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精益求精，善益求善。光柵對(duì)脈寬壓縮系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)畢業(yè)光柵對(duì)脈寬壓縮系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)畢業(yè)光柵對(duì)脈寬壓縮系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)畢業(yè)正文1.緒論1917，愛因斯坦從理論上介紹了“受激輻射”的概念，在物質(zhì)的原子能級(jí)上，有數(shù)目不一的的粒子（電子）分布在各個(gè)能級(jí)上，當(dāng)高能級(jí)E2的粒子被頻率為的光子照射時(shí)，會(huì)躍遷到能級(jí)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生出兩個(gè)與入射光子完全相同的光子，即相同的頻率，相同的相位，相同的偏振態(tài)和相同的傳播方向。入射一個(gè)光子，出射兩個(gè)光子，意味著信號(hào)被放大了。這類在受激輻射過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的，并且被放大的光，稱作激光。激光，Laser，是受激輻射的光放大，其英文全稱是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。1953年，美國(guó)物理學(xué)家CharlesTownes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身，微波受激發(fā)射放大（英文首字母縮寫maser）。1957年，Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束。直到1960年，美國(guó)科學(xué)家梅曼博士發(fā)明了波長(zhǎng)是694.3nm的紅寶石激光器。這是人類歷史上獲得的第一臺(tái)激光器。激光具有方向性好、亮度高、單色性好和高能量密度等特點(diǎn)。在理論基礎(chǔ)完備和科研生產(chǎn)迫切需要的背景下，激光應(yīng)運(yùn)而生的。它一問(wèn)世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且致使一門嶄新的新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。超短激光加工技術(shù)，在生產(chǎn)生活中被廣泛運(yùn)用，它是以激光與物質(zhì)相互作用的原理為基礎(chǔ)，對(duì)包括金屬與非金屬的特殊的材料，進(jìn)行焊接、切割、表面處理、打孔，還有作為光源，辨別特定的物體的一門新型高科技技術(shù)，應(yīng)用最大的傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)屬激光加工技術(shù)。在3D打印、通信行業(yè)、汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)行業(yè)、電氣自動(dòng)化行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、航天事業(yè)等都發(fā)揮了重要的角色，激光技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)際生活中發(fā)揮的淋漓盡致，大放光芒。尤其是在軍工事業(yè)上，激光武器早已被各國(guó)所重視，如今激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在激光脈寬壓縮的發(fā)展歷史上，常用的脈寬壓縮方式有三種，分別是利用棱鏡、光纖和光柵來(lái)進(jìn)行激光脈沖寬度的壓縮。