光学脉冲整形方法的发展

光学脉冲整形方法的发展

自发明以来，由于超短脉冲技术在高速光学系统、全光开关、超快光谱学和非线性光学光学等领域具有广阔的应用前景，人们对产生皮秒甚至飞秒超短脉冲产生了很大的兴趣。最近几年,在产生超短光脉冲技术方面已经有了很大的进步。但是,通过压缩获得的超短脉冲往往有很宽的基座,另外,许多应用不仅要求超短光脉冲,而且对脉冲的形状也有特定要求,因此需要通过整形技术对脉冲进行整形。超短光脉冲的整形对不同的非线性光学过程有很大的帮助,如暗孤子的形成。在全光开关系统中,为了避免高强度的脉冲突变,需要通过脉冲整形消除脉冲中不需要的频率成分,产生更高阶的孤子。在高功率激光系统中,针对不同的实验要求,通过对前级激光脉冲进行整形,输出不同形状的激光脉冲,可以大大提高激光脉冲能量的利用率。半导体激光器由于超小型、高效率和高速工作的优点,是当前光通信领域中发展最快和最为重要的激光光纤通信的光源。但是,半导体激光器发出椭圆高斯光束,而大多数应用需要圆形光束,必须将椭圆光束整形变成圆形光束。目前,许多方面已经应用飞秒脉冲整形系统,产生特定形状的光脉冲。脉冲整形根据使用的调制器和整形的原理可划分为电光晶体原理,双折射原理和傅立叶变换原理三大类整形系统。1在传播特性的影响用电光晶体进行脉冲整形主要有两种方式:一是对电光晶体进行调制,通过外加电场在晶体中产生电光效应,使导波光的传播特性发生变化而达到调制的目的;二是利用电光偏转器的偏转特性,使得不同时刻的激光脉冲通过不同的空间位置,改变空间位置光通量的透过率,可达到激光脉冲整形的目的。电光晶体空间光整形方法是针对特定输入光束(如均匀或高斯光束)的切趾光阑进行光束空间整形,但是由于实际应用中输入的光束并非是这样的理想型光束,此方法存在一定的局限性。1.1加在调制器上的电脉冲冲设计通常的电光调制器结构如图1所示,输入光波经一段路程后在第一个Y分支处被分成两部分,每一部分分别通过光波导的二个支路,然后在第二个Y分支处汇合成一个光波。设计要求光在第一个Y分支处被分成完全相等的两个分量,即光在两分支路的光程差相等,而且光强相等。由于加在调制器上的电压大小与输出光强有严格的对应关系,因此,通过适当选择加在调制器上的工作电压,能够使得当加在调制器上的是一个一定形状的电脉冲时,输出的是一个相应形状的光脉冲。电光调制器,可以很容易的雕塑长的连续脉冲;但由于调制器输出的整形激光脉冲的形状和宽度主要取决于输入调制器的整形电脉冲的形状和宽度,它在飞秒领域内无法使用。1.2光电偏转器脉冲整形由于电光偏转器的独特性能,它已成为高功率激光脉冲整形系统中的关键器件。用电光偏转器对激光脉冲进行削波既降低了对驱动电脉冲的要求提高信噪比,又能很容易削出脉宽可调的窄激光脉冲。目前已经报道的利用电光偏转器的脉冲整形技术,可以获得宽度为几个纳秒到几十个皮秒的可调整形激光脉冲。电光偏转器整形的原理是利用两块相同的电光偏转器,当激光脉冲入射到第一块电光偏转器时,在其上加一高压电脉冲,由于电光效应,偏转器的折射率将随着电位梯度的变化而变化,从而激光脉冲在整个时间包络内不同时刻的分量将被偏转不同的角度,于是整个脉冲的时间特性转换为空间特性,在空间范围内形成一条扫描线,在扫描线上放置小孔进行光束滤波;再利用第二块电光偏转器复原扫描线,得到所需时间宽度的整形激光脉冲。2tp的基本原理因为强脉冲能引起非线性双折射,而且光脉冲通过光纤和检偏器时,其透射率和强度有关,可以用此双折射理论来修正脉冲形状。考虑一入射光束与光纤的一个主轴成θ角的线偏振情况,两偏振分量间的相对相移ΔϕNL为ΔϕNL=(γP0Leff/3)cos(2θ)(7)ΔϕΝL=(γΡ0Leff/3)cos(2θ)(7)当θ≠0时,这一相移使得部分功率透过检偏器。注意到Ax=P0−−−√cosθexp(iΔϕNL),Ay=P0−−−√sinθ(8)Ax=Ρ0cosθexp(iΔϕΝL),Ay=Ρ0sinθ(8)总的透射场为At=P0−−−√sinθcosθ[1−exp(iΔϕNL)](9)At=Ρ0sinθcosθ[1-exp(iΔϕΝL)](9)透射率为Tp(θ)=|At|2/P0=sin2[(γP0L/6)cos(2θ)]sin2(2θ)(10)Τp(θ)=|At|2/Ρ0=sin2[(γΡ0L/6)cos(2θ)]sin2(2θ)(10)对于一给定的角度θ,Tp与功率P0有关,所以产生脉冲整形效应。根据这种原理制作的非线性光纤耦合器和干涉仪,如萨格纳克干涉仪能反射低强度信号而毫无影响地透射高强度信号。若短脉冲含有较宽的低强度的基座,通过这种器件就可以消除基座。几个萨格纳克环串联,能显著提高这种干涉仪的脉冲整形能力。非线性效应可以实现整形的目的,但非线性系统本身对功率非常敏感,操作中要求很苛刻,在低功率的系统中无法使用。