（飞秒激光脉冲啁啾特性测试方法的研究  毕业论文 72页 31847字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等）

摘 要 ：无论从超短脉冲激光技术本身的发展还是从应用的角度来看，对测量技术的研究都是非常重要的。本文主要对飞秒激光脉冲啁啾特性测试方法进行了理论研究，论文的主要内容包括以下四个方面：
首先，着重综述了近年来发展起来的频率分辨光学门法(FROG)及自参考光谱位相相干电场重建法(SPIDER)。
其次，分析了一种0-π相位光栅在啁啾飞秒激光脉冲照射下的菲涅耳衍射、通过选择相位光栅的结构，可以使衍射光的±1级分量最大。提取±1级衍射分量，并通过两反射镜将这两束光在远处干涉，当飞秒激光脉冲的宽度一定时，干涉条纹的强度与飞秒激光脉冲的啁啾系数有关。通过检测干涉条纹的强度，可以间接测量飞秒激光脉冲的啁啾系数。
再者，利用光相关检测所需精度的光学元件和装置，测得干涉自相关二次谐波包络的数据，在相同包络面积和脉冲宽度下，选取不同啁啾量的理论曲线与测量曲线相比较，介绍了利用二次谐波包络曲线的形状和面积来直观测量啁啾特性的方法。
最后，论文提出了利用折射率分析飞秒激光脉冲啁啾特性的理论设想。

关键词：飞秒激光；啁啾；自相关二次谐波；相位光栅

Abstract

The study of the measurement of ultra short pulse is an outstanding technique, which is important not only to the development of the ultra short pulse, but also to the application of the ultra short pulse. In this thesis, theoretical studies on measurement of chirp of femtosecond laser pulse were presented mainly. The main four contents are as follows:
Firstly, two novel methods, frequency resolved optical gating (FROG) and spectral phase inter-ferometry for direct electric field reconstruction (SPIDER) are described in particularly.
Secondly, the fresnel diffraction of a 0-π phase grating under chirped femtosecond laser pulse illumination is analyzed. By choosing special structure of the phase grating, the diffraction light mainly contains ±1 order components. ±1 order diffraction components are extracted, and these two light beams are directed to interfere in the far region via two mirrors. The intensity distribution of the interference stripes is influenced by the chirp parameter of the femtosecond pulse when the width of the pulse is fixed. By detecting the interference stripe intensity, the chirp parameter of the femtosecond pulse can be measured indirectly.
Thirdly, a method which can detect the chirp of femtosecond optical pulse directly was studied. Interference autocorrelation second harmonic was measured. Compared shape and area of measured curve with those of the theoretical curve, chirp could be showed visually.
Finally, a method that can measure the chirp of femtosecond pulse by detect refractive index was studied.
Keywords: femtosecond laser pulse; chirp; autocorrelation second harmonic generation; phase grating


目 录
0引言.............................................................. 1
1飞秒激光简介...................................................... 2
1.1飞秒激光的研究历史.............................................. 2