在使用棱鏡壓縮脈沖的過(guò)程中，又分為單棱鏡和棱鏡對(duì)兩種方式，這兩種實(shí)驗(yàn)器材與結(jié)構(gòu)不同的方式，產(chǎn)生的脈寬壓縮的效果截然不同。在光纖壓縮脈沖過(guò)程中，存在色度色散、偏振模色散、波導(dǎo)色散等，他們對(duì)單模光纖和多模光纖的影響各不相同。在光柵壓縮脈沖使用過(guò)程中，又分為透射光柵和閃耀光柵，兩種光柵有著截然不同的物理結(jié)構(gòu)與工作原理，在壓縮脈沖寬度時(shí)，通常使用閃耀光柵。由于棱鏡本身的局限性導(dǎo)致諧振腔與實(shí)驗(yàn)器材很難被縮小以便輕巧，光纖存在各種色散，致使科學(xué)工作者尋找其他更好的分光元件，對(duì)具有優(yōu)異的分光性能的光柵的研究被逐漸開展并被廣泛運(yùn)用。本文闡述的是半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光脈沖在通過(guò)光纖后有色散發(fā)生，進(jìn)而在腔外使用光柵對(duì)來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償。色散補(bǔ)償是指半導(dǎo)體激光器輸出的激光有一定的脈寬，當(dāng)這束光從光纖輸出后，脈寬增加，信號(hào)失真，而光柵對(duì)則是可以“壓縮”脈寬，使失真的信號(hào)盡可能恢復(fù)到之前輸入的信號(hào)的現(xiàn)象。光纖的功能是通過(guò)能夠產(chǎn)生線性啁啾的正常群速度色散（Group-VelocityDispersion,GVD）和脈沖本身能夠產(chǎn)生非線性啁啾的相位調(diào)制作用(Self-PhaseModulation,SPM）的聯(lián)合效應(yīng)，使脈沖光束產(chǎn)生相似的線性的正啁啾。GVD指的是光脈沖的包絡(luò)以群速度移動(dòng)。SPM指的是在光纖中傳輸時(shí)，光場(chǎng)本身感應(yīng)的相移。光柵對(duì)則是產(chǎn)生反常GVD來(lái)壓縮正啁啾脈沖光束[1]。本次光柵對(duì)脈寬壓縮系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)，所使用的是摻鐿（YB）半導(dǎo)體激光器，輸出波長(zhǎng)設(shè)定為為1040nm，輸出功率設(shè)定為218.7mW，LD的輸入電流是1011.5mA，泵浦功率是520W，1μｍ的復(fù)色散光纖。每毫米1200條刻線，閃耀波長(zhǎng)是750nm，閃耀角是36052，規(guī)格尺寸是25*25*6mm的GR25-1210’閃耀光柵。2、脈寬壓縮的方式2.1棱鏡壓縮何為光的色散？其實(shí)就是復(fù)合光束通過(guò)棱鏡等分光器件被分解成各種單色光的現(xiàn)象。不同波長(zhǎng)的光在真空中的傳輸速度是一樣的，而在介質(zhì)中，光的傳輸速度跟光的波長(zhǎng)有關(guān)系。在同一介質(zhì)中，不同波長(zhǎng)的單色光的折射率也是不相同的，具體關(guān)系如下： （2-1）a,b,c,是三個(gè)柯西色散參數(shù)，隨不同的物質(zhì)而有所不同。所以只需測(cè)定三個(gè)不同波長(zhǎng)下的折射率，就可以求出這三個(gè)系數(shù)。三棱鏡的色散示意圖見圖2.1所示：圖2.1三棱鏡白光色散示意圖在固體激光器中，擁有很好的光學(xué)性能與足夠的增益帶寬，以摻鈦藍(lán)寶石激光器為代表，再而還有克爾透鏡鎖模技術(shù)被普遍的使用，飛秒固體激光器已經(jīng)成為科研群體特別關(guān)注的研究方向。但是由于摻雜濃度的問(wèn)題，所使用的增益介質(zhì)長(zhǎng)度一般比較長(zhǎng)。超短光脈沖通過(guò)這么長(zhǎng)的介質(zhì)后，一般都會(huì)受到比較強(qiáng)的正色散和自相位調(diào)制，這樣光脈沖就具有了比較強(qiáng)的正啁啾特性。為此，一般在固體激光器中插入棱鏡來(lái)進(jìn)行負(fù)色散補(bǔ)償[2]。