光電子學(xué)課程論文脈沖寬度的測(cè)量和巨脈沖激光器

1、成 績(jī)?cè)u(píng)卷人姓 名 學(xué) 號(hào) 華 中 師 范 大 學(xué)研 究 生 課 程 論 文論文題目 脈沖寬度的測(cè)量和巨脈沖激光器 完成時(shí)間 課程名稱(chēng) 專(zhuān) 業(yè) 年 級(jí) 目 錄摘要1引言11 脈沖寬度的測(cè)量11.1 二次諧波法11.2 二次諧波系統(tǒng)11.3 幾種測(cè)量飛秒脈沖寬度的方法21.3.1 FROG測(cè)量法21.3.2 SPIDER測(cè)量法31.4 小結(jié)32 巨脈沖激光器32.1 調(diào)Q技術(shù)的概念32.2 調(diào)Q技術(shù)的方法42.3 調(diào)Q技術(shù)的工作原理42.4 鎖模法壓縮脈寬42.5 巨脈沖激光器的應(yīng)用52.6 小結(jié)53 光子學(xué)課程學(xué)后感53.1 課堂所學(xué)所感53.2 自己講課的感悟53.3 課后的展望64 總結(jié)6

2、參考文獻(xiàn)7脈沖寬度的測(cè)量和巨脈沖激光器摘要：本文主要論述了鎖模超短脈沖的測(cè)量方法，介紹了二次諧波法測(cè)鎖模超短脈沖的原理和裝置。本文簡(jiǎn)要介紹了巨脈沖激光器的原理，淺層次論述了調(diào)Q技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹了幾種調(diào)Q方法。關(guān)鍵詞：鎖模超短脈沖；二次諧波法；巨脈沖激光器；調(diào)Q技術(shù)引言：激光自出現(xiàn)以來(lái)一直朝著提高功率、擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍、縮短脈沖寬度以及全固態(tài)化、小型化以至微型化方向發(fā)展。因此研究超短脈沖激光和巨脈沖激光器具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。本論文主要結(jié)合所講課程，在原理上淺層次介紹鎖模超短脈沖的測(cè)量與巨脈沖激光器的工作原理。本分主要分為三個(gè)章節(jié)：第一章節(jié)介紹了鎖模超短脈沖的測(cè)量，即二次諧波法；第二章節(jié)介紹巨

3、脈沖激光器的工作原理；第三個(gè)章節(jié)介紹了自己對(duì)光電子學(xué)這門(mén)課程的理解以及自己在課堂上所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)。1 脈沖寬度的測(cè)量關(guān)于脈沖寬度測(cè)量的問(wèn)題，本文論述主要針對(duì)激光脈沖寬度的測(cè)量。激光脈沖的測(cè)量主要分為普通激光脈沖寬度的測(cè)量與超短激光脈沖寬度的測(cè)量。普通激光脈沖寬度的測(cè)量，是利用光電二極管或其他光電轉(zhuǎn)換器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后輸入示波器進(jìn)行測(cè)量，該方法測(cè)量的激光脈沖的寬度極限為亞納秒量級(jí)。超短激光脈沖的測(cè)量方法主要有條紋照相機(jī)或雙光子熒光（TPF）法、二次諧波（SHG）法等方法。由于鎖模超短激光脈沖其脈沖寬度極窄，可以得到極高的峰值功率密度，應(yīng)用領(lǐng)域較廣。因此測(cè)量鎖模超短脈沖的寬度問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)

