超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性本科毕业设计

1、10 / 11超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性摘要本文研究了超短脉冲在介质中传输的基本理论知识，进而更深一步的了解探究超短脉冲在介质中 传输时所引起的一些非线性效应，主要是研究自相位调制效应以及群速度色散效应以及啁啾对脉宽和 光谱特性在传输过程中的影响。通过实验，研究一些非线性效应的影响下超短脉冲的脉宽和光普特性 是如何展宽和压缩的。传输特性取决于最近的色散长度Ld和非线性长度Lnl。Ld和Lnl是激光在介质中传播时，脉冲宽度的演变量。用Ld和Lnl可以衡量在传输过程中，群速度色散效应（ GVD和自相位调制效应，哪个影响占主导地位。群速度色散效应（GVD）引

2、起的脉冲展宽对脉冲沿的陡度是十分敏感的，自相位调制效应（SPM）主要影响脉冲的频谱。关键词：群速度色散，自相位调制，脉宽压缩11Pulse width and spectral characteristics in the process of amplification of ultrashort laserpulseAbstractPulse,laser has developed into a prosperous front scientific. This paper studies the basic theory of kno wledge in the ultrashort p

3、ulse tran smissi on medium.So and a deeper un dersta nding of some non li near effect caused by ultrashort pulse transmission in the medium.Its mainly to study the self-phase modulation (SPM)and group velocity (GVD)and the effect of the chirp.To studies these effects on the pulse width and spectral

4、characteristics in the amplication and propagation process.Studies on some non li near effects by experime nt,to know how the width of ultrashort pulse broade ning and compressi on in the process.Transmission properties mainly depended on the dispersion length and nonlinear len gth.The dispers ion l

5、en gth and non li near len gth of laser propagati on in a medium amont of pulse width evolution . The dispersion length and nonlinear length can determine the group velocity dispersion(GVD) and self phase modulati on (SPM)effect which occupies the dominant positi on .Pulse broade ning caused by grou

6、p velocity dispersion on the pulseedge is very sensitive,Since the main effect of pulsed phase modulati on effect.KEY WORDS:gvd,spm,pulse compressio n目录超短脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性 1致谢 错误！未定义书签。摘要 1Abstract 2目录 错误！未定义书签。1 .引 言 61.1研究的意义 72 .激光脉冲放大过程中的脉宽和光谱特性 82.1超短脉冲传输的基本理论知识 82.1.1脉冲宽度和光谱宽度 82.1.2光脉冲电场的表示 82.

7、1.3光脉冲传输的方程 82.2超短脉冲激光在传输和放大过程中的自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应（GVD）对脉宽和光谱的影响 92.2.1自相位调制效应和群速度色散效应 92.2.2SPM与GVD在超短脉冲激光在放大过程中对脉宽和光谱特性的影响。.103.结论 11主要参考文献： 121. 引言这几年以来，随着科学技术的发展，及我国综合国力的提高，对超短脉冲激光的研究，已经 进入了一个全新的领域。脉宽已经达到几个光学周期周期的水平。其应用广泛，是许多研究的重 要工具。超短脉冲激光成了科学世界的前沿话题。研究超短激光在其传输以及放大过程中由放大 器窗镜引起的自相位调制效应以及群速度色散等

8、非线性效应对激光脉冲的脉宽带宽及光谱的影响。 从而可以根据研究找出这些非线性效应对脉宽及光谱的影响机制，采取对应的科技手段，按人类 及研究的需要。对超短脉冲激光进行人为的压缩和放大，服务人类，因此这项研究具有深远的意 义。超短脉冲激光在其传输过程和放大过程中，当其在介质中传播时，会有一些非线性效应发生。如自相位调制及群速度色散效应。这两种非线性效应，会使超短脉冲激光的光谱产生压缩或放大 的效果。因此对超短脉冲的激光的真实性会产生影响，因此不便于研究其真实性。为了更好准确 地研究超短脉冲激光，我们要人为地消除一些非线性效应对脉宽及光谱的影响。通过多年的光科 学探究、分析、及推导，得出了实验条件对