2.1.1單棱鏡單棱鏡色散補(bǔ)償?shù)脑硎钱?dāng)激光器腔內(nèi)多色光束經(jīng)過(guò)光色散器件時(shí)，不同波長(zhǎng)的光束，會(huì)以不同的光軸和角度去傳播，目的是補(bǔ)償腔內(nèi)的角色散與材料色散。單棱鏡的色散補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，使得在介質(zhì)中，不同波長(zhǎng)的脈沖光束，以不同的光軸進(jìn)行傳播。這樣的話，脈沖光束的頻譜在空間分開，使得振蕩光束和泵浦光束的相互耦合受到干擾，從而導(dǎo)致脈沖頻譜寬度受到影響，限制脈沖寬度的壓縮。而且，由于小曲率雙色鏡間隔不能過(guò)大，使得棱鏡與鏡子之間的距離就不能太短，這樣就限制諧振腔的進(jìn)一步縮短[2]。單棱鏡壓縮脈寬的原理結(jié)構(gòu)見圖2.2所示：圖2.2單棱鏡脈寬壓縮光路示意圖2.1.2棱鏡對(duì)棱鏡對(duì)的色散補(bǔ)償原理則是將實(shí)驗(yàn)中的色散量分配到諧振腔兩個(gè)長(zhǎng)臂上，兩個(gè)棱鏡的角色散相互補(bǔ)償，可以使諧振腔的腔長(zhǎng)大幅度減小，振蕩光束和泵浦光束的耦合效率較高，晶體的自聚焦作用很強(qiáng)，產(chǎn)生的脈沖頻譜較寬，脈沖寬度可以得到有效壓縮，可以使諧振腔的腔長(zhǎng)大幅度減小[2]。棱鏡對(duì)壓縮脈寬的原理結(jié)構(gòu)見圖2.3所示：圖2.3棱鏡對(duì)的壓縮光路示意圖雙棱鏡對(duì)色散公式：棱鏡對(duì)的二、三階色散，其解析表達(dá)式[3]是：（2-2）其中：（2-3）式中，P是光學(xué)長(zhǎng)度，λ是光在空氣中的波長(zhǎng)，L是棱鏡對(duì)頂之間的距離，U是A、B光線之間的夾角，它是光頻率的函數(shù)，n是光學(xué)材料的折射率。由于棱鏡對(duì)會(huì)產(chǎn)生三階色散，所以要采用色散量較小的介質(zhì)制備棱鏡。同時(shí)需要減少增益介質(zhì)的長(zhǎng)度，這樣可以減少棱鏡對(duì)自身產(chǎn)生的二階色散和激光腔內(nèi)正色散和自相位調(diào)制。這里，減少增益介質(zhì)的長(zhǎng)度，需要增加增益介質(zhì)的摻雜濃度，來(lái)保證對(duì)泵浦能量的吸收能力，但是制造這樣的增益晶體在生產(chǎn)中技術(shù)成本較高，所以，當(dāng)轉(zhuǎn)而采用低色散介質(zhì)制造相應(yīng)的棱鏡對(duì)時(shí)，就要加長(zhǎng)棱鏡對(duì)之間的有效距離，來(lái)補(bǔ)償相應(yīng)的二、三階色散，還有正啁啾。這樣，激光腔的長(zhǎng)度就被加長(zhǎng)了，一般是50-70cm。2.2.光纖壓縮2.2.1光纖色散在"損耗”術(shù)語(yǔ)中，色散是光纖傳輸中的損耗之一。隨著光纖制造工藝的不斷提高，在長(zhǎng)距離的光通信系統(tǒng)中，脈沖光束信號(hào)在光纖中傳輸?shù)膿p耗已經(jīng)不是主要問(wèn)題，光纖色散成為光纖傳輸中的主要因素之一。當(dāng)光脈沖信號(hào)在光纖中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸以后，脈沖光束的波形在時(shí)域上發(fā)生展寬的現(xiàn)象稱作是光纖色散。正如圖2.4所示：圖2.4沿光纖傳輸時(shí)相鄰脈沖的展寬和衰減光纖色散的影響是輸入的脈沖光束信號(hào)在光纖中傳輸，脈沖展寬到一定程度，進(jìn)而碼間相互干擾，誤碼率提高，光纖的通信容量被大大縮小。色散的程度在時(shí)域上用脈沖展寬來(lái)描述。就是信號(hào)最先到達(dá)的和最后到達(dá)的時(shí)延差，脈沖展寬越大，色散越嚴(yán)重，就會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，影響整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的正常工作。