4、用和理論分析中都十分重要。本文介紹方法主要采用二次諧波法測(cè)量鎖模超短脈沖。1.1 二次諧波法二次諧波法主要采用了自相關(guān)倍頻的原理，將時(shí)間測(cè)量轉(zhuǎn)化到空間進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)計(jì)算得到脈寬，用該方法可以測(cè)量飛秒量級(jí)的脈沖寬度。二次諧波法由于其較高的精度，成為一種廣泛被應(yīng)用的方法。1.2 二次諧波系統(tǒng)圖1.2表示測(cè)量鎖模脈沖寬度的二次諧波系統(tǒng)。激光器發(fā)射一連續(xù)的鎖模脈沖，每個(gè)脈沖被分束器分為兩個(gè)強(qiáng)度相等的脈沖。其中一個(gè)脈沖與另一個(gè)脈沖相差為 s（通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以改變時(shí)差），然后兩個(gè)脈沖在非線(xiàn)性光學(xué)晶體中匯合。由晶體產(chǎn)生的二次諧波入射到一個(gè)探測(cè)器，其輸出電流在時(shí)間軸的寬度長(zhǎng)于光脈沖寬度，以此實(shí)現(xiàn)

5、對(duì)鎖模超短脈沖寬度的測(cè)量。該方法主要通過(guò)測(cè)量SHG信號(hào)，可以獲得二階自相關(guān)函數(shù)，由此推算出脈沖寬度。圖1.2 測(cè)量鎖模脈沖的二次諧波系統(tǒng)1.3 幾種測(cè)量飛秒脈沖寬度的方法雙光子熒光法、條紋相機(jī)等測(cè)量方法由于其受時(shí)間、空間分辨率的限制，這些方法已經(jīng)無(wú)法適用。目前國(guó)際上用于測(cè)量飛秒量級(jí)脈沖寬度的方法主要有頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法（Frog）和自參考光譜相位相干電場(chǎng)重構(gòu)法（Spider）。這兩種方法均是基于干涉自相關(guān)測(cè)量法,下面分章節(jié)介紹這兩種測(cè)量法的原理及測(cè)量裝置。1.3.1 FROG測(cè)量法Frog測(cè)量裝置如圖1.3.1所示，F(xiàn)ROG的基本方法是將待測(cè)脈沖經(jīng)分束器分為兩束，一束作為探測(cè)光，另一束作為光開(kāi)

6、關(guān)，并且讓作為光開(kāi)關(guān)的光束引入一個(gè)時(shí)間延遲，然后再讓兩束光通過(guò)倍頻晶體產(chǎn)生相互作用，經(jīng)過(guò)光譜儀進(jìn)行光譜展開(kāi)后，用CCD進(jìn)行測(cè)量，得到相互作用后的光強(qiáng)隨頻率和時(shí)間延遲變化的空間圖形，成為FROG跡線(xiàn)。利用脈沖迭代算法從FROG跡線(xiàn)中恢復(fù)脈沖的振幅和相位分布。圖1.3.1 FROG測(cè)量裝置1.3.2 SPIDER測(cè)量法SPIDER測(cè)量裝置如圖1.3.2所示，其基本方法是基于一種叫做光譜剪裁相干上的方法。待測(cè)脈沖經(jīng)過(guò)分束器被分為兩束，其中一束通過(guò)一塊色散介質(zhì)展寬為啁啾脈沖，另一束經(jīng)邁克爾孫干涉儀分為兩個(gè)時(shí)差為 的脈沖對(duì)，然后聚焦到倍頻晶體中進(jìn)行頻率的轉(zhuǎn)換。和頻后的脈沖對(duì)經(jīng)過(guò)光譜儀記錄下光譜相干的干涉

7、條紋，再利用反演算法，即可得到入射脈沖的相位。圖 1.3.2 SPIDER測(cè)量裝置1.4 小結(jié)測(cè)量脈沖寬度主要有直接測(cè)量法與間接測(cè)量法，由于直接測(cè)量法的諸多局限性，因此測(cè)量鎖模超短脈沖主要采用間接測(cè)量法。該方法雖然是間接的，但其優(yōu)點(diǎn)較為突出，它的測(cè)量結(jié)果可以實(shí)時(shí)反映激光器的鎖模情況，具有高分辨率、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。2 巨脈沖激光器巨脈沖激光器主要用來(lái)從激光器中獲取強(qiáng)而短的激光脈沖，其具有一定的重復(fù)頻率、高能量、高峰值功率、高光束質(zhì)量。巨脈沖激光器具有三個(gè)工作區(qū)域：1.單脈沖區(qū)；2.多脈沖區(qū)；3.截止區(qū)。激光器產(chǎn)生超短脈沖所采用的技術(shù)主要有調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)，本章主要介紹通過(guò)調(diào)Q技術(shù)獲得激光巨脈沖