9、光谱和脉宽真实性的影响，以便在今后实验条件的控 制减弱非线性效应的影响。实验室一般采用棱镜介质减弱非线性效应，对脉宽进行压缩和放大。 对过实验研究我们得出结论。在放大的过程，自相位调制与群速度色散效应对脉宽的展宽程度有 相加强的作用，有些非线性效应，如介质的增益和窄化效应，以及SPM效应，对超短脉冲激光的输出带宽的影响很小。由于可以引入啁啾补偿，所以对超短脉冲激光脉宽进行压缩和放大是可行 的，这也为该论题的研究提供理论基础。1.1研究的意义：在介绍研究意义之前，首先让我们来认识一下什么样的脉冲激光叫做超短脉冲激光。一般来 说脉宽小于 (1ps=10 -12 s )量级的脉冲叫做超短脉冲激光。又

10、因为超短脉冲激光在放大过程易 产生一些非线性效应，如自相位调制(SPM)效应，各群速度色散效应( GVD)，这些效应可以引起超短脉冲激光的脉宽和带宽的大小。因此我们可以通过研究该论题，得出非线性效应影响超 短脉冲激光在放大过程中脉宽和光谱特性的机制，近而可以得出结论。以便今后可以通过人为的 改变实验条件，来减小超短脉冲激光在介质中传输时非线性效应如SPM和GVD对脉宽和光谱特性的影响。从而可以将超短脉冲激光可以在人类的控制下得到最大的应用和利用，从而可以更好 地服务于人类。例如人类已经通过研究得到了一种宽带掺钡宝石激光晶体。这使得超短脉冲激光得到了迅速的发展。对超短脉冲的研究从古到今，超短脉冲

11、在带宽上可以小于4fs(1fs=10 -15s)。这使得激光脉冲的峰值功率很大很大，这样的光波的光强很大。因此可以通过对超短脉冲激光的研究我们可 以得到高功率，高光强，高能量的激光。这便人类获得了高能光源成为可能。这种超高功率，超 高聚焦光强的激光是探索在十分特别条件下物质行为的重大科学研究的基本手段。通过CPA核心技术，这使得建造峰值功率 1PW CPA的装置技术日趋成熟。从便用此装置在将来更好地服务于人类。由此可见对超短脉冲激光放大过程中，脉宽和光谱特性在前人的研究上更加深一步的研究,人类必会了解，发现探索出更加惊人的成果，服务于人，加深人类对超短脉冲激光的本质认识。2. 激光脉冲放大过程

12、中的脉宽和光谱特性2.1超短脉冲传输的基本理论知识在介绍超短脉冲激光在介质中传输的基本理论知识之前，让我先认识一下什么叫超短脉冲激光的 脉冲宽度和光谱宽度。让我们来了解一下这两个概念是否表示同一物理量的区别，二者的区别空间在 哪里呢？以及与超短脉冲激光相关的物理量，如光脉冲电场的表示及含义等等。2.1.1脉冲宽度和光谱宽度在物理学中，光脉冲宽度rp定义为光脉冲强度分布最大值1/2的全宽度(FWHM),而光脉冲的光谱宽度 Wp则定义为光脉冲强度分布的全宽度即(FWHM)。同样，对光脉冲宽度和光谱宽度可以有不同的定义。光脉冲宽度可以有另一种定义：脉冲宽度T为脉冲强度分布最大值 1/2的1/e,而光

13、谱宽度 W为光谱强度最大值的1/2的1/e倍。由于光脉冲电场的时间和光谱特性可以通过傅里叶变换，找到两者之间的关系。即光脉冲和光谱特性可以通过傅里叶变换彼此相关的。因此光谱宽度和脉冲宽度不可以单独变化的。光谱宽度和脉冲宽度满足关系：(1) (2)式中Cb=0.441,T o= p/(对高斯波形分布)2.1.2光脉冲电场的表示电磁场光波及电磁波可以用电场随时间和空间的变化来完全表示出来。光波电场则可以表示为:(,t)=-以上是光波电场的向量表示，光波电场同样可以用复数的形式表示出来，- (5)含时间t，因此我们可以看为横轴x方向振动光的单位矢量。用复数电场表示的电场包络可以表示为用上式电场包络的

