s s e s i nt h i s i n s t a n c e ，w er e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p a g a t i o no ft h eu l t r ag a u s s i o n p i c o s e c o n dp u l s e ，c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e m t e dt h ek e r rn o n l i n e a re f f e c t ，g r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o no f h o s ta n dg a i ns p e c t r u m ，g a i ns a t u r a t i o no f a c t i v ep a r t i c l eo f t h e l a s e rm e d i u m a tt h es a m et i m e ，w e d e s i g n e das e to fa u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h e p i c o s e c o n dl a s e r w eu s et h e8 0 5 lm c ut oc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ep cb yu a r t 8 0 51m c uc o n t r o lt h ep o w e rs u p p l yo ft h ep i c o s e c o n dl a s e ra n dc a p t u r et h es i g n a l o ft h ep i c o s e c o n dl a s e r , s e n d i n gt h e s es i g r l a lt ot h ep cb yu a r t w ep r o g r a m m e d t h ea p p l ys o f t w a r et oc o n t r o la l lt h ep a r t s s ow ea c h i e v e dt h ew h o l ec o n t r o l a u t o m a t i c t h et h e s i si sc o m p o s e di nt h ef o l l o w i n gp a r to f t h i sd o c u m e n t ： 1 d e d u c t e dt h et h e o r e t i c sm o d e la b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p a g a t i o no f t h eu l t r ag a u s s i o np i c o s e c o n dp u l s e f a c t o r ss u c ha s 。t h ek e r rn o n l i n e a re f f e c t ， g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o no fh o s ta n dg a i ns p e c t r u m ，g a i n s a t u r a t i o no fa c t i v e p a r t i c l eo ft h el a s e rm e d i u mw h i c hh a v ei m p o r t a n ti m p a c t so np u l s ec h a r a c t e r i s t i c s h a v eb e e nt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ns i m u l t a n e o u s l y w ed e s i g n e das o f t w a r et o s i m u l a t ei t ，a n a l y z e dt h ee f f e c t so fd i s p e r s i o n ，g a i ns p e c t r u m ，n o n l i n e a r ，g a i n s a t u r a t i o n s f r o mt h er e s u l to f t h es i m u l a t i o nw ec a ns e et l l a t 谢t l lt h ep r o p a g a t i o no f t h ep u l s e ，t h ep e a kv a l u eo ft h eu l t r ao a u s s i o np u l s ec h a n g en e e d l ef r o mp l a i n n e s s ， t h eh a l fi n t e n s i t yc h a n g en a