8、。2.1 調(diào)Q技術(shù)的概念調(diào)Q技術(shù)主要通過(guò)壓縮激光脈沖寬度，得到脈寬為毫秒量級(jí)、峰值功率為前兆瓦量級(jí)的激光巨脈沖。該技術(shù)的基礎(chǔ)則是快速腔內(nèi)光開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱(chēng)為Q開(kāi)關(guān)。調(diào)Q概念最早于1961年提出，1962年制成了第一臺(tái)調(diào)Q激光器。2.2 調(diào)Q技術(shù)的方法根據(jù)調(diào)Q的技術(shù)的不同，調(diào)Q的方法較多。目前調(diào)Q的方法主要由以下幾種：l 電光晶體調(diào)Q：在共振腔內(nèi)放電光元件和偏振分析器。l 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q：用馬達(dá)帶動(dòng)共振腔內(nèi)的一塊三棱鏡高速旋轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性好，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生噪聲。l 可飽和吸收體Q開(kāi)關(guān)：該方法屬于被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)。在共振腔內(nèi)放可飽和吸收染料盒、色心晶體等。l 聲光調(diào)Q：2.3 調(diào)Q技術(shù)的工作原理在泵浦過(guò)程中可以

9、采用一些方法使光學(xué)共振腔的品質(zhì)因數(shù)Q降低，以致于粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)累計(jì)達(dá)到很高水平也不會(huì)發(fā)生振蕩。當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)濃度達(dá)到其峰值時(shí)，突然使Q增大，這時(shí)激光介質(zhì)的增益會(huì)大大超過(guò)閾值，會(huì)引起極其快速的振蕩。存儲(chǔ)在亞穩(wěn)態(tài)的粒子具有的能量很快轉(zhuǎn)換為光子的能量，光子如雪崩一樣以高速率增長(zhǎng)，激光器便可以輸出一個(gè)峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。Q值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)。圖2.3為聲光調(diào)Q連續(xù)YAG倍頻激光器。圖2.3 聲光調(diào)Q連續(xù)YAG倍頻激光器2.4 鎖模法壓縮脈寬隨著技術(shù)的發(fā)展，很多領(lǐng)域需要應(yīng)用到納秒以下量級(jí)的超短光脈沖。單純調(diào)Q法由于受腔長(zhǎng)和調(diào)Q器件等的制約，難以繼續(xù)壓窄脈寬。正是由于調(diào)Q技術(shù)

10、的局限性，人們找到了另一種壓縮脈寬的技術(shù)，即鎖模技術(shù)，主要包括被動(dòng)鎖模和主動(dòng)鎖模。主動(dòng)鎖模是在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)受外界信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性的改變腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。被動(dòng)鎖模主要利用可飽和吸收體的非線(xiàn)性吸收效應(yīng)。與鎖模法相比，Q開(kāi)關(guān)方式的重復(fù)率，脈沖能量，脈沖持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此在很多地方，這兩種技術(shù)會(huì)同時(shí)使用。2.5 巨脈沖激光器的應(yīng)用巨脈沖激光器主要應(yīng)用于需要高功率和短脈沖寬度的場(chǎng)合，其主要可用于：非線(xiàn)性光學(xué)、激光打印、全色顯示、測(cè)距、材料加工、鉆孔、化學(xué)反應(yīng)的觸發(fā)和等離子體診斷學(xué)等。2.6 小結(jié)巨脈沖激光器主要通過(guò)調(diào)Q技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓縮脈沖寬度，提高峰值功率，從而將激光能量壓