14、表达式，我们可以看出，它的幅值为，由于出幅值为时间t的函数，不是恒定值，是随时间 t时刻变化的；向量是与时间t有关的相位，为载频频率。瞬时频率且，载频则应修正为若=f(t)表示频率随时间t的变化；是t的函数，则与此种光电场对应的光脉冲叫做啁啾脉冲。这里我们便引入了一个新的概念。啁啾有正负之分。负啁啾定义为;正啁啾时这在F面超短脉冲激光在介质中传输时的非线性效应里还要介绍啁啾方面的知识。2.1.3光脉冲传输的方程光脉冲的传输，实际上就是光这种物质在介质中的运动。我们知道，物体的运动都具有一定的运动规律，不管是什么形式的运动，人们的智慧则可以总结规律得到更一般的运动方程。以便可以根据运动方程一目了

15、然地概括出物体做运动的性质及规律。在这里我们主要介绍下光脉冲传输的方程。光脉冲在介质中的传输，由于光脉冲也是一种电磁信号，所以光脉冲在介质中的传输遵从麦克斯韦方程；又因为光也是由物质粒子构成的，所以光脉冲在介质中的传输遵循物质方程。2.2超短脉冲激光在传输和放大过程中的自相位调制效应（ SPM和群速度色散效应（GVD对脉 宽和光谱的影响2.2.1自相位调制效应和群速度色散效应自相位调制效应：”在时域内，光场较强时介质的折射率将随光场幅度变化这种变化将又通过介质的传 输常数转化为传输相位随光场幅度的变化，由于光在介质中传输时光场的幅度将会不停地变化，与此 同时自然会引起传输相位的调制变化。这现象

16、在光学中叫做自相位调制效应。简称SPM. ”（王中阳，1997, 24（ 8） : 715720）群速度色散效应：光脉冲在介质中传输时，介质的色散作用不同频率的波脉冲将以不同的群速度传输，这种现象叫做群速度色散效应。简称GVD.”王中阳，1997, 24（ 8） : 715720）2.2.2 SPM与GVD在超短脉冲激光在放大过程中对脉宽和光谱特性的影响。线性传输的群速度色散效应。绝大多数介质在超短脉冲时间大小尺度时开始显示出群速度色散效 应。女口 1cm的光学玻璃将使100fs的脉冲色散展宽约 200fs。而对于更短周期量级的超短脉冲，气体 的色散也必须被计及，如3m的空气将使5fs的被展宽

17、约为15fs;群速度色散效应（GVD）,会展宽脉宽。 当色散长度Ld远远地长于介质长度 L及非线性长度Lnn时，也就是当脉冲的宽度较宽的时候，结果影 响正是如上讨论。当脉冲变窄，并且其色散长度可与介质的长度相比较差不多的时候，脉冲在介质中 的变化，就要考虑自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应（G VD ）之间的相互作用。由于放大器窗镜折射率随光强的变化将会导致自相位调制效应（SPM ）自相位调制效应，会使光谱宽度变宽，且会使光谱产生一定大小的相移。自相位调制效应（SPM ）和群速度色散效应会相互作用，会加速超短脉冲激光的展宽快慢。GVD与SPM之间的相互作用会引起超短脉冲激光的一新的特点。

18、色散长度Ld和非线性长度Lnl。Ld和Lnl是超短脉冲激光在介质中传播时，脉冲宽度的演变量。 用Ld和Lnl可以衡量在传输过程中。群速度色散效应（ GVD）和自相位调制效应，哪个影响占主导地 位。如果是在反常的色散区域。那么群速度色散效应和自相位调制效应的相互作用将会导致形成抓子； 如果是在正常的色散区域，则自相位调制效应（SPM）及群速度色散效应（GVD）的相互作用则可以压缩光谱的宽度。现在我们同时讨论自相位调制效应（SPM）和群速度色散效应（GVD）的作用情况下，讨论这两种非线性效应对脉宽和光谱的影响。一般有如下公式成立， （8）上式中分别为归一化长度变量和时间的变量。-,;物理中定义参量