n d wf r o mw i d ea n dt h ep e a kv a l u em o v ef r o mt h ef r o n t i l l 四川大学硕士论文 o ft h ep u l s e s i m u l t a n e i t y , t h en o n l i n e a rp h a s es h i f to ft h ep u l s eb e c o m e sg r e a t g r a d u a l l ya n dd i f f e r e n tp o s i t i o n so f t h ep u l s eh a v ed i f f e r e n tn o n l i n e a rp h a s es h i f t 2 ，c o m p a r a t i v es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s 。o ft h eu i 仃ag a u s s i o np i c o s e c o n d p u l s ep r o p a g a t i o nw i t ht h ec h i r po nt h eu l t r ag a u s s i o np i c o s e c o n dp u l s ep r o p a g a t i o n a n da n a l y z e dt h ee f f e c t so ft h ec h i r p w eh a v et h i sc o n c l u s i o n ：w h e nt h eu l t r a g a u s s i o np i c o s e c o n dp u l s ew h i c hp u l s ew i d t hi sl o o p sa n dp e a kv a l u ei n t e n s i t yi s 1g w c m 2p r o p a g a t ei nn d ：g l a s sl a s e ra m p l i f l y i n gm e d i u m ，t h ee f f e c to ft h e d i s p e r s i o na n dt h eg a i ns p e c t r u mi sv e r yl i t t l e ，s ow en e e d n tc o n s i d e ri t s b e c a u s et h e i n t e n s i t yo f t h ep u l s ei sv e r yh i 曲，t h ee f f e c to f t h en o n l i n e a ra n dt h eg a i ns a t u r a t i o n s i sg r e a ta n dw ec o u l d n ti g n o r ei t s 3 a n a l y z e dt h et h e o r yo fo p e r m i o na n dt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ep o w e r s u p p l yo fl a s e r w eu s et h e8 0 5 1m c u t oc o n a r n u n i c a t i o nw i t ht h ep cb yu a r t t h r o u g hp c ，w ec a nc o n t r o lt h el a s e rp o w e rt oc h a n g et h ew o r ks t a t e ，r e p e a t f r e q u e n c ye t c o ft h el a s e r n o wt h i sm o d u l ei sf i n i s h e da n dt h em o d eo fo p e r a t i o ni s s t e a d y 4 d e s i g n e das e to fa u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h ep i c o s e c o n dl a s e li tc o n s i s t so f p c ( w i t hv i d e oc a p t u r ec a r d ) ，p i c o s e c o n dl a s e r , c c dc a m e r a , a u t o m a t i ct r a n s l a t i o n p l a t f o r m w ep r o g r a m m e dt h es o f t w a r et of i n i s ha l lt h ec o n t r 0 1 w eu s e dt h r e e m e t h o d e st of i n i s ht h es y n c h r o n o u sd e t e c t i o n o n em e t h o di su s i n gt h em o u s et o