色散的程度在頻域上可以用帶寬來(lái)描述，兩者的關(guān)系可以有一系列公式推到而得出：（2-4）公式（2-4）中，是脈沖展寬，單位是ps；B是3dB光寬帶（FullWidthatHalfMaximum,FWHM），單位是GHz[4]。2.2.2單模光纖在多模光纖中，光纖色散主要來(lái)自不同模式的傳輸速度所引起的模式色散，與之相比，由于其他因素所引起的色散就可以忽略不計(jì)了。在單模光纖中，由于只傳輸基模LP01，模式色散的影響就被去掉了，所以具有遠(yuǎn)比多模光纖優(yōu)良的色散特性，適用于大容量、長(zhǎng)距離的光信號(hào)傳輸。在單模光纖中，光脈沖信號(hào)中不同波長(zhǎng)的光的傳輸速度各不相同，產(chǎn)生色散，包括色度色散和偏振模色散。在單模光纖的傳輸系統(tǒng)中，色散的程度與光脈沖信號(hào)的光譜寬度成正線性關(guān)系，這也就是在大容量、大距離單模光纖通信系統(tǒng)中必須采用的使用窄線寬的單縱模半導(dǎo)體激光器的主要原因之一。在可以忽略的頻率色散區(qū)域中，由于兩個(gè)相互正交的偏振模式在光纖中的傳輸速度不同而引起的偏振模色散，成為單模光纖色散的主要貢獻(xiàn)[4-5]。材料色散是由于不同光波長(zhǎng)的光在石英玻璃中的折射率不同，并且光源具有一定的光譜寬度，波長(zhǎng)不同的光各自的群速率也不同，因此造成了光脈沖的展寬。通常用群時(shí)延隨著頻率的變化率表示的材料色散是：（2-5）單位是ps2/kｍ。習(xí)慣上，還有在實(shí)踐工程應(yīng)用中，經(jīng)常用群時(shí)延隨著波長(zhǎng)的變化率來(lái)表示色散：（2-6）單位是ps/(kｍ*nｍ)。從式（2-6）可以看出，材料色散主要由材料參數(shù)決定，它的值在某一特定波長(zhǎng)位置會(huì)是0，所以這個(gè)波長(zhǎng)被當(dāng)成是該材料的零色散波長(zhǎng)。然而，幸運(yùn)的是，石英光纖材料的零色散波長(zhǎng)，正好是在1.3μｍ左右的低損耗窗口，這是獲得不僅具有低損耗，而且低色散石英光纖的理論基礎(chǔ)[5]。波導(dǎo)色散是光纖的某一個(gè)傳輸模式（基模與多模），由于波長(zhǎng)不同的光的群速度不同引起的脈沖展寬。它關(guān)注的是光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響，波導(dǎo)色散數(shù)值和光纖折射率分布的結(jié)構(gòu)特異性有關(guān)系。色散主要會(huì)產(chǎn)生脈沖展寬和啁啾效應(yīng)。脈沖展寬對(duì)系統(tǒng)性能的影響的擴(kuò)大，是主要因素。當(dāng)光纖的色散長(zhǎng)度小于光纖傳輸距離時(shí)，光脈沖的脈寬就會(huì)過(guò)大，這時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的碼間干擾和誤碼率的增加。色散還會(huì)使脈沖產(chǎn)生相位調(diào)制，使脈沖光束的各個(gè)部位相對(duì)于中心頻率發(fā)生了程度不一的偏離量，即頻率各不相同，這就是脈沖的啁啾效應(yīng)。在一般情況下，材料色散的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波導(dǎo)色散，成為單模光纖色散的首要因素。但是如果在材料的零色散波長(zhǎng)左右時(shí)，材料色散和波導(dǎo)色散的影響是可以相互消除的。由于石英光纖的零色散波長(zhǎng)剛好是在光纖的低損耗窗口上，所以可通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)，使材料色散與波導(dǎo)色散在低損耗窗口上相互對(duì)消，生產(chǎn)出色散優(yōu)良的石英光纖[5]。單模光纖中，基模中的偏振模式是相互正交的。理想狀況下，兩種偏振模式的曲線是相同的，傳輸性質(zhì)也是相同的，但是外部因素的干擾下，兩種偏振模式于是就具有不同的傳輸速度，產(chǎn)生時(shí)域上的延遲，偏振模色散形成。