3频率响应函数的输出函数ess使用可编程的空间光调制器进行脉冲整形技术,已经成为对超快科学研究和光通信领域应用地一种有力的工具。目前普遍采用4f结构脉冲整形系统,因为这种结构不会给输出脉冲带来色散。在频域范围内,滤波器由频率响应函数G(ω)表征。线性滤波器的输出函数Eout(ω)是输入函数Ein(ω)和频率响应函数G(ω)的卷积结果。Eout(ω)=Ein(ω)*G(ω)(11)Eout(ω)=Ein(ω)*G(ω)(11)Ein(t),Eout(t),和g(t)分别是Ein(ω),Eout(ω),和G(ω)的傅里叶变换。如G(ω)=∫g(t)eiωtdt(12)g(t)=12π∫G(ω)eiωtdt(13)G(ω)=∫g(t)eiωtdt(12)g(t)=12π∫G(ω)eiωtdt(13)如果输入的是δ函数,输入频谱Ein(ω)等于1,输出频谱是滤波器的频率响应,因此,依据傅里叶变换关系,根据要求的频率响应设计滤波器,可以产生需要的波形输出。3.1群里叶变换原理光栅透镜对空间滤波整形系统如图2所示,光栅把脉冲展宽,使不同的频谱成分衍射到不同的空间位置。准直透镜和反平行光栅对按照4F结构放置(F是准直透镜的焦距),在这个4F系统的中央,放一个特别设计的调制器。输入超短脉冲中的不同频率成分被第一个衍射光栅衍射到不同的角度,小角度衍射的光线在第一个透镜的后焦面上聚焦成有限的点,频率成分在一维空间上被分开。实际上,第一个透镜起傅里叶变换的作用,把由光栅衍射的不同角度的光线转换成在后焦面上空间分离的光线。调制器由两个可变的狭缝构成,两个狭缝之间的距离可调。调制器能从固定的频谱宽度中选择两个特定的波长。通过调节狭缝的宽度可以改变飞秒脉冲的频谱宽度。第二个透镜起反傅里叶变换的作用。最后,第二个光栅放在距第二个透镜距离F的位置上,把频率重新组合,成单一的平行光束,输出整形脉冲。3.2声光调制器的设计声光调制器脉冲整形系统由一对光栅、声光调制器和一对透镜以4F结构放置。声光调制脉冲整形技术使用大孔径的TeO2或InP声光调制晶体,在零色散傅立叶平面的中心以布拉格角定向。整形的射频信号驱动声光调制器的换能器,在晶体中产生声波,射频信号在晶体中以声速传播,比光速小很多,这时的声波像一个固定的已调制的衍射光栅,每一点的每个位值的声波振幅和位相决定衍射效率和位相变换。声光调制器放在傅立叶平面的中央,对输入激光脉冲进行振幅和位相的调制。被调制的光谱再由第二个透镜会聚,第二个光栅重心结合。射频信号的振幅和频率完全控制着输出脉冲的形状。因此,根据傅立叶变换理论,对脉冲施加任意的调制,可以得到实时的任意形状的脉冲。声光调制器提供最大的空间带宽,但是它的衍射效率一般比较低,不能在高重复速率系统中应用。而且,低于50fs的范围内没有声光调制器的报道。3.3海水淡化工程的光学调制特性液晶调制脉冲整形结构如图3所示,系统由两个衍射光栅,一对单位放大共焦凹球面镜,两个零级半波片和一个液晶调制器组成。一对光栅放在球面镜焦平面上,光波通过第一个光栅后,频率在空间上被分开。这种结构用镜子代替消色散透镜,可以避免不利方波色散效应。方波色散效应使短脉冲变形,且限制脉冲整形能力。每个镜子的入射光束和反射光束间保持10o左右的夹角来减小器件的散光。液晶调制器根据输入的垂直偏振光束设计,半波片调整光栅和液晶调制器之间的偏振状态。由于水平偏振光要求有好的衍射效率。第一个半波片把入射光束旋转90o,得到调制器要求的垂直偏振态,第二个偏振片把垂直偏振态转回水平偏振态,和第二个衍射光栅匹配。现在最通行的电寻址液晶空间光调制器是薄膜晶体管透射阵列式液晶电视,这种电寻址液晶空间光调制器能方便地与计算机接口,在设定的光学调制模式下,实现相应的单元像素的振幅或相位的调制。液晶空间光调制器主要是通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现对入射光束的波面振幅和相位的调制,即其光学调制特性主要是旋光偏振性和双折射性。对应于不同的控制像素,通过调整分离的频谱,改变输出脉冲的形状。液晶空间光调制器是目前飞秒脉冲整形装置中应用最广泛的空间光调制器,可以整形低于15fs的脉冲。但是,当产生实时高速脉冲序列时,液晶空间调制器整形的方法必须进行复杂的傅里叶变换计算。4dst脉冲整形系统傅立叶变换脉冲整形是一种普遍接受的可产生近似任意形状光脉冲的方法,包括高速脉冲序列。尽管傅立叶变换整形很成功,但当产生实时的高速脉冲序列时,这种方法必须进行复杂的傅立叶变换计算。最新的系统,直接空时(directspace-to-time,DST)脉冲整形系统,目的是产生可以重新编程的高速光脉冲序列,应用一个从空间模式的超短脉冲到时域光波形的直接映射,消除了复杂的计算。DS