c a p t u r ei m a g e t h i sm e t h o di ss i m p l ea n di tt h r o u g haa d j u s t a b l ed e l a yc i r c u i t ，w h i c h s i g n a lf r o map h o t o e l e c t r i cc e l l ，t os p r i n gm o u s et oc a p t u r et h ec u r r e n ti m a g e i nt h i s m e t h o d ，u a r tc o m m u n i c a t i o ni s n tu s e db u tt h ep r e c i s i o ni sn o ts oh i g ha n de a s i l y d i s t u r b e d t h eo t h e rm e t h o di su s et h ep h o t o e l e c t r i cc e l lt oc o n v e r tt h eo p t i c a ls i g n a l a n ds e n ti tt o8 0 51m c u 8 0 51m c ui m m e d i a t e l ys e n dt h i ss i g n a lt ot h ep cb y u a r t w h e np r o g r a m m i n gt h ea p p l ys 0 1 a r e ，p cc a p t u r et h ei m a g ei m m e d i a t e l y o n c ei td e t e c tt h i ss i g n a l t h ep r e c i s i o no f t h i sm e t h o di sh i g l la n dd e l a yt i m ei sl i t t l e b u tt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sr e l a t i v e l yc o m p l e x t h el a s tm e t h o di s n t u s et h ep h o t o e l e c t r i cc e l la n dd i r e c t l yu s e st h es o f t w a r et oc o n t r o ld e l a y w h e n p r o g r a m m i n gt h ea p p l ys o f t w a r e ，w es e taf i x e dd e l a y t i m et oc a p t u r ei m a g ew h e n e m i t t i n gl a s e r t h i sf i x e dd e l a yt i m ei sc o n f i t t n e db yp r a c t i c a ld e b u g g i n g t h i s 四川大学硕士论文 m e t h o di sr e l a t i v e l ys i m p l eb u ti ti sn o ts oe a s yw h e nc o n f i r m e dt h ef i x e dd e l a yt i m e w er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h es y n c h r o n o u sd e t e c t i o ns u m m a r i l y , a n di th a ss o m e r e f e r e n c ev a l u ei nt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no f t h e p i c o s e c o n dl a s e r k e yw o r d s ：p i c o s e c o n dl a s e r , g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，g a i ns p e c t r u m ，g a i n s a t u r a t i o n ，d e t e c t i o na u t o m a t i c v 四川大学硕士论文 第一章引言 1 1 皮秒激光器的发展历史研究 在1 9 5 8 年，即在微波激射器刚问世后不久，美国物理学家肖洛与汤斯就曾 卓有见地地指出“从原理上看，微波激射放大嚣和振荡器的工作频率可以超越 目前的射频范围，向红外区、可见光甚至更高频率扩展。这种技术表明了它在 高频区实现相干放大，产生强单色性辐射上具有诱人的前景。这种强单色性和 高强度的辐射所给出的高分辨率将远远超出目前光谱技术的极限。”可见，在 激光问世以前就已经被清楚地预见到，其单色性、方向性与高亮度将会给日益 显得陈旧的光谱学带来新的生机。而缩短波长更意味着测量目标精度的提高、 分辨率的增强以及信息传输量的增大。 在微波激射器的基础上，激光器很快地问世了。