相對(duì)于其他色散，偏振模色散可以幾近忽略，但卻不能完全消除，只能通過(guò)光學(xué)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使偏振模色散最小。脈沖寬度越窄的超高速系統(tǒng)中，偏振模色散的影響比較大。偏振光的偏振度[6]：(2-7)Imax:偏振光沿某一方向上所具有的能量最大值。Imin:偏振光在其垂直方向上所具有的能量最小值。Imax=Imin，P=0，為自然光；Imin=0，P=1，為線偏振光，是偏振度最大的偏振光。偏振光的偏振度是偏振模色散中的重要因素，處理好偏振度，是更好的在光線中傳輸信號(hào)的前提條件。2.3.光柵壓縮光柵：作為一種分光原件，分光原理是把波長(zhǎng)不同的同級(jí)譜線以不同的衍射角按順序在一定的位置上聚焦，從而把各個(gè)波長(zhǎng)的光波分開。光柵分為透射光柵和閃耀光柵。2.3.1透射光柵所謂透射光柵，便是在一塊透明的屏板上刻有許多相互平行、等寬等間距的刻痕，其中刻痕被認(rèn)為是不透光的。這是一種獲得普遍使用的光柵，這種結(jié)構(gòu)可以使光在空間分散開。透射光柵樣品如圖2.5：圖2.5透射光柵實(shí)驗(yàn)裝置示意圖光柵常數(shù)d=a+b，反映的是光柵的空間周期性，其倒數(shù)1/d表示每毫米內(nèi)有多少條狹縫，成為光柵密度。a:縫寬，b：相鄰兩縫間不透明的寬度。當(dāng)平行光束垂直光柵面入射時(shí)，透射光柵的光柵方程[6]：(k=0,,···)（2-8）整數(shù)k表示光譜線的級(jí)數(shù)。當(dāng)平行光束斜入射時(shí)，入射方向和光柵平面的法線之間的夾角為θ0則光柵方程（2-8）式將要適當(dāng)改變。圖2.6斜入射時(shí)的光柵方程θ表示衍射方向與法線之間的夾角，其角度取正值。當(dāng)衍射角θ和入射角θ0在法線同側(cè)[見圖2.6（a）]，則光柵方程則變?yōu)椋?-9）當(dāng)衍射角θ和入射角θ0在法線兩側(cè)[見圖2.6（b）]，則光柵方程則變?yōu)椋?-10）使用透射光柵時(shí)，若測(cè)得衍射角θ，根據(jù)以上式，就可以算出所用光波的波長(zhǎng)了。2.3.2閃耀光柵閃耀光柵是平面反射光柵，以磨光的鍍鋁膜的金屬板為胚子，用楔形鉆石刀頭在它的表面刻畫出一系列等間距的鋸齒形槽面制成的。由于金屬鋁反射率高，工作波段寬。容易加工，所以閃耀光柵常用金屬鋁板來(lái)制造。閃耀光柵是由一系列平行的間隔相同的凹槽組成。如果入射波長(zhǎng)是比槽間距大得多，不會(huì)發(fā)生衍射。若是小得多，溝槽就相當(dāng)于鏡子，不會(huì)發(fā)生衍射。在這樣刻成的閃耀光柵中，起衍射作用的槽面是個(gè)光滑的平面，它與光柵面有一夾角，稱為閃耀角。閃耀光柵，是設(shè)計(jì)的一種在特定衍射級(jí)別產(chǎn)生最大衍射效率的特定的反射或者投射衍射光柵結(jié)構(gòu)。這意味著，在設(shè)計(jì)的衍射級(jí)別上光功率占大多數(shù)，同時(shí)在其他級(jí)別（尤其是零級(jí)）光功率的損失最小?；谶@種設(shè)計(jì)，每一個(gè)閃耀光柵都對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定波長(zhǎng)，光強(qiáng)度最大，稱為閃耀波長(zhǎng)。詳情見圖2.7和圖2.8。圖2.7閃耀光柵的結(jié)構(gòu)圖2.8閃耀光柵的光路圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)對(duì)閃耀角的設(shè)計(jì)，閃耀光柵就會(huì)對(duì)應(yīng)指定波長(zhǎng)的指定級(jí)數(shù)光譜，從而實(shí)現(xiàn)光能量集中的最大利用率，提高了儀器的精度，減少誤差。2.3.3閃耀光柵的原理三個(gè)基本特點(diǎn)之一：閃耀波長(zhǎng)，槽間距（或工作面間距）和閃耀角。