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1、班级代号学号密级10320公开本科毕业论文 （物理与电子工程学院）院）题（中、英文）目光栅对脉宽压缩系统优化与设计The Design and Improvement on the Laser Pulse WidthCompression with Blazing Double-Grating作者姓名指导教师姓名学科门类工学提交论文日期二零一五年五月专 业 名 称光信息科学与技术光栅对脉宽压缩系统优化与设计摘要：超短激光具有时间宽度短、光谱含量丰富、光脉冲峰值功率高的特点。由于工业生产对具有一定波长的超短脉冲光纤激光器的需求日益增大，对超短脉冲激光器的研究已十分必要。本课题简述双通结构光栅压缩
2、器的基本结构和光学原理，利用闪耀光栅对来实现对半导体激光器输出脉冲进行脉宽压缩，从而输出超短脉冲，实现对光能的高效利用。关键词：闪耀光栅 双通结构 脉宽压缩 超短脉冲The Design and Improvement on the Laser Pulse Width Compression with Blazing Double-GratingAbstract：The ultra-short laser has the features of short time width,abundant Spectrum and high-power on the pulse peak.Due to
3、the rising demand on the compression on the ultra-short laser pulse width in industry, whose wavelength is especial, it is necessary to make research on the compression on the ultra-short laser pulse. The project is to summarize the basic structure and optic theory about the grating compression with
4、 double structure, use the blazing double-grating to make compression on the LD,making the ultra-short laser pulse and using the optic energy adequately.Keywords: blazing grating double-structure compression ultra- short pulse光栅对脉宽压缩系统优化与设计目录1.绪论12、脉宽压缩的方式22.1棱镜压缩22.1.1单棱镜32.1.2棱镜对42.2.光纤压缩52.2.1 光纤
5、色散52.2.2单模光纤62.3.光栅压缩82.3.1透射光栅82.3.2闪耀光栅92.3.3闪耀光栅的原理102.3.4透射光栅和闪耀光栅的区别113.光栅压缩器123.1压缩器123.2双通结构压缩器123.3光栅对133.4光栅对的色散补偿153.5光栅对的不足和解决184.结论、致谢19参考文献20正文1.绪论 1917，爱因斯坦从理论上介绍了“受激辐射”的概念，在物质的原子能级上，有数目不一的的粒子（电子）分布在各个能级上，当高能级E2的粒子被频率为的光子照射时，会跃迁到能级，此时会产生出两个与入射光子完全相同的光子，即相同的频率，相同的相位，相同的偏振态和相同的传播方向。入射一个光
6、子，出射两个光子，意味着信号被放大了。这类在受激辐射过程当中产生的，并且被放大的光，称作激光。激光，Laser，是受激辐射的光放大，其英文全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。1953年，美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身，微波受激发射放大（英文首字母缩写maser）。1957年，Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束。直到1960年，美国科学家梅曼博士发明了波长是694.3nm的红宝石激光器。这是人类历
7、史上获得的第一台激光器。激光具有方向性好、亮度高、单色性好和高能量密度等特点。在理论基础完备和科研生产迫切需要的背景下，激光应运而生的。它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且致使一门崭新的新兴产业的出现。超短激光加工技术，在生产生活中被广泛运用，它是以激光与物质相互作用的原理为基础，对包括金属与非金属的特殊的材料，进行焊接、切割、表面处理、打孔，还有作为光源，辨别特定的物体的一门新型高科技技术，应用最大的传统领域应属激光加工技术。在3D打印、通信行业、汽车行业、计算机行业、电气自动化行业、医疗行业、航天事业等都发挥了重要的角色，激光技术在