在汤斯向更短波长进发的 过程中，第一个目标是由毫米波段进入亚毫米波段。然而，在一开始他就遇到 了麻烦。首先，要使振荡腔的长度与波长相当，制造1 厘米以下的振荡腔非常 困难；其次，由于振荡腔的缩小，内含物质少又严重地限制了放大性能。在克 服这一困难的过程中，汤斯发现，若把波长缩短到红外或可见光区域，腔体尺 寸带来的杂散振荡反倒有可能随之减小，这使他倍受鼓舞。此时，汤斯的姻弟 肖洛( s c h a m o w ，a r t h u rl 1 9 2 1 ) 从光学中的f - p 干涉仪得到启发， 提出一个设想，即用一对反射镜代替封闭的谐振腔，以控制不必要的振荡模式。 1 9 5 8 年。肖洛与汤斯联名在物理评论上发表了重要论文红外与光激射器。 这篇论文不仅给出了受激辐射光产生的必要条件，而且还详细地论述了光激射 器的若干理论问题，论证了f - p 干涉仪代替谐振腔减少过剩波型及自激辐射的 机制，还提如了以钾蒸气为工作物质、钾灯为泵浦源的红外激射器的设计方案。 肖洛与汤斯的这一设想，使许多人纷纷加入激射器的研制中。人们意识到， 谐振腔的难题解决之后，重要的问题是如何实现反转分布，此外，选择工作物 质与泵浦源也成为重要的问题。汤斯认为钾蒸气实现的可能性最大。早在提出 设计方案前，他就已经着手试验了。肖洛则转向红宝石研究。前苏联列别捷夫 物理研究所的巴索夫则提出以半导体材料为工作物质的方案。除了光泵法以外， 四川大学硕士论文 贝尔实验室的贾万( j a v a n ，a 1 9 2 6 ) 提出放电法连续运转的氦氖激光器方 案。1 9 5 9 年9 月在纽约举行的首届量子电子学会议上，仅提交的激光器设计方 案就有数十份，设计者们都在加快步伐，一场激烈的竞争在激烈地展开着。 首先摘取激光器发明桂冠的是休斯飞机公司所属研究室的美国物理学家梅 曼( m a i m a n ，t h e o d o r eh a r o i d1 9 2 7 ) 。在梅曼随导师一起研究兰姆位移过 程中，梅曼曾提出利用反转分布使氢原子的不同能态间产生受激辐射的设想， 并以这一设想展开了他的博士论文利用波和光的双共振研究氢原子的激发 态。1 9 5 6 年，梅曼应邀到休斯飞机公司的一个研究所工作，致力于红宝石微 波放大器的研究，1 9 5 9 年8 月转而研制激光器。由于他对红宝石的经验，经过 一番选择后，他选用了掺钕红宝石晶体作为工作物质，以脉冲氙灯作为光泵， 终于在1 9 6 0 年5 月获得了成功。梅曼等人研制成功的第一台激光器的工作物质 是长2 c m 、直径l c m 的掺钕红宝石棒，它的两端被磨平后镀银，其中一个镀银面 中心有一个直径i m m 的透光孔，泵浦光源为螺旋形氤灯。“1 1 9 6 1 年夏，中国科学院长春光学精密机械研究所也研制成功了红宝石激光 器，从掺杂晶体的生长、冷光学加工、金属镀膜，到光学质量的检验，无不 是研究人员亲自动手进行的，泵浦氙灯也是我国自己制造的，并将螺旋管改为 直管型，成为至今流行的结构。 而从1 9 6 0 年激光出现以来，激光脉冲宽度的压缩一直是激光领域的一个重 要研究课题。调q 技术和锁模技术是窄化激光脉冲，提高脉冲峰值功率的最有 效、最实用的两种手段。 1 9 6 1 年，h e l l w a r t h 提出了调q 的概念用以实现脉冲激光的输出。所谓调q 就是指调节激光器的q 值，即在激光器泵浦的初期，把谐振腔的q 值调得很低， 使激光器暂时不满足振荡条件，雨在泵浦脉冲的激励下获得很高的粒子数密度， 这时再迅速调大谐振腔的q 值，此时反转粒子数密度远大于阈值反转粒子数密 度，激光振荡迅速建立，并达到很高的峰值功率，同时反转粒子数迅速被耗尽， 脉冲很快结束，这样就获得了具有窄脉冲宽度和大峰值功率的激光脉冲。同年， 他利用被动调q 技术在红宝石激光器上首次实现了脉冲宽度为几十个纳秒( i i s ) 的短激光脉冲输出。1 9 6 5 年，h w m o c k e r 同样利用此技术进一步将激光脉冲的 脉宽缩短到l o n s 以下。但是利用调q 技术所能得到的脉冲宽度的下限为2 l c ( l 为激光器谐振腔的长度，c 为真空中的光速，对于一般激光器来说约为l o 一 2 四川大学硕士论文 9 s ) ，所以利用该技术一般只能获得纳秒级的激光脉冲输出。 想要得到更窄的激光脉冲就需要用锁模技术。锁模也称为相位锁定，就是 使多纵模激光器各自独立振荡的纵模在时间上有序。它使各个振荡模之间的频 率差固定，而且各个振荡模之间具有固定的相位关系。因此激光输出为间隔是 2 l c 的规则脉冲序列但是输出脉冲宽度最窄可以为调q 脉冲宽度的1 ( 2 卅1 ) ， ( 2 n + 1 ) 为锁定的纵模数，而且脉冲的峰值功率较调日脉冲功率高出( 2 n + i ) 倍。在圆体激光器中，振荡模数量高达1 0 3 一1 0 4 个，所以单个脉冲的峰值功率 可以很高。因此锁模技术就成为了产生超短脉冲的主要方法。 激光器中锁模技术的发展为产生超短脉冲开创了一个新时代。被动锁模是 最早发展起来的一种锁模技术。1 9 6 5 年，m o c k e r 和c o l i i n s 首次实现了红宝石 的被动锁模。此后五年时间，又先后实现了钕玻璃和n d ：y a g 激光器的被动锁模。 