在反射式收納要光柵所形成的衍射圖樣中，各級(jí)主極大的位置由光柵方程（k=0,···）（2-11）其中衍射角β和入射角ɑ的正負(fù)號(hào)約定為：以圖（2.7）中光柵平面的法線為準(zhǔn)線，若是轉(zhuǎn)向夾角是逆時(shí)針?lè)较?，則取正值，順時(shí)針?lè)较騽t取負(fù)值。從式（2-11）中可以看出，在的方向是光柵衍射的0級(jí)方向，現(xiàn)在最大光強(qiáng)度并不在光柵衍射的0級(jí)方向，而是從光柵衍射的0級(jí)方向移到了刻畫面決定的滿足反射定律的反射方向，即是的方向。改變閃耀面與光柵平面的夾角θ，就可以使所需要的光譜級(jí)次落在這個(gè)最大的光強(qiáng)的方向上。這就是閃耀光柵的原理。因?yàn)?，所以光柵方程也可以從寫成（k=0,…）（2-12）式中：λ是所要求的基于最大光強(qiáng)的波長(zhǎng)，即是閃耀波長(zhǎng)；k是所要求的光譜級(jí)數(shù)，即是閃耀級(jí)次[7]。對(duì)于閃耀光柵，入射光若是以特殊的角度入射，那么這種入射方式可以稱作閃耀光柵的照明方式。通常采用以下兩種方式入射。圖2.9閃耀光柵的照明方式第一種，光沿著閃耀面的法線方向入射。在反射光的方向上，縫間干涉的光程差是δ=2dsinθ，在這一方向上的光譜線滿足的條件是2dsinθ=kλ，當(dāng)k=1時(shí)，衍射最強(qiáng)的波長(zhǎng)是λ1=2dsinθ，λ1叫做閃耀波長(zhǎng)。第二種，光沿著光柵平面法線的方向入射，入射光與閃耀面的夾角θ，反射光與入射光之間的夾角是2θ，所以在反射光的方向上，相鄰兩個(gè)光束干涉的光程差是ΔL=2dsinθ=kλ,一級(jí)閃耀波長(zhǎng)是λ1=2dsinθ[7]。關(guān)于較高級(jí)次衍射圖樣能量低的問(wèn)題可以利用階梯光柵解決，這是一種特殊的刻劃光柵，有著極大的衍射角。較大的衍射角很容易將能量集中到較高級(jí)次上。第二個(gè)問(wèn)題用其它光學(xué)元件解決：在階梯光柵后放置光柵、分光棱鏡或其它色散元件，將不同波長(zhǎng)級(jí)次的光分開。2.3.4透射光柵和閃耀光柵的區(qū)別透射式光柵衍射圖樣的特點(diǎn)：中央明紋光強(qiáng)最大，次極大明紋光強(qiáng)遠(yuǎn)小于中央明紋，并且隨著級(jí)數(shù)K的增加而減小，第一級(jí)次極大明紋光強(qiáng)也不足中央明紋光強(qiáng)的5%。透射光柵有很大的不足之處，主要是衍射圖樣中不發(fā)生色散的零級(jí)主最大光強(qiáng)占總光能的絕大部分，剩下的光能分散在各級(jí)光譜中，而實(shí)際使用過(guò)程中，往往只是利用光柵的某一級(jí)。這對(duì)光柵的應(yīng)用是很不利的。在透射光柵單縫衍射中，中央最大值的位置，是在沒有色散的零級(jí)主極大。而在閃耀光柵下，中央最大值的位置轉(zhuǎn)移到有色散的其他光譜級(jí)次上。在同一級(jí)光譜中，具有極大的光強(qiáng)度的光波是閃耀波長(zhǎng)，而其他的波長(zhǎng)沒有極大光強(qiáng)度。但是單槽面衍射的零級(jí)主極大到極小是有一定的寬度的，所以在閃耀波長(zhǎng)附相近處，一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的譜線也是有相當(dāng)大的光強(qiáng)度，所以閃耀光柵適用范圍比較廣[8]。3.光柵壓縮器3.1壓縮器在早期的脈沖寬度壓縮研究過(guò)程中，正常的和反常的群速度色散都有使用過(guò)?；诜蔷€性光纖光學(xué)的脈沖壓縮器，有光柵-光纖壓縮器（grating-fibercompressor）和孤子效應(yīng)壓縮器（soliton-effectcompressor)。grating-fibercompressor，輸入脈沖光束在非線性光纖的正常色散區(qū)域傳輸，然后在腔外用一光柵對(duì)來(lái)進(jìn)行外部壓縮。在這里，經(jīng)過(guò)自相位調(diào)制SPM和正常群速度色散GVD的共同作用的脈沖光束，在光纖傳輸中產(chǎn)生近似線性的正啁啾；腔外光柵對(duì)產(chǎn)生反常GVD來(lái)壓縮正啁啾脈沖。