19、为：一（9）从上面的议程我们可以看出 N决定着在超短脉冲激光传播及演化的过程中，自相位调制效应和群 速度色散效应，哪个效应起作用呢？这主要由量N决定的：当N1时，群速度色散效应起主要作用。当N1时，自相位调制效应起主要作用。当N 1时，群速度色散效应和自相位调制效应将会同时起作用。群速度色散效应和自相位调制效应的相互作用，将会与群速度色散效应及自相位调制效应的单 独作用进的行为存在明显的不同及区别。在正常的色散介质中，SPM的存在作用加速了仅有自想念调制SPM时，对脉宽宽度的展宽效果。原因就在于自相位调制效应SPM作用产生脉冲前沿附近的红移效果。而在脉冲的后端沿附近将产生蓝移的现象。红移分量比

20、蓝移分量传输的快。这样自相位调制 SPM效应引起的新的频率将会被群速度色散效应弥散。下面主演研究一下高阶群速度色散导致脉冲的 展宽。在很多情况下，往往研究低阶色散引起的群速度色散对高斯及类高斯脉冲宽度的影响，但是对于 某些色散波长，非线性光学晶体存在零色散。即在Ld附近有低阶色散，则高阶色散 对群速度的色散占主导地位。即阶级较小近似为零的时候，高阶级的色散是引起色散的主要原因。对于脉冲宽度小于100fs的超短脉冲，即使在的情况下，也需要考虑高阶色散的影响。同时考虑到二阶 以及二阶作用，同时忽略介质的非线性作用时，超短脉冲在介质的传播波方程为：- (10)又由傅里叶变换可得到： - - , (1

21、1)式中的(12)是z=0处入射光脉冲的的傅里叶变换。由上式可以看出得出结论：超短脉冲在介质中的传输特性取 决于群速度色散参量 2， 3,又因为2， 3取决于波长；为了比较高阶色散对超短脉冲传输过程中的作 用的大小。则根据低阶色散长度Ld定义了高阶色散时的作用长度。高阶色散项的作用，高斯脉冲的对称性将被破坏，出现了边频振荡，在连续振荡结构中强度最小值将会消失减到零。当时，这种振荡将 明显的减弱。振荡结构将几乎消失但脉冲会出现了拖尾现象，即有了更长的后沿。当2进一步增大时由于高阶色散的作用将逐渐减弱，脉冲将保持高斯形不变。3. 结论总之群速度色散效应（GVD）引起的脉冲展宽对脉冲沿的陡度是十分敏

22、感的。有较短前后沿的超短 脉冲在传输过程中更容易展宽。因为这种脉冲在开始就有较宽的谱款。在群速度色散中低阶群速度色 散起主要作用，但是这并不代表着高阶色散就不会对脉冲产生影响，高阶色散对超短脉冲脉宽的影响 因子与传输距离和色散距离有线性变化的关系。(SPM)自相位调制效应（SPM）主要影响脉冲的频谱。其实在超短脉冲传播的时候，自相位调制效应 与群速度色散效应（GVD）是同时存在的，不是单独对脉冲进行作用的。在超短脉冲传输的时候啁啾也 是影响脉冲传输特性的主要因素。在这里我们主要研究了SPM与GVD两个效应的作用效果。主要参考文献：【1 】.Wang Z H et al 2003 Acta Ph

23、ys . Sin. 52 362(in Chinese)王兆华等2003物理学报52 362【2 . Dorrer C 1999 Opt . Lett . 24 1532【3 . Dorrer C 丄ondero P and Walmsley I A 2001 Opt . Lett . 26 1510【4 . Yang H et al 2001 Acta Phys . Sin. 50 1930(in Chinese)杨 辉等2001物理学报50 1930【5 . Yang L et al 2003 Chin. Phys . 12 886【6. C . P. Hua ng , H. C. ka ptey n, J. W . M el ntosh et al. G ener ation oftr ansfo rm- L im mited 32- fs pulses fr om