1.2飞秒激光脉冲的应用.............................................. 3
2飞秒激光测量...................................................... 5
2.1频率分辨光学门法（FROG）........................................ 6
2.2光谱相位相干电场重构法（SPIDER）................................ 7
3啁啾特性的测量.................................................... 9
3.1啁啾概念........................................................ 9
3.2利用相位光栅的衍射检测啁啾飞秒激光脉冲......................... 11
3.3二次谐波包络法判断啁啾......................................... 14
3.3.1理论计算..................................................... 14
3.3.2定量计算流程................................................. 16
3.4利用折射率分析啁啾特性......................................... 18
3.4.1理论原理和测量方法........................................... 18
3.4.2影响折射率的因素............................................. 18
4结论............................................................. 20
4.1总结与展望..................................................... 20
4.2毕业设计心得................................................... 20
参考文献...........................................................21
致谢...............................................................22
文献翻译原文1......................................................23
英文翻译译文1......................................................26
文献翻译原文2......................................................32
英文翻译译文2......................................................37
附件1 任务书
附件2 文献综述
附件3 开题报告
附件4 验收登记表
附件5 答辩记录表
附件6 指导教师意见表
附件7 评阅表
附件8 评语（评分）表

0引言
激光的出现是二十世纪最重要的发现之一，也是光学发展史上的第三个里程碑。激光一出现即以其高度的方向性、相干性以及高强度而受到各方面的重视并迅速获得应用。作为一种能量载体，它在加工与军事方面已经获得广泛应用。例如机械加工、材料热处理、合成与微加工，激光测距、地基/天基激光反导武器、致盲武器、激光制导炸弹等。作为一种信息载体，它在信息的获取、传输、存贮、处理与显示方面也都获得了愈来愈广泛的应用。
正当大家为激光的出现给光学领域甚至整个自然科学领域带来革命性变化而欢呼雀跃时，激光领域的一个重要分支——超短脉冲激光技术悄然兴起。1964年在He-Ne激光器上实现锁模获得短脉冲激光，这标志着脉冲激光的诞生。1981年美国贝尔实验室的Fork等人报道了脉冲碰撞锁模（CPM）激光器的实验结果，将激光脉冲宽度压缩到飞秒量级，从此超短脉冲进入了飞秒时代[1]。
飞秒脉冲激光技术自20世纪90年代以来迅速发展。目前已经达到了4fs以内(可见光——¬¬¬近红外波段)。采用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦甚至拍瓦量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。目前很多发达国家已经准备或着手研究阿秒级的激光脉冲。
我国很重视发展飞秒脉冲技术，在西安光学精密机械研究所和中山大学分别设立了国家重点瞬态过程实验室和超快光谱实验室，实施863计划，跟踪国际飞秒技术的发展。北京物理所，长春物理所，天津大学，北京工业大学等单位也有飞秒光谱和飞秒脉冲激光器的研究，西安光学精密机械研究所曾做出过15fs的钛宝石锁模脉冲，上海光学精密机械研究所做出过45fs的放大压缩后的脉冲，上海光学精密机械研究所在铁宝石激光材料和其他固体激光材料方面有独特的贡献。但是总的来说，我国的飞秒脉冲激光器的研究仍处在实验室阶段，距离实用化还有很大差距，应用方面也没有真正开展起来[2]。
飞秒激光脉冲的超短和超强特性使得其在生物、医学、化学、物理学、光电子学等领域有广泛的应用，是研究超快现象的有力工具。然而，飞秒技术的发展，不仅取决于激光技术本身的积累性发展，同时还得益于测量技术的改进和新方法的出现。我们必须精确知道脉冲在产生、传输和变换过程中的特性，才能揭示飞秒激光器的物理机制，建立起合理的理论模型；然后采用适当的啁啾补偿方法，获得更短的光脉冲。对于应用研究，为了适应各种研究目的，需要不同特性的光脉冲。因此我们必须了解所用光脉冲的质量。综上所述，无论从飞秒激光技术本身的发展还是从应用的角度来看，对测量技术的研究都是非常重要的。