soliton-effectcompressor，僅是由一段光纖構(gòu)成，其長(zhǎng)度是適當(dāng)，所輸入的脈沖光束在光纖的反常色散區(qū)域傳輸，并且通過(guò)SPM和GVD之間的相互作用實(shí)現(xiàn)壓縮。這兩種壓縮器是互補(bǔ)的，只是工作的頻譜區(qū)不相同。光柵-光纖壓縮器的工作區(qū)域是可見光和近紅外區(qū)，孤子效應(yīng)壓縮器常常工作在1.3-1.6μｍ范圍。在1.3μｍ附近的波長(zhǎng)脈沖具有先天的優(yōu)勢(shì)，只要把這兩種壓縮器利用色散位移光纖合理科學(xué)的組合使用，可以得到更好的壓縮效果[1]。3.2雙通結(jié)構(gòu)壓縮器圖3.1給出了雙通結(jié)構(gòu)的光柵壓縮器的原理光路圖。圖3.1雙通結(jié)構(gòu)的光柵壓縮器使用光柵對(duì)的一個(gè)不足之處就是，脈沖光束的頻譜分量，在時(shí)間上被色散，又在空間上色散，造成了兩個(gè)光柵之間的脈沖光束將產(chǎn)生發(fā)散的現(xiàn)象，其橫截面相似與一個(gè)被拉長(zhǎng)的橢圓，并不是原來(lái)的圓形圖樣。這樣產(chǎn)生的脈沖光束并不是所期望的結(jié)果，而且對(duì)于間距很大的光柵對(duì)來(lái)說(shuō)，這將是致命的缺陷，光束會(huì)畸變到無(wú)法接受的程度[1]。

本實(shí)驗(yàn)所采取的方式是將脈沖光束由平面鏡反射回光柵對(duì)，這樣，雙通結(jié)構(gòu)的光柵壓縮器，不僅將脈沖光束校準(zhǔn)到原來(lái)的截面，而且使反常群速度色散GVD量增加一倍，于是光柵對(duì)的間距就會(huì)減少一半。所以，只要將反射鏡稍微得傾斜一個(gè)角度，就可以將壓縮后的脈沖光束與之前的入射光束分離開，從而輸出壓縮脈沖光束。在生產(chǎn)實(shí)踐中，雙通結(jié)構(gòu)的光柵壓縮器已經(jīng)被廣泛運(yùn)用。輸入脈沖耦合進(jìn)入單模光纖后，脈沖頻譜被展寬，產(chǎn)生沿整個(gè)脈寬分布的正啁啾。輸出脈沖進(jìn)入光柵對(duì)時(shí)，脈沖經(jīng)過(guò)反常群速度色散，從而被壓縮。最后，脈沖光束經(jīng)過(guò)光柵對(duì)并返回到初始截面，M1平面鏡有一個(gè)微小的傾斜角度，將輸入輸出光脈沖分開。M2平面鏡（以虛線表示）使壓縮后的脈沖光束偏離原來(lái)的光路離開壓縮器，并且不會(huì)引入任何的附加損耗[1]。3.3光柵對(duì)一對(duì)平行放置的光柵，可以作為色散延遲線，它的作用是使通過(guò)的脈沖光束增加一個(gè)反常的群速度色散。光柵對(duì)對(duì)脈沖的作用相當(dāng)一段具有反常的GVD的光纖。圖3.2用來(lái)作為色散延遲線的光柵對(duì)的幾何結(jié)構(gòu)當(dāng)脈沖入射到兩個(gè)相互平行的光柵中的一個(gè)上時(shí)，脈沖光束的不同頻譜分量以不同的角度衍射，在通過(guò)光柵對(duì)的過(guò)程中，各自獲得不同的時(shí)間延遲，藍(lán)移分量先到，紅移分量后到。對(duì)于正啁啾脈沖光束，脈沖的后沿產(chǎn)生藍(lán)移分量，前沿分量產(chǎn)生紅移分量。這樣的話，當(dāng)脈沖光束通過(guò)光柵對(duì)時(shí)，后沿將趕上前沿，脈沖光束被壓縮。在數(shù)學(xué)上，脈沖光束經(jīng)過(guò)光柵對(duì)時(shí)，頻率w的特定的頻譜分量獲得相移是，式中是光程的長(zhǎng)度。由圖（3.2）可得，幾何關(guān)系是：（3-1）式中，光柵的間距=5.5cm。光柵衍射的理論表明，當(dāng)脈沖光束以角度入射時(shí)，衍射角計(jì)算公式如下：（3-2）式中，是光柵周期，為平均折射率是的介質(zhì)中的光的波長(zhǎng)，m是布拉格衍射級(jí)數(shù)[1]。公式（3-1）就是利用了公式（3-2）并且假設(shè)m=1的一級(jí)衍射。