在相当长的一段时间内，被动锁模是在自由振荡激光器中插入很薄的可饱和吸 收染料，利用染料的非线形吸收特性，将无规则的噪声脉冲鉴别并发展成为锁 模脉冲。同时通过对腔的优化设计，选择并控制合适的染料，溶剂，溶液浓度， 泵滴强度和其他激光器运转参量，可以提高锁模几率和稳定性。用有机染料实 现被动锁模的n d ：y a g 激光器的输出脉冲的脉宽般为几十皮秒。在被动锁模的 基础上加入一个主动调制器，构成主被动结合的锁模激光器，可以提高锁模的 稳定性和进一步压缩脉宽。 1 9 6 6 年，d e m a r i a 5 等在钕玻璃激光器上首次实现皮秒( p s ) 级的激光脉 冲输出。皮秒脉冲有两个特点：脉宽只有lo _ “秒。脉冲功率高。前者能直 接研究大部分瞬态基元反应，后者便许多过去无法实现的对极微弱的高阶菲线 性现象的观察成为现实。皮秒脉冲激光的作用有：用来泵浦反应物分子，使 其从基态激发到激发态。用来作探测手段，。探测激发态或其他中间物的瞬态 行为，测定它们的结构，为此需要采用双激光脉冲，即泵浦激光脉冲和探测激 光脉冲。两个脉冲的时间问隔应准确地加以控制，通常用光学延迟的办法，实 现同一激光脉冲两用的目的。 自皮秒脉冲出现以来，在瞬态激光光谱研究中，已有一系列激动人心的成 果，人们观测了大量的快速瞬态现象和超快的弛豫过程，如能级寿命测量、反 应动力学中的碰撞过程研究、生物过程等。用这项技术，还精确地测量了诸如 光子回波、光学章动、自由感应衰变、量子拍频等多种相干瞬态效应。这些效 四川大学硕士论文 应都是物质对快速激发或激发的猝然终止中产生的，它们难以在稳态光谱学研 究中，更不可能在传统光谱学中获得。皮秒激光脉冲技术仍在不断发展之中， 激光脉冲的脉宽己从皮秒级缩短至飞秒( 1 0 。5 秒) 级。美国贝尔实验室报道了 脉宽只有8 1 0 。1 5 秒、中心波长为6 2 0 纳米的激光脉冲，这样窄的脉宽已经达到 理论极限值，因为按海森堡测不准原理，在綮外和可见光范围内。时间分辨的 极限是1 0 1 5 秒量级，在x 射线区，极限为1 0 1 8 秒量级。 1 2 皮秒激光传输特- 陛及检测方案的国内外研究现状 超短激光脉冲的传播，是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一其研究 对象主要是具高度时间、空间相干性的高强度激光。影响激光脉冲传播的因素 很多，如自聚焦、自相位调制、群速弥散、介质吸收等非线性效应，这些因素 使问题复杂化。 讨论脉冲光通过一般材料的非线性效应时，应考虑时空域内许多要素。如 光束自聚焦、自相位调制、群带色散、衍射、吸收等，且时域与空域参数相互 影响。因此，在诸多因素影响下，准确研究脉冲光传播的行为特性是非常困难 的，尤其是实验条件难以达到很高精度，故实验操作显得十分重要。 激光出现以前，在线性光学范围内，描述电磁辐射在介质中传播的规律 一麦克斯韦方程，是一组线性微分方程。激光出现后，非线性光学中最基本的 理论依据，仍是麦克斯韦方程组。但其中出现了电场强度的非线性项，即非线 性麦克斯韦方程( n m e ) 。 超短激光脉冲在散射介质、聚焦介质、克尔介质、半导体介质、纤维等不 同非线性介质中传播的基本依据是n m e 。只有在具体介质中考虑某些主要因素的 条件下，才能求解其方程，从而得出传播规律。飞秒脉冲光的传播，自相位调 制效应的影响是非常重要的，有些介质自聚焦效应显著，所以必须考虑自聚焦 的影响。一些介质群速弥散效应较强，可将n 涟结合具体介质的光布洛克方程 来求解。有时直接由n f f , e 推出n s e ( 非线性薛定谔方程) 较为方便。解方程的方 法有一阶微扰法、比较法、傅立叶分解法等。实验所采用的措施更是不尽相同， 但光谱分析法是最常用的方法之一。超短脉冲激光通过非线性介质时存在非线 性效应。自相位调制效应使脉冲附加了依赖于时间的相位，有新频率产生；群速 4 四川大学硕士论文 弥散使输出脉冲增宽；自聚焦可能引起光涡旋或猝灭。总之，超短脉冲通过不 同非线性介质传播后，会出现失真与加宽。 目前，超短脉冲激光的传播及其应用的研究，还有许多问题尚待解决。理论 上需进一步探索物理机制及统一的理论框架；技术上则要从实验研究更多地转 向应用研究。人们期望能同时考虑较多影响因素来研究脉冲光的传播规律，这 样更接近于实际。 随着激光脉冲的不断发展，超短脉冲特性的测试也就显得越来越重要，对 测试技术也同时提出了新的要求。目前，脉冲时间分布测试的方法很多，主要 有光电采样法、直接测量光、双光子荧光法和自相关法。 光电采样法直观准确，但由于数字化波形分析器，特别是光电探测器的限 制，目前，只能用来分析脉宽i t s 以上的短脉冲及时问分布特性，还不能用于超 短脉冲的测试。 直接测量是借助条纹相机直接把激光波形显现出来。这种测试方法准确直 观，其时间分辨力较光电采样法有了很大的提高，达到皮秒量级，能满足一般 超短脉冲的测试要求。但测量范围只能到p s 量级。由此可见，该测量方法不能 用于飞秒级超短脉冲的测量，而且造价昂贵，难以满足一般测量的要求。 双光子荧光法的测量精度大约为l o l m ，分辨率约为十几f s ，而目前最短 的脉宽已达到6 f s 。因此，这种测试方法的测量范围难以满足当今测量超短脉冲 激光要求。 