基于体全息光栅的动态衍射获得可调控的飞秒双脉冲的研究

发布时间：2020-08-08 18:10

【摘要】：飞秒脉冲激光由于其脉冲持续时间短、峰值功率高等特点,已成为揭示光与物质相互作用的有力工具,被广泛应用于物理,化学和生物学等领域。然而在实际应用中还常需要具有特定形状的飞秒脉冲,例如飞秒双脉冲序列,因此需要对激光器出来的飞秒脉冲进行整形。整形后脉冲间隔和分布都可独立调控的飞秒双脉冲在泵浦-探测、飞秒微加工、量子相干控制、化学反应解读、超短脉冲测量等领域中都有重要应用。本文基于Kogelnik耦合波理论,通过研究飞秒脉冲和啁啾飞秒脉冲通过体光栅的衍射,获得脉冲间隔和脉冲波形均可调控的飞秒双脉冲,并探讨其产生的物理机制。论文的主要研究内容包括:1、研究了飞秒脉冲经体光栅衍射的动态衍射特性。基于Kogelnik耦合波理论,推导了飞秒脉冲通过体光栅衍射的耦合波方程,得到了衍射和透射光场及光强表达式,发现了体光栅的动态衍射特性,能量振荡和脉冲分裂现象,用光波干涉对其进行解释。2、利用飞秒脉冲通过体光栅衍射得到脉冲间隔可调控、脉冲波形相同的飞秒双脉冲。通过求解耦合波方程的通解,发现体光栅内有四个光场,二个透射场和二个衍射场,四个场相干叠加形成两组沿光栅矢量的横向驻波。由于每组驻波纵向传播的局域性,在体光栅输出端的衍射和透射方向都出现了飞秒双脉冲。研究发现飞秒双脉冲间隔与体光栅的厚度和折射率调制度成正比,与光栅周期无关;衍射双脉冲脉宽与入射脉冲的脉宽相同,与光栅参数无关。3、利用线性啁啾飞秒脉冲通过体光栅衍射得到脉宽可调控的飞秒双脉冲。建立了线性啁啾飞秒脉冲通过体光栅衍射的理论模型,获得了脉宽和峰值强度受啁啾参数调控的飞秒双脉冲。研究发现当啁啾参数大于0时,双脉冲同时被压缩;当啁啾参数小于0时,双脉冲同时被展宽,但双脉冲压缩和展宽程度是不同的,由此获得了脉宽不同的飞秒双脉冲。两种情况下,材料色散都使脉冲的压缩和展宽效应增强。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24
【图文】：

透射型,光栅衍射,相位型光栅

体光栅分为透射型和反射型体光栅。当物光和参考光在记录介质的同一侧入射时，所记录的体光栅为透射型体光栅；当物光和参考光从记录介质的两侧入射时，形成反射型体光栅，如图2-1所示。体光栅还可以分为相位型光栅和振幅型光栅。相位型光栅可以是记录介质的折射率或厚度调制实现的，振幅光栅是材料吸收系数的调制[70]。图 2-1 透射型和反射行体光栅衍射

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光栅的布拉格条件，因此不能简单使用平面波耦合波方程解决飞秒脉冲通过体光栅的衍射问题。本节将推导适用于飞秒脉冲入射的耦合波方程。如图2-2所示是飞秒脉冲中某一频谱分量入射透射型体光栅的衍射示意图。我们讨论的体光栅是相位型体光栅，它在 xy 平面上是无限大的，光栅平面垂直于 x 轴。体光栅的折射率分布为：0n = n + n cos( Kx)(2.15)其中 n0是记录材料的背景折射率， n 是折射率调制度的最大值；是光栅周期 = r/(2sin r)， r和 r分别是体光栅的布拉格波长和角度；光栅矢量 K(K=2 / )平行于 x 轴。设入射的飞秒脉冲光场分布为：( )20 02exprte t j tT = (2.16)其中，入射脉冲的中心频率为0 0 = 2 c ， 0是入射脉冲的中心波长；参数 T与入射脉冲光场的半高全宽的关系为 T = / 2 ln2。对入射脉冲光场进行傅里叶变换，得到其频域表达式：

波形,衍射光强分布,厚度,脉冲

图 2-3 体光栅厚度 0-1mm 时（a）瞬时透射光强分布；（b）瞬时衍射光强分布。体光栅厚度 1-4mm 时（c）瞬时透射光强分布；（d）瞬时衍射光强分布。由图 2-3(a)(b)可以看出，在衍射初期，即传输深度在 0-1.0 mm 区间时，出现了能量的周期性振荡现象。当透射方向的能量达到最大值时，衍射方向能量最小；而当透射方向能量达到最小值时，衍射方向能量最大，看起来能量在透射和衍射之间来回转换。随着传输深度的增加，当传播深度大于 3mm 时，透射和衍射方向都出现了双脉冲，且脉冲间隔随着传输深度的增加而增加，即透射和衍射方向都出现了脉冲分裂。由图可见，透射和衍射方向的双脉冲的波形都是相同的，且不随传输深度而改变。在我们之前的研究中，我们认为，因为体光栅折射率调制度，在入射脉冲经体光栅衍射初期，就同时出现了四个脉冲，两个衍射和两个透射脉冲。初期产生的能量振荡现象就是因为四个脉冲之间有重叠的现象，产生了干涉现象，导致了能量的周期性振荡。而随着衍射深度的增加，四个脉冲由于速度不同，

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