11、縮到寬度極窄的脈沖中。巨脈沖激光器由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，可以用于多種場(chǎng)合中，因此對(duì)巨脈沖激光器的研究具有極其重要的意義。3 光子學(xué)課程學(xué)后感光電子學(xué)這門(mén)課程起到了導(dǎo)論的作用，它對(duì)光電子學(xué)的方方面面做了淺層次的概述。通過(guò)課堂教師的授課和課下自己搜集資料，我對(duì)光電子學(xué)有了全面的了解，對(duì)自己將來(lái)繼續(xù)從事光電子學(xué)方面的研究起到了入門(mén)的作用。3.1 課堂所學(xué)所感通過(guò)課堂學(xué)習(xí)，我對(duì)光電子學(xué)的多方面有了初步的了解，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：l 對(duì)激光器有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，了解了積累激光器，對(duì)激光器的工作原理有了一定的認(rèn)識(shí)。l 對(duì)光的傳輸和光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換技術(shù)有了初步的認(rèn)識(shí)，了解了一些光電轉(zhuǎn)換器件的工作原理。l

12、對(duì)光纖的工作原理及傳輸特性有了一定的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到了光纖主要應(yīng)用的領(lǐng)域。l 對(duì)光信號(hào)與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換有了初步的認(rèn)識(shí)，了解了其工作原理。l 對(duì)激光存儲(chǔ)技術(shù)有了全面的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到了激光存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及改進(jìn)的方法。l 對(duì)光信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)有了一定的認(rèn)識(shí)，懂得了調(diào)制與解調(diào)的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法。光電子課程的學(xué)習(xí)使我學(xué)到了更多關(guān)于光電子學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，為自己將來(lái)融入光電子研究所的研究以及這方面課題的開(kāi)展起到了領(lǐng)路者的作用，希望自己以后通過(guò)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)光電子學(xué)有更深層次的理解。3.2 自己講課的感悟在本次講課活動(dòng)中，我主要負(fù)責(zé)講了脈沖寬度的測(cè)量與啁啾脈沖的收縮以及巨脈沖激光器兩節(jié)的內(nèi)容。在這個(gè)過(guò)

13、程中，我主要通過(guò)查看英文書(shū)籍和一些中文論文完成了PPT的制作，鍛煉了自己看英文書(shū)籍的能力和論文檢索能力。在此過(guò)程中，我加深了對(duì)光電子學(xué)課程的理解，培養(yǎng)了該方面的興趣，更掃除了自己在光電子學(xué)上存在的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，希望以后可以在光電子方向做出些有意義的成績(jī)。3.3 課后的展望隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光電子技術(shù)已經(jīng)變得逐漸成熟起來(lái)，目前有很多領(lǐng)域已經(jīng)離不開(kāi)光電子技術(shù)。但由于受到某些條件的限制，目前光電子學(xué)中尚有許多問(wèn)題等待解決。希望通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)可以找到自己感興趣的方向，然后朝著一個(gè)方向做些研究，以求可以在某一點(diǎn)上獲得突破，達(dá)到學(xué)有所用的目的。4 總結(jié)本論文從大意上介紹了脈沖寬度的測(cè)量與巨脈沖激光器的實(shí)現(xiàn)，淺層次介紹了其基本概念與基本原理，并沒(méi)有介紹公式的推導(dǎo)步驟，全文章節(jié)淺顯易懂。若要進(jìn)一步學(xué)習(xí)這兩部分的內(nèi)容，請(qǐng)參考相關(guān)書(shū)籍，了解公式推導(dǎo)過(guò)程，并通過(guò)做實(shí)驗(yàn)深層次認(rèn)識(shí)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。參考文獻(xiàn)1 侯 洵 超短脈沖激光及其