脉冲宽度和相位是描述飞秒激光的两个重要参量[3]。啁啾和相位间又有密切的联系，飞秒激光的啁啾特性有着重要的应用，如通过啁啾补偿获得阿秒级的激光脉冲、利用啁啾脉冲放大技术增大超短脉冲的强度等。所以对飞秒激光的脉冲宽度、相位、啁啾特性进行精确、可靠而方便的测量对超短脉冲技术的发展有着非常重要的意义。
虽然当前要实现对飞秒激光脉冲啁啾特性精确、可靠、方便的测量还存在不少困难，但是经过多年的努力，也总结出了一些啁啾特性的测量方法。本文主要论述了两种飞秒激光脉冲啁啾特性的测试方法：相位光栅衍射法和二次谐波包络法。在学习和了解这两种方法的基础上，论文还提出了利用折射率分析啁啾特性的设想。此外还介绍了目前国际上最常用的飞秒激光测试方法，包括频率分辨光学门法（FROG）和自参考光谱相位相干电场重构法（SPIDER）。介绍它们的测试装置、原理和计算。
1飞秒激光简介
1.1飞秒激光的研究历史
飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10-15秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲还要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到1015瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。
1917年，爱因斯坦在量子理论的基础上提出了一个崭新的概念：在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的发射或吸收。这为激光的诞生提供了理论基础[4]。
20世纪50年代初，电子学、微波技术的应用提出了将无线电技术从微波（波长1cm量级）推向光波（波长1μm量级）的需求。这就需要一种能像微波振荡器一样产生可以被控制的光波的振荡器，即激光器。这也是促进激光出现的强大动力。
万事具备，只欠东风。终于在1960年7月，当时美国休斯公司实验室的一位从事红宝石荧光研究的青年人梅曼发明了世界上第一台红宝石固态激光器。激光也因其单色性、相干性、方向性等完全不同于普通光的性质给现代光学的发展注入了新的活力，甚至给整个物理学界都带来了革命性的影响。激光也被誉为神奇之光。
然而激光的神奇没有结束。1964年在He-Ne激光器上实现锁模获得短脉冲激光，这标志着脉冲激光的诞生。1965 年出现皮秒激光超短脉冲，1976年利用对撞锁模技术实现了0.3ps 激光脉冲，1981 年利用CPM 环形染料激光器产生了90fs 的激光脉冲，1985 年美国贝尔实验室获得27fs 的激光脉冲，1986 年我国的陈国夫研究员把这一结果提高到19fs。90年代初，以掺钛蓝宝石（Ti：sapphire）晶体为代表的一批固体激光增益介质（如Ti：sapphire，N d：YAG， Cr：LiSAF，Yb：glass等）的出现，以及克尔透镜锁模技术（KLM）和飞秒脉冲放大技术（OPCPA）的提出和广泛的应用，克服了飞秒染料激光器固有的缺点，大大促进了超短脉冲激光技术的发展[5]。掺钛蓝宝石晶体具有宽的增益带宽（660nm-1100nm），能够支持短于3fs的激光脉冲，为更宽广调谐范围的超短脉冲的产生提供了条件。到90年代后期，超短脉冲开始向阿秒方向发展。1999年，首次出现了阿秒时间尺度测量的自相关法。自相关法是将待测脉冲分成两束，然后把它们一起照射到对脉冲时域叠加敏感的非线性介质上，但高次谐波过程中产生远紫外或X射线强度太低，无法产生可测量的非线性现象。2001年，维也纳技术大学的Scrinzi等人提出了一种测量阿秒脉冲宽度的互相关法。在阿秒互相关中，极紫外光脉冲与快速交变的强激光脉冲电场在气体靶子中发生互相关作用。
飞秒激光技术的发展趋势主要表现在两个方面[6]：一方面是如上面所说的要实现更短的脉宽；另一方面是扩展飞秒激光的波长范围。通过使用新型激光介质、多种频率变换技术和Thomson 散射等，将其波长向X射线、中红外甚至远红外方向发展。
要实现阿秒级的超短激光脉冲，除了不断完善目前使用的成熟实验技术之外，还需从理论上解决一些问题，如电离原子释放电子的问题、电子在强激光场中的行为、新生的电子与它的母离子之间的碰撞问题等。有人认为，如果用可见飞秒强激光脉冲照射惰性气体，就会产生许多高次谐波。在这些高次谐波中隐含着突破阿秒的可能性。如果把所有高次谐波的相位锁定，将有可能利用这些高次谐波实现阿秒运转。
飞秒激光应用技术的进步也是飞秒技术本身飞速发展的重要因素。尽管这些应用尚处于未成熟的初级阶段，但许多专家一致认为，飞秒激光技术的进一步发展，将会成为人类认识未知物质世界的有效工具。
1.2飞秒激光脉冲的应用
人们之所以要挖空心思地缩短超短脉冲的宽度、扩展飞秒激光的波长范围、研究飞秒激光脉冲的测量方法，是因为其在生物、医学、化学、物理学、光电子学等领域有广阔的应用前景。更值得一提的是它是研究超快现象的有力工具。