强度二阶相关法是利用原理相关法测量激光脉冲各种方法的统称，主要有 强度二阶自相关法、二阶自相关干涉法、强度三阶自相关法、三阶自相关于涉 法、高阶自相关法等等。这种方法的分辨率较前面那种方法的分辨率( 直接测量 法) 有一定的提高，达到大约l o f s ，能满足一般超短脉冲测试的需要。但是，分 辨率还是有限，而且由强度二阶自相关曲线可知，自相关函数曲线是对称的，不 能提供相位及脉冲形状的有关信息。该方法只有在知道脉冲形状的情况下，才能 知道测量结果。因此，一般情况下只有假定脉冲形状，才能得到对闯脉宽。由此 看来，此方法有很大的随机性。测量结果由假定波形的不准确引入的误差可达 1 5 。 尽管后来人们采用了各种办法解决有关对脉冲形状很不敏感及测量精度不 高的问题f 例如振幅四阶自相关法的峰值背景比为8 ：1 ，三阶强度相关达到 四j l l 大学硕士论文 3 2 ：i ，三阶干涉相关达至2 4 3 ：1 。自相关阶数越高对脉冲形状越敏感，峰值背 景比越大，测量不确定度越小；高阶自相关克服了假设脉冲形状和实际脉冲形 状不同而引入的误差) ，但是自相关阶数越高操作越困难，测量方法越难以实 现。毯前，这些方法大都停留在理论上。 1 3 本论文的目豹意义 本文针对皮秒激光的传输特性进行了理论分析，综合考虑了色散、增益谱、 非线形、增益饱和效应和啁啾的影响，对其进行了数值分析。还对于皮秒激光的 控制及全自动检测提出了一套方案，该方案对于皮秒激光的自动化检测有一定 的参考价值。 参考文献 1 壬士平当代物理学进展 2 申先甲主编，物理学史教程，湖南教育山版社，1 9 8 7 年 3 王加贤，张文珍高能量输出的皮秒n d ：y a g 激光器的研究光电子激光第1 4 卷第 2 期2 0 0 3 年2 月 4 1l o o nc h u n g a es i e g m a n o p t i c a lk e r re n h a n c e dm o d el o c k i n go fal a m pp u m p e dn d ： y a gl a s e r j i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 9 5 ，q 屯3 l ( 3 ) ：5 8 2 2 5 9 0 5 z h a n gg u a n 9 2 r o n g ，舡r u n gp i n g ，r e nj i a n p i n g ，e t a l s t u d yo i ll i f ：f _ 2c r y s t a1 qs w i t c hc h a r a c t e r i s t i c s j l a s e rj o u r n a l ( 激光杂志) ，1 9 8 7 ，8 ( 6 ) ：3 5 8 2 3 6 1 ( i n c h jn e s e ) 6 白光译晶体主动锁模皮秒激光器激光与光电子学进展 7 王大鹏谢世钟高以智周炳琨可调蓝光皮秒脉冲 高技术通讯2 0 0 0i 儿 8 g a l egm ，c a v a l a r im ，d r s c o l lt o p t l e t t ，1 9 9 5 ，2 0 ：1 5 6 2 9 3b o s e n b e r gwr ，p e l o u c hws ，t a n glc a 印p h y s l e t l ，1 9 8 9 ，5 5 ：1 9 5 2 1 0 k o g e l n i khw ，i p p e nep ，d i e n e sa ，e ta 1 ，e e e ，o u a n t u r a 即e c t o n ，1 9 7 2 ， 0 e 2 8 ：3 7 3 1 1 张行愚等c r 4 + ：y ag 调q 特性的理论和实验研究光学学报，1 9 9 8 ，1 8 ：1 1 8 0 1 2 r o b e r tw i l b r a n d th o r s tw e b e r f l u c t u a t i o n si nm o d el o c k i n gt h r e s h o l dd u et o s t a t i s t i co fs p o n t a n e o u se m i s s i o n i e e ej q u a n t u me 1 e c t r o n ，1 9 7 5 ，o e l l ：1 8 6 1 3 jg e o f f r e yt tcn e w 弛e o r yo fp a s s i v em o d el o c k i n gi ng i a n tp u l s c1 a s e r p r o c e e d f n g so ft h ei e e e ，t 9 7 9 ，6 7 ：3 8 0 6 四川大学硕士论文 f 1 4 王加贤等c r 4 + ：y ag 在对撞脉冲锁模的nd ：y ag 激光器中实现被动锁模的研 究光学学报，1 9 9 8 ，1 8 ：9 8 3 1 5 m i d e m c h u ke t a c h r o m i u md o p e df or s t e r i t ea s as o l i ds t a t e s a t u r a b e a b s o r b e r o p t i c s l e t t ，1 9 9 2 ，1 7 ：9 2 9 1 6 jq i n g y u ew a n g ，w e i l iz h a n g p u l s es h o r t i n ga n ds p e c t r a b r o a d e n i n gb yp e r i o d i c p u l s e t r a i na m p l i t u d em o d u l a t i o nj nas e l fm o d e l o c k e d ti ：s a p p h i r el a s e r 。