的頻率相關(guān)性是光柵對(duì)感應(yīng)色散產(chǎn)生的。假若脈沖光束的譜寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的中心頻率，那么就可以利用泰勒級(jí)數(shù)展開式把在附近展開為：···（3-3）式（3-3）中，θ0是常數(shù)，θ1與脈沖光束經(jīng)過(guò)光柵對(duì)的傳輸時(shí)間有關(guān)。由于考慮到光柵對(duì)的色散效應(yīng)，于是將按照泰勒級(jí)數(shù)展開式展開并利用公式（3-2）得到參量=350和=36052‘，結(jié)果就是（3-4）公式（3-3）中，θr0是頻率為w0的頻譜分量的衍射角，是兩個(gè)光柵的中心間距，且。在大多數(shù)情況下，脈沖光束的譜寬滿足條件，而且展開式（3-3）中的三次項(xiàng)和更高次項(xiàng)可以忽略不計(jì)。假使略去不是很重要的常數(shù)項(xiàng)。還有線性項(xiàng)，那么相移中的與頻率有關(guān)的部分則由θ2決定。所以由公式（3-4）得到，θ2是負(fù)值，光柵對(duì)引入反常的群速度色散GVD[1]。3.4光柵對(duì)的色散補(bǔ)償雙通結(jié)構(gòu)的光柵-光纖壓縮器的實(shí)物見圖3.3：圖3.3雙通結(jié)構(gòu)光柵-光纖壓縮器實(shí)驗(yàn)圖注：1,金鏡。2，激光輸入端。3.1/2波片。4.閃耀光柵對(duì)5.位移平臺(tái)。6.示波器。7.自相關(guān)儀。脈沖光束在頻域上的光譜圖見下圖3.4圖3.4脈沖光束在頻域上的光譜實(shí)驗(yàn)器材按照要求搭建好后，光柵對(duì)間距約為6cm，旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器的旋鈕，同時(shí)觀察示波器圖形的變化，如果當(dāng)前值的示數(shù)最小時(shí)是80.2μs，那么此時(shí)就是色散補(bǔ)償最佳的位置，約是8.5+27.2*0.01=8.772mm，在時(shí)域上的光譜圖見圖3.5.圖3.5被壓縮后的脈沖光束在時(shí)域上的光譜由圖3.4和圖3.5可見，脈沖光束在腔外的光柵對(duì)作用之下，脈寬在時(shí)域上被很好的壓縮，可以實(shí)現(xiàn)超短脈寬激光的輸出。當(dāng)色散補(bǔ)償不足時(shí)，色散補(bǔ)償過(guò)度時(shí)，脈沖光束在時(shí)域上的變化詳情見下表3.1表3.1色散補(bǔ)償量的對(duì)比螺旋測(cè)微器位移/mm8.7318.7618.7728.8018.830激光脈寬/μs91.885.280.286.494.7色散補(bǔ)償程度不足不足最佳過(guò)度過(guò)度色散補(bǔ)償不足時(shí)，當(dāng)螺旋測(cè)微器的示數(shù)是8.731mm時(shí)，時(shí)域上的光脈沖見圖3.6。色散補(bǔ)償過(guò)度時(shí)，螺旋測(cè)微器的示數(shù)是8.830mm時(shí)，時(shí)域上的光脈沖見圖3.7。圖3.6脈寬91.8μs圖3.7脈寬94.7μs3.5光柵對(duì)的不足和解決光柵對(duì)的另一個(gè)缺陷是脈沖光束的衍射損耗。一般來(lái)講，脈沖光束經(jīng)過(guò)光柵對(duì)的一級(jí)衍射時(shí)，脈沖能量剩下60%-80%，這樣的脈沖光束單程通過(guò)光柵對(duì)，能量只剩下了一半而已，然而在雙通結(jié)構(gòu)的光柵脈沖壓縮器中，可以利用的能量只剩下了45%左右，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)是不利的。一種解決方案是使用格斯-托洛斯干涉儀壓縮脈沖，它幾乎可以反射全部的脈沖光束的能量，而在不同的頻譜分量上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平方形式的色散相移。另外一種方案是用一棱鏡對(duì)通過(guò)折射提供反常GVD，但是由于石英的色散比較