飞秒脉冲的直接用途就是在时间分辨光谱学中的应用。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来做生物样品的三维图像。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图像。此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线来产生类似白光的干涉。利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可实时测量半导体薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长。用飞秒脉冲来做微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺。因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发而是靠强场直接蒸发材料。飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍。高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波吸收X射线，并有可能用于受控核聚变。具体到生物、化学、信息等方面，飞秒激光脉冲也有广阔的应用[7]。
在生物学方面，人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术，研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。光合作用是地球上规模最大的关系到人类面临的粮食、能源、资源与环境等问题的太阳能利用工程。对其中涉及到的光子、电子与离子的传递与转化的复杂过程的了解，将能提示自然界这一独特的高效吸能、传能和转能过程的机理，为提高农作物产量以及仿生学方式的能源和信息方面加以应用提供理论依据并提出开发途径。除此以外，在外科手术尤其是激光治疗近视方面，飞秒脉冲也起着非常重要的作用。
在化学方面，由于飞秒激光技术的问世和信息超快速获取技术的发展，化学反应基本规律的研究出现了飞秒化学与量子控制化学。物理化学家利用飞秒激光泵浦/探测技术研究化合物光解时过渡态动力学的实时过程、波包的运动、表面的吸附、脱附或解离的动态过程以及分子内的传能过程。各国科学家对溶液、蛋白质与大分子的电子传递、溶剂化效应、碰撞传能及溶质分子的光解动力学等开展了广泛的研究。飞秒技术的发展为化学家提供了以特定的光脉冲（特定波长、偏振状态、宽度、强度、波形）控制化学反应的可能性。目前这方面的研究已经成为国际热点，并已在单分子光解、激光控制化学反应方面做了一些理论与实验工作。例如：紫外单分子一步光解、振动预激光二步光解、激光相干相位控制双原子分子的电离和解离通道等。
超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存储方面。1984年以前，信息的传输、交换与处理是靠普通电磁波、电子技术与电子计算机完成的。电磁波可传输的信息量正比于它的频率，信息处理的速度正比于器件的开关速度。光波的频率是普通电磁波的100000倍，光速是半导体材料中电子速度的1000倍，光子还具有空间与波长方面的并行处理能力。因此，光电子作为信息载体的通讯与信息处理技术最终必将代替以电子为载体或光电混合的通讯与信息处理技术。目前的长距离大容量单信道光纤通讯最高速率为10Gb/s，不能满足信息的传输、交换与处理的要求。要实现通讯与信息处理速率从Gb/s到Tb/s的飞跃，必须解决通讯用的超短脉冲激光光源开关并开发出响应速度达到至少皮秒时域的光调制器、光开关、光探测器以及OTDM、ODWDM等一系列超短光脉冲的产生、放大、调制、开关复用及解复用技术器件。为此，人们正在利用飞秒激光与光电子技术所提供的探测技术深入研究半导体低维材料（量子线、量子点、纳米晶体）中的载流子动力学，测量大规模集成电路的瞬态电压以及纳米电子器件中的电荷、电压的瞬态现象，以便搞清限制上述器件速度提高的机制，找出改进的途径或新器件的原理。
此外，飞秒激光在微精细加工中也有重要应用。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10ps的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，影响加工精度。而飞秒激光脉冲拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限。
飞秒激光有如此广阔的应用前景，所以很多发达国家都将飞秒激光技术提高到国家科技战略的高度[8]。美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯•利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究。目标是在高速通信技术方面独占鳌头。
相信随着理论创新的突破、实验设备和技术的改进，我们将迎来更广阔、更出色的飞秒激光技术的应用。
2飞秒激光测量
飞秒级超短光脉冲的产生技术是和脉冲形状及频率啁啾测量方法的研究一同发展起来。超短脉冲的脉宽和相位是衡量超短脉冲的两个重要参数。而且，间接测量超短脉冲啁啾特性也需要知道其脉冲宽度、相位。所以无论是从超短脉冲本身的发展需要还是测量其啁啾特性的要求来看，飞秒激光的测量都有非常重要意义。
当脉冲的持续时间超过电子测量仪器的时间响应范围时，就不能用示波器来直接观察脉冲的形状以及宽度。由于电子探测技术的时间极限分辨一般在1ps左右，所以人们只能用光学法来测量皮秒以下的脉冲。一般的思路是把时间信息转化为空间和频谱信息。研究者先后提出了光电采样法、直接测量法、双光子荧光法、条纹相机法、自相关法、频率分辨光学门法、交叉相位调制法、光谱相位相干电场重构法等测量方法。总的来说它们各有优劣。
随着超短脉冲进入飞秒时代，很多测量方法被淘汰。目前比较成熟且已经获得广泛认可的飞秒激光测量法主要有两种：即频率分辨光学门法（FROG）和光谱相位相干电场重构法（SPIDER）。下面简单的介绍下两种方法的原理与实验装置。