8、生产实际生活中发挥的淋漓尽致，大放光芒。尤其是在军工事业上，激光武器早已被各国所重视，如今激光产业的发展水平已经成为衡量一个国家工业发展水平的一个非常重要的指标。在激光脉宽压缩的发展历史上，常用的脉宽压缩方式有三种，分别是利用棱镜、光纤和光栅来进行激光脉冲宽度的压缩。在使用棱镜压缩脉冲的过程中，又分为单棱镜和棱镜对两种方式，这两种实验器材与结构不同的方式，产生的脉宽压缩的效果截然不同。在光纤压缩脉冲过程中，存在色度色散、偏振模色散、波导色散等，他们对单模光纤和多模光纤的影响各不相同。在光栅压缩脉冲使用过程中，又分为透射光栅和闪耀光栅，两种光栅有着截然不同的物理结构与工作原理，在压缩脉冲宽度时，
9、通常使用闪耀光栅。由于棱镜本身的局限性导致谐振腔与实验器材很难被缩小以便轻巧，光纤存在各种色散，致使科学工作者寻找其他更好的分光元件，对具有优异的分光性能的光栅的研究被逐渐开展并被广泛运用。本文阐述的是半导体激光器发出的光脉冲在通过光纤后有色散发生，进而在腔外使用光栅对来进行色散补偿。色散补偿是指半导体激光器输出的激光有一定的脉宽，当这束光从光纤输出后，脉宽增加，信号失真，而光栅对则是可以“压缩”脉宽，使失真的信号尽可能恢复到之前输入的信号的现象。光纤的功能是通过能够产生线性啁啾的正常群速度色散（Group-Velocity Dispersion,GVD）和脉冲本身能够产生非线性啁啾的相位调制
10、作用(Self-Phase Modulation,SPM）的联合效应，使脉冲光束产生相似的线性的正啁啾。GVD指的是光脉冲的包络以群速度移动。SPM指的是在光纤中传输时，光场本身感应的相移。光栅对则是产生反常GVD来压缩正啁啾脉冲光束1。本次光栅对脉宽压缩系统优化与设计，所使用的是掺镱（YB）半导体激光器，输出波长设定为为1040nm，输出功率设定为218.7mW，LD的输入电流是1011.5mA，泵浦功率是520W，1的复色散光纤。每毫米1200条刻线，闪耀波长是750nm，闪耀角是36052，规格尺寸是25*25*6mm的GR25-1210闪耀光栅。2、脉宽压缩的方式2.1棱镜压缩何为光的
11、色散？其实就是复合光束通过棱镜等分光器件被分解成各种单色光的现象。不同波长的光在真空中的传输速度是一样的，而在介质中，光的传输速度跟光的波长有关系。在同一介质中，不同波长的单色光的折射率也是不相同的，具体关系如下： （2-1）a,b,c,是三个柯西色散参数，随不同的物质而有所不同。所以只需测定三个不同波长下的折射率，就可以求出这三个系数。三棱镜的色散示意图见图2.1所示：图2.1 三棱镜白光色散示意图 在固体激光器中，拥有很好的光学性能与足够的增益带宽，以掺钛蓝宝石激光器为代表，再而还有克尔透镜锁模技术被普遍的使用，飞秒固体激光器已经成为科研群体特别关注的研究方向。但是由于掺杂浓度的问题，所使
12、用的增益介质长度一般比较长。超短光脉冲通过这么长的介质后，一般都会受到比较强的正色散和自相位调制，这样光脉冲就具有了比较强的正啁啾特性。为此，一般在固体激光器中插入棱镜来进行负色散补偿2。2.1.1单棱镜 单棱镜色散补偿的原理是当激光器腔内多色光束经过光色散器件时，不同波长的光束，会以不同的光轴和角度去传播，目的是补偿腔内的角色散与材料色散。单棱镜的色散补偿结构，使得在介质中，不同波长的脉冲光束，以不同的光轴进行传播。这样的话，脉冲光束的频谱在空间分开，使得振荡光束和泵浦光束的相互耦合受到干扰，从而导致脉冲频谱宽度受到影响，限制脉冲宽度的压缩。而且，由于小曲率双色镜间隔不能过大，使得棱镜与镜子
13、之间的距离就不能太短，这样就限制谐振腔的进一步缩短2。单棱镜压缩脉宽的原理结构见图2.2所示：图2.2 单棱镜脉宽压缩光路示意图2.1.2棱镜对棱镜对的色散补偿原理则是将实验中的色散量分配到谐振腔两个长臂上，两个棱镜的角色散相互补偿，可以使谐振腔的腔长大幅度减小，振荡光束和泵浦光束的耦合效率较高，晶体的自聚焦作用很强，产生的脉冲频谱较宽，脉冲宽度可以得到有效压缩，可以使谐振腔的腔长大幅度减小2。棱镜对压缩脉宽的原理结构见图2.3所示：图2.3 棱镜对的压缩光路示意图双棱镜对色散公式： 棱镜对的二、三阶色散，其解析表达式3是： （2-2）其中： （2-3）式中，P是光学长度，是光在空气中的波长，
14、L是棱镜对顶之间的距离，U是A、B光线之间的夹角，它是光频率的函数，n是光学材料的折射率。由于棱镜对会产生三阶色散，所以要采用色散量较小的介质制备棱镜。同时需要减少增益介质的长度，这样可以减少棱镜对自身产生的二阶色散和激光腔内正色散和自相位调制。这里，减少增益介质的长度，需要增加增益介质的掺杂浓度，来保证对泵浦能量的吸收能力，但是制造这样的增益晶体在生产中技术成本较高，所以，当转而采用低色散介质制造相应的棱镜对时，就要加长棱镜对之间的有效距离，来补偿相应的二、三阶色散，还有正啁啾。这样，激光腔的长度就被加长了，一般是50-70cm。2.2.光纤压缩2.2.1 光纤色散在损耗”术语中，色散是光纤
15、传输中的损耗之一。随着光纤制造工艺的不断提高，在长距离的光通信系统中，脉冲光束信号在光纤中传输的损耗已经不是主要问题，光纤色散成为光纤传输中的主要因素之一。当光脉冲信号在光纤中经过长距离传输以后，脉冲光束的波形在时域上发生展宽的现象称作是光纤色散。正如图2.4所示：图2.4 沿光纤传输时相邻脉冲的展宽和衰减光纤色散的影响是输入的脉冲光束信号在光纤中传输，脉冲展宽到一定程度，进而码间相互干扰，误码率提高，光纤的通信容量被大大缩小。色散的程度在时域上用脉冲展宽来描述。就是信号最先到达的和最后到达的时延差，脉冲展宽越大，色散越严重，就会产生码间干扰，影响整个光纤通信系统的正常工作。色散的程度在频域上可以用带宽来描述，两者的关系可以有一系列公式推到而得出：
