光學(xué)脈沖整形方法的發(fā)展

自發(fā)明以來，由于超短脈沖技術(shù)在高速光學(xué)系統(tǒng)、全光開關(guān)、超快光譜學(xué)和非線性光學(xué)光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，人們對產(chǎn)生皮秒甚至飛秒超短脈沖產(chǎn)生了很大的興趣。最近幾年,在產(chǎn)生超短光脈沖技術(shù)方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。但是,通過壓縮獲得的超短脈沖往往有很寬的基座,另外,許多應(yīng)用不僅要求超短光脈沖,而且對脈沖的形狀也有特定要求,因此需要通過整形技術(shù)對脈沖進(jìn)行整形。超短光脈沖的整形對不同的非線性光學(xué)過程有很大的幫助,如暗孤子的形成。在全光開關(guān)系統(tǒng)中,為了避免高強(qiáng)度的脈沖突變,需要通過脈沖整形消除脈沖中不需要的頻率成分,產(chǎn)生更高階的孤子。在高功率激光系統(tǒng)中,針對不同的實(shí)驗(yàn)要求,通過對前級激光脈沖進(jìn)行整形,輸出不同形狀的激光脈沖,可以大大提高激光脈沖能量的利用率。半導(dǎo)體激光器由于超小型、高效率和高速工作的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快和最為重要的激光光纖通信的光源。但是,半導(dǎo)體激光器發(fā)出橢圓高斯光束,而大多數(shù)應(yīng)用需要圓形光束,必須將橢圓光束整形變成圓形光束。目前,許多方面已經(jīng)應(yīng)用飛秒脈沖整形系統(tǒng),產(chǎn)生特定形狀的光脈沖。脈沖整形根據(jù)使用的調(diào)制器和整形的原理可劃分為電光晶體原理,雙折射原理和傅立葉變換原理三大類整形系統(tǒng)。1在傳播特性的影響用電光晶體進(jìn)行脈沖整形主要有兩種方式:一是對電光晶體進(jìn)行調(diào)制,通過外加電場在晶體中產(chǎn)生電光效應(yīng),使導(dǎo)波光的傳播特性發(fā)生變化而達(dá)到調(diào)制的目的;二是利用電光偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)特性,使得不同時(shí)刻的激光脈沖通過不同的空間位置,改變空間位置光通量的透過率,可達(dá)到激光脈沖整形的目的。電光晶體空間光整形方法是針對特定輸入光束(如均勻或高斯光束)的切趾光闌進(jìn)行光束空間整形,但是由于實(shí)際應(yīng)用中輸入的光束并非是這樣的理想型光束,此方法存在一定的局限性。1.1加在調(diào)制器上的電脈沖沖設(shè)計(jì)通常的電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖1所示,輸入光波經(jīng)一段路程后在第一個(gè)Y分支處被分成兩部分,每一部分分別通過光波導(dǎo)的二個(gè)支路,然后在第二個(gè)Y分支處匯合成一個(gè)光波。設(shè)計(jì)要求光在第一個(gè)Y分支處被分成完全相等的兩個(gè)分量,即光在兩分支路的光程差相等,而且光強(qiáng)相等。由于加在調(diào)制器上的電壓大小與輸出光強(qiáng)有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,因此,通過適當(dāng)選擇加在調(diào)制器上的工作電壓,能夠使得當(dāng)加在調(diào)制器上的是一個(gè)一定形狀的電脈沖時(shí),輸出的是一個(gè)相應(yīng)形狀的光脈沖。電光調(diào)制器,可以很容易的雕塑長的連續(xù)脈沖;但由于調(diào)制器輸出的整形激光脈沖的形狀和寬度主要取決于輸入調(diào)制器的整形電脈沖的形狀和寬度,它在飛秒領(lǐng)域內(nèi)無法使用。1.2光電偏轉(zhuǎn)器脈沖整形由于電光偏轉(zhuǎn)器的獨(dú)特性能,它已成為高功率激光脈沖整形系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。用電光偏轉(zhuǎn)器對激光脈沖進(jìn)行削波既降低了對驅(qū)動電脈沖的要求提高信噪比,又能很容易削出脈寬可調(diào)的窄激光脈沖。目前已經(jīng)報(bào)道的利用電光偏轉(zhuǎn)器的脈沖整形技術(shù),可以獲得寬度為幾個(gè)納秒到幾十個(gè)皮秒的可調(diào)整形激光脈沖。