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文档简介
1、飞 秒 激 光,光电子科学与工程学院 王可嘉,第二讲 脉冲光学,目 录,一、光脉冲 二、几个重要的概念 三、光脉冲在透明介质中的传播,一、光脉冲,单色平面波电场,高斯型光脉冲电场,二、几个重要的概念(1),1、波形的描述,超短脉冲:一般指小于纳秒的脉冲,例如皮秒和飞秒脉冲。脉冲越短,特性就特别难定义。由于很难从自相关函数提取脉冲形状的信息,为了简化讨论,一般将脉冲形状近似为几种常见的数学函数,例如高斯型,双曲正割,洛伦兹型等。,振荡级输出的飞秒脉冲,近似为双曲正割型。,放大级输出的飞秒脉冲,近似为高斯型。,二、几个重要的概念(2),2、载波包络和载波包络相位,二、几个重要的概念(3),强度包络
2、,载波电场,相速度,群速度,载波包络相位: (Carrier Envelope Phase) 电场峰值和包络峰值之间的相位,一个光脉冲的时域分布和频域分布 关系由傅里叶变换给出:,脉宽和谱宽的定义:,二、几个重要的概念(4),3、脉宽和谱宽,对于高斯型脉冲,有以下不等式成立:,宽脉冲对应窄带宽 1ps的高斯脉冲对应谱宽为441MHz,窄脉冲对应宽带宽 10fs的激光脉冲(中心频率620nm)对应谱宽为62nm,若考虑谱的边界,则可覆盖整个可见光区域,二、几个重要的概念(5),注:若等号成立,则称这个脉冲为“傅里叶变换受限脉冲”,二、几个重要的概念(6),4、群速和相速,考虑两个时谐波的叠加:,
3、令:,有:,二、几个重要的概念(7),应用三角函数和差化积公式,有,群速,相速,约定: 为时域相位; 为频域相位。,设角频率为 的光脉冲沿 方向传播,标量复平面波形表示为:,一般为复函数,缓变包络近似下,可视为常数。上式傅里叶变换后有:,4、群速色散,二、几个重要的概念(8),其中 , 为含有介质折射率的波矢,将 展开为Taylor级数:其中,一阶展开系数:,二、几个重要的概念(9),二阶展开系数:,群速度延迟,群速度色散,为评价空间色散元件方便,一般考虑对 的关注,二、几个重要的概念(10),:群延迟时间(group delay),:群延迟色散(group delay dispersion,
4、GDD),:三阶色散(third order dispersion,TOD),5、啁 啾 (Chirp),二、几个重要的概念(11),Wikipedia: A chirp is a signal in which the frequency increases (up-chirp) or decreases (down-chirp) with time.,上啁啾(up-chirp),下啁啾(down-chirp),三、光脉冲在透明介质中的传播(1),由于短脉冲的宽谱宽,以及透明介质中的群速度色散,其经过一个透明材料后,相位会发生变形,其脉宽会展宽。对于一个高斯型脉冲 其傅里叶变换(谱分布)为:
5、,在一个透明介质中传播一段距离 后,其频谱变为:,为与频率相关的传播因子,将其在 附近展开。,三、光脉冲在透明介质中的传播(2),只考虑二阶色散,即群延迟(群速度)色散。脉冲的谱分布为:,群速度延迟,群速度色散,其中:,傅里叶逆变换:,三、光脉冲在透明介质中的传播(3),第一个指数函数表征了脉冲传播了 距离后,中心频率 相位有 的延迟。,第二个指数函数表征了脉冲传播了 距离后,脉冲形状还是高斯型,延迟量为,三、光脉冲在透明介质中的传播(4),上式中:,波矢量:,有:,三、光脉冲在透明介质中的传播(5),根据第二个指数函数和上式,在传播过程中,脉冲包络有一个变形,其依赖于群速度色散,带入第二个指数函
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