j o p t i c s s o c am b ，1 9 9 7 ，1 4 ：1 8 8 1 1 7 a l p h a ns e n n a r o g l ue ta 1 e f f i c i e n tc o n t i n u o u sw a v ec h r o m i u md o p e dy a gl a s e r j o pt i c s so c am b ，1 9 9 5 ，1 2 ：9 3 0 1 8 v i t t o r i am a g nje ta 1 abc dm a t r i xa n a l y s i so fpr o p a g a t i o no fg a u s s i a nb e a m s t h r o u g hk e r rm e d i a 0 p t i c s c o m m ，1 9 9 3 ，9 6 ：3 4 8 1 9 g e o r g i e vd ，h e r r m a n nj ，s t a m mu c a v i t d e s i g nf o ro p t i m u mn o n l i n e a r a b s o r p t i o ni nk e r r 2 l e n sm o d e 2 t o c k e ds o l i d s t a t el a s e r s 国c o m m u n ，1 9 9 2 ，9 2 ( 4 ，5 ，6 ) ：3 6 8 3 7 5 2 0 a 1 f r e yaj m o d e l i n go fl o n g i t u d i n a l l yp u m p e dc wt i ：s a p p h i r el a s e r o s c i l l a t o r s i e e e 工血a n t e l e c e r o n 1 9 8 9 ，2 5 ( 4 ) ：7 6 0 7 6 6 2 1 m i n gl a i ，s e l f 2 s t a r t i n g ，s e l f 2 m o d e 2 1 0 c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r t 肠t ， 1 9 9 4 。1 9 ( 】0 ) ：7 2 2 7 2 4 7 心川大学硕士论文 第二章无啁啾超高斯皮秒光脉冲传输特性分析 2 1 引言 惯性约束聚变i c f ( i n e r tc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 固体激光驱动系统在军事上 具有很高的价值，因此各国都把它作为战略发展技术来对待，可以说，i c f 高功 率固体激光装置己成为反映一个国家综合科技实力的重要标志之一。在i c f 固 体激光驱动系统中，用于研究激光聚变的固体激光器采用钕玻璃作为激光工作 物质，该激光器产生1 0 5 p m 的激光，激光放大后经磷酸二氢钾( k d p ) 晶体信频 后获得0 3 5 u m 的光波。钕玻璃激光系统经历了个从简单到复杂，从小型到 大规模不断发展的过程，在这个过程中，每一台新的激光系统的建立，都伴随 着系列新技术的采用，从而使系统的性能得到了不断的完善。放大器系统是 大型高功率固体激光系统的主要组成部分之一，它不仅在总造价中占很大的比 例，而且对系统的总体性能有着重要影响，因此，在高功率钕玻璃激光器2 0 多 年的发展过程中，世界上许多著名实验室都在致力于对系统进行优化设计，以 获得更高的性能价格比，并取得了一定的成果。 玻璃和其它固体激光基质材料相比，有许多不同的特性，比如：玻璃为各 向同性介质，它可以非常均匀地掺入很高浓度的杂质，而且可以制成各种形状 和尺寸。从激光性能来看，玻璃激光器与晶体激光器的两个主要区别在于，a ： 玻璃的热导率远低于大多数晶体基质。b ：玻璃中离子的固有发射线宽比晶体中 的宽。虽然它会增加阈值，但其宽线宽将提供获得并放大短光脉冲的可能性。 此外，对于相同的线性放大系数，它容许在放大介质中贮存更多的能量，因此， 玻璃因其大尺寸、物理参数的适应性以及宽的荧光线宽更适用于大能量的脉冲 工作。 钕玻璃放大介质是在玻璃介质中掺入n d “离子。由于磷酸盐玻璃与硅酸盐 玻璃相比增益系数较高，非线性折射率较低，因此在i c f 固体激光驱动系统中 采用磷酸盐玻璃，它掺 留“浓度约为3 0 1 0 ”啪- 3 。 钕离子在玻璃中属于四能级系统，其荧光线宽对温度的变化相当不灵敏， 从室温到液氮温度只降低1 0 ，那么钕玻璃激光器有可能工作在一1 0 0 一+ 1 0 0 。c 四”大