電光偏轉(zhuǎn)器整形的原理是利用兩塊相同的電光偏轉(zhuǎn)器,當(dāng)激光脈沖入射到第一塊電光偏轉(zhuǎn)器時(shí),在其上加一高壓電脈沖,由于電光效應(yīng),偏轉(zhuǎn)器的折射率將隨著電位梯度的變化而變化,從而激光脈沖在整個(gè)時(shí)間包絡(luò)內(nèi)不同時(shí)刻的分量將被偏轉(zhuǎn)不同的角度,于是整個(gè)脈沖的時(shí)間特性轉(zhuǎn)換為空間特性,在空間范圍內(nèi)形成一條掃描線,在掃描線上放置小孔進(jìn)行光束濾波;再利用第二塊電光偏轉(zhuǎn)器復(fù)原掃描線,得到所需時(shí)間寬度的整形激光脈沖。2tp的基本原理因?yàn)閺?qiáng)脈沖能引起非線性雙折射,而且光脈沖通過光纖和檢偏器時(shí),其透射率和強(qiáng)度有關(guān),可以用此雙折射理論來修正脈沖形狀。考慮一入射光束與光纖的一個(gè)主軸成θ角的線偏振情況,兩偏振分量間的相對相移Δ?NL為Δ?NL=(γP0Leff/3)cos(2θ)(7)Δ?ΝL=(γΡ0Leff/3)cos(2θ)(7)當(dāng)θ≠0時(shí),這一相移使得部分功率透過檢偏器。注意到Ax=P0???√cosθexp(iΔ?NL),Ay=P0???√sinθ(8)Ax=Ρ0cosθexp(iΔ?ΝL),Ay=Ρ0sinθ(8)總的透射場為At=P0???√sinθcosθ[1?exp(iΔ?NL)](9)At=Ρ0sinθcosθ[1-exp(iΔ?ΝL)](9)透射率為Tp(θ)=|At|2/P0=sin2[(γP0L/6)cos(2θ)]sin2(2θ)(10)Τp(θ)=|At|2/Ρ0=sin2[(γΡ0L/6)cos(2θ)]sin2(2θ)(10)對于一給定的角度θ,Tp與功率P0有關(guān),所以產(chǎn)生脈沖整形效應(yīng)。根據(jù)這種原理制作的非線性光纖耦合器和干涉儀,如薩格納克干涉儀能反射低強(qiáng)度信號而毫無影響地透射高強(qiáng)度信號。若短脈沖含有較寬的低強(qiáng)度的基座,通過這種器件就可以消除基座。幾個(gè)薩格納克環(huán)串聯(lián),能顯著提高這種干涉儀的脈沖整形能力。非線性效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)整形的目的,但非線性系統(tǒng)本身對功率非常敏感,操作中要求很苛刻,在低功率的系統(tǒng)中無法使用。3頻率響應(yīng)函數(shù)的輸出函數(shù)ess使用可編程的空間光調(diào)制器進(jìn)行脈沖整形技術(shù),已經(jīng)成為對超快科學(xué)研究和光通信領(lǐng)域應(yīng)用地一種有力的工具。目前普遍采用4f結(jié)構(gòu)脈沖整形系統(tǒng),因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不會給輸出脈沖帶來色散。在頻域范圍內(nèi),濾波器由頻率響應(yīng)函數(shù)G(ω)表征。線性濾波器的輸出函數(shù)Eout(ω)是輸入函數(shù)Ein(ω)和頻率響應(yīng)函數(shù)G(ω)的卷積結(jié)果。Eout(ω)=Ein(ω)*G(ω)(11)Eout(ω)=Ein(ω)*G(ω)(11)Ein(t),Eout(t),和g(t)分別是Ein(ω),Eout(ω),和G(ω)的傅里葉變換。如G(ω)=∫g(t)eiωtdt(12)g(t)=12π∫G(ω)eiωtdt(13)G(ω)=∫g(t)eiωtdt(12)g(t)=12π∫G(ω)eiωtdt(13)如果輸入的是δ函數(shù),輸入頻譜Ein(ω)等于1,輸出頻譜是濾波器的頻率響應(yīng),因此,依據(jù)傅里葉變換關(guān)系,根據(jù)要求的頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)濾波器,可以產(chǎn)生需要的波形輸出。3.1群里葉變換原理光柵透鏡對空間濾波整形系統(tǒng)如圖2所示,光柵把脈沖展寬,使不同的頻譜成分衍射到不同的空間位置。準(zhǔn)直透鏡和反平行光柵對按照4F結(jié)構(gòu)放置(F是準(zhǔn)直透鏡的焦距),在這個(gè)4F系統(tǒng)的中央,放一個(gè)特別設(shè)計(jì)的調(diào)制器。輸入超短脈沖中的不同頻率成分被第一個(gè)衍射光柵衍射到不同的角度,小角度衍射的光線在第一個(gè)透鏡的后焦面上聚焦成有限的點(diǎn),頻率成分在一維空間上被分開。實(shí)際上,第一個(gè)透鏡起傅里葉變換的作用,把由光柵衍射的不同角度的光線轉(zhuǎn)換成在后焦面上空間分離的光線。調(diào)制器由兩個(gè)可變的狹縫構(gòu)成,兩個(gè)狹縫之間的距離可調(diào)。調(diào)制器能從固定的頻譜寬度中選擇兩個(gè)特定的波長。通過調(diào)節(jié)狹縫的寬度可以改變飛秒脈沖的頻譜寬度。第二個(gè)透鏡起反傅里葉變換的作用。最后,第二個(gè)光柵放在距第二個(gè)透鏡距離F的位置上,把頻率重新組合,成單一的平行光束,輸出整形脈沖。3.2聲光調(diào)制器的設(shè)計(jì)聲光調(diào)制器脈沖整形系統(tǒng)由一對光柵、聲光調(diào)制器和一對透鏡以4F結(jié)構(gòu)放置。聲光調(diào)制脈沖整形技術(shù)使用大孔徑的TeO2或InP聲光調(diào)制晶體,在零色散傅立葉平面的中心以布拉格角定向。整形的射頻信號驅(qū)動聲光調(diào)制器的換能器,在晶體中產(chǎn)生聲波,射頻信號在晶體中以聲速傳播,比光速小很多,這時(shí)的聲波像一個(gè)固定的已調(diào)制的衍射光柵,每一點(diǎn)的每個(gè)位值的聲波振幅和位相決定衍射效率和位相變換。聲光調(diào)制器放在傅立葉平面的中央,對輸入激光脈沖進(jìn)行振幅和位相的調(diào)制。被調(diào)制的光譜再由第二個(gè)透鏡會聚,第二個(gè)光柵重心結(jié)合。射頻信號的振幅和頻率完全控制著輸出脈沖的形狀。因此,根據(jù)傅立葉變換理論,對脈沖施加任意的調(diào)制,可以得到實(shí)時(shí)的任意形狀的脈沖。聲光調(diào)制器提供最大的空間帶寬,但是它的衍射效率一般比較低,不能在高重復(fù)速率系統(tǒng)中應(yīng)用。而且,低于50fs的范圍內(nèi)沒有聲光調(diào)制器的報(bào)道。3.3海水淡化工程的光學(xué)調(diào)制特性液晶調(diào)制脈沖整形結(jié)構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)由兩個(gè)衍射光柵,一對單位放大共焦凹球面鏡,兩個(gè)零級半波片和一個(gè)液晶調(diào)制器組成。一對光柵放在球面鏡焦平面上,光波通過第一個(gè)光柵后,頻率在空間上被分開。這種結(jié)構(gòu)用鏡子代替消色散透鏡,可以避免不利方波色散效應(yīng)。方波色散效應(yīng)使短脈沖變形,且限制脈沖整形能力。每個(gè)鏡子的入射光束和反射光束間保持10o左右的夾角來減小器件的散光。液晶調(diào)制器根據(jù)輸入的垂直偏振光束設(shè)計(jì),半波片調(diào)整光柵和液晶調(diào)制器之間的偏振狀態(tài)。由于水平偏振光要求有好的衍射效率。第一個(gè)半波片把入射光束旋轉(zhuǎn)90o,得到調(diào)制器要求的垂直偏振態(tài),第二個(gè)偏振片把垂直偏振態(tài)轉(zhuǎn)回水平偏振態(tài),和第二個(gè)衍射光柵匹配。現(xiàn)在最通行的電尋址液晶空間光調(diào)制器是薄膜晶體管透射陣列式液晶電視,這種電尋址液晶空間光調(diào)制器能方便地與計(jì)算機(jī)接口,在設(shè)定的光學(xué)調(diào)制模式下,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的單元像素的振幅或相位的調(diào)制。液晶空間光調(diào)制器主要是通過液晶分子的旋光偏振性和雙折射性來實(shí)現(xiàn)對入射光束的波面振幅和相位的調(diào)制,即其光學(xué)調(diào)制特性主要是旋光偏振性和雙折射性。對應(yīng)于不同的控制像素,通過調(diào)整分離的頻譜,改變輸出脈沖的形狀。液晶空間光調(diào)制器是目前飛秒脈沖整形裝置中應(yīng)用最廣泛的空間光調(diào)制器,可以整形低于15fs的脈沖。但是,當(dāng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)高速脈沖序列時(shí),液晶空間調(diào)制器整形的方法必須進(jìn)行復(fù)雜的傅里葉變換計(jì)算。4dst脈沖整形系統(tǒng)傅立葉變換脈沖整形是一種普遍接受的可產(chǎn)生近似任意形狀光脈沖的方法,包括高速脈沖序列。盡管傅立葉變換整形很成功,但當(dāng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的高速脈沖序列時(shí),這種方法必須進(jìn)行復(fù)雜的傅立葉變換計(jì)算。最新的系統(tǒng),直接空時(shí)(directspace-to-time,DST)脈沖整形系統(tǒng),目的是產(chǎn)生可以重新編程的高速光脈沖序列,應(yīng)用一個(gè)從空間模式的超短脈沖到時(shí)域光波形的直接映射,消除了復(fù)雜的計(jì)算。DS