1、分类号：U0433.1 U D C：D10621-408-(2013)0827-0密 级：公 开 编 号：2009031033成 都 信 息 工 程 学 院学 位 论 文利用多光束干涉提高超短脉冲信噪比的研究论文作者姓名： 吴 亮申请学位专业： 电子科学与技术申请学位类别： 工学学士指 导 教 师 姓 名 (职 称 )： 黄春玲 (讲师)论文提交日期： 2013 年 06 月 06 日利用多光束干涉提高超短脉冲信噪比的研究摘 要自激光诞生以来，在众多领域取得了重大突破，为人类探索未知世界提供了强有力的手段。在其实际应用中，如何提高啁啾脉冲信噪比一直是超短脉冲系统研究的重点工作。本文分析比较了超
2、短脉冲信噪比提升技术现状，在此基础上，提出了一种利用多光束干涉扫描滤波法提高超短脉冲信噪比的方案，并对方案进行了数值模拟。论文的主要内容为：(1) 介绍了飞秒激光的发展背景，啁啾脉冲放大技术和超短脉冲信噪比的基本理论；(2) 建立了信号模型和噪声模型，详细阐述了扫描滤波法提高啁啾脉冲信噪比的原理；(3) 提出了一种基于内置电光晶体 F-P 标准具的扫描滤波方案并给出了方案实例。该方案利用 F-P 多光束干涉原理和晶体的线性电光效应，通过调制电光晶体两端的电压，使电光晶体输出的透过光谱滤波函数与啁啾脉冲信号光的啁啾率一致，从而使啁啾信号脉冲高效率的通过，而噪声的透过率很小，以达到提高啁啾脉冲信噪
3、比的目的。并推导出了电光晶体加载电压的时变函数表达式，分析了影响信噪比提升效果的主要因素，并重点讨论了电光晶体的电压控制参数对信噪比提升效果和滤波器透过率的影响。结果表明，该方案提高啁啾脉冲信噪比可达两个数量级。关键词：飞秒激光；信噪比；电光晶体；扫描滤波；F-P 标准具；啁啾脉冲；电光效应The Investigation of the Customer Satisfaction for the Construction of Electronic Resources of the University LibraryAbstractSince the laser its born, it
4、has achieved a major breakthrough in many areas, provides a powerful means for the human exploration of the unknown world. In its actual application, how to improve the chirped pulse signal-to-noise ratio has been the focus of research of the ultrashort pulse. This paper analyzes and compares the ul
5、trashort pulse SNR improvement situation, on this basis, put forward a kind of interference scanning filtering method to improve the signal-to-noise ratio of the ultrashort pulse scheme using multiple beam, and has carried on the numerical simulation. The main content of this thesis is: (1) introduc
6、ed the development background of femtosecond laser, chirped pulse amplification technology and basic theory of ultrashort pulse signal-to-noise ratio. (2) to establish the signal model and noise model, describes in detail the scanning filtering principle of improving SNR of chirped pulse. (3) A Fabe
7、ry-Perrot scanning spectral filter program for improving the SNR of chirp pulse has been designed,and it gives the project example. using the principle of multiple beam interference of the F-P etalon and the linear electro-optic effect of the crystal, the output spectral filtering function of the el
8、ectro-optic crystal has been controlled to be the same as chirp rate of chirped pulse by modulating the voltage loading on the electro-optic crystal, resulting in the high transmission of the signal chirp pulse and low transmission of the noise to achieve the purpose of improving the SNR of the chir
9、ped pulse. The time-varying function of electro-optic crystal voltage has been given, and the main factors affecting the SNR have been analyzed. Moreover, the effects of the control parameters of the electro-optic crystal voltage on the SNR and the transmittance of the filter have been discussed in
10、detail. The results show that, this scheme improves the chirped pulse signal-to-noise ratio is up to two orders of magnitude.Key words: femtosecond laser; signal-to-noise; electro-optic crystal; scanning filtering; Fabery-Perrot spectrum filter; chirped pulse; electro-optic effect 目 录论文总页数：21 页1 引言
11、.11.1 飞秒激光的发展概述 .11.2 啁啾脉冲放大技术、超短脉冲信噪比的基本理论 .21.3 提高超短脉冲信噪比的研究意义及最新研究成果 .31.4 本文主要研究内容及结构安排 .42 扫描滤波法及相关原理 .42.1 电光效应、电光双折射理论 .42.2 信号、噪声模型 .92.2.1 信号模型 .92.2.2 噪声模型 .102.3 利用扫描滤波法提高啁啾脉冲信噪比的原理 .113 利用多光束干涉提高啁啾脉冲信噪比的扫描滤波方案 .123.1 内置电光晶体 F-P 标准具扫描滤波原理 .123.2 内置电光晶体 F-P 标准具扫描滤波器方案设计 .134 数值模拟与结果分析 .154
12、.1 多光束干涉扫描滤波方案提高啁啾脉冲性噪比的数值模拟 .154.2 改进优化方案设想 .18结 论 .19参考文献 .19致 谢 .20声 明 .21第 1 页 共 21 页1 引言1.1 飞秒激光的发展概述激光是 20 世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。它自一问世，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，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。近年来，一种更为奇特的激光飞秒激光走进了人们的生活。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时
13、间非常短，只有几个飞秒。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，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。飞秒激光最早出现在上世纪 70 年代初，在之后的几十年里取得了飞速发展。尤其是宽带掺钛宝石激光晶体的出现，极大促进了飞秒激光发展。1994 年，通过使用啁啾脉冲放大技术，使得激光脉冲宽度达到 10 fs。目前，利用克尔透镜自锁模技术、光学参量啁啾脉冲放大技术、多通放大技术和腔倒空技术等可以使激光的脉冲宽度达到 1 fs 以下，激光脉冲的峰值功率也从太瓦提高到拍
14、瓦。超短脉冲和高强度的飞秒激光已经显示出独特的光波特性，为研究超短脉冲技术提供了新的途径。飞秒激光的高速发展使其在众多领域均有重要的应用。在理论研究方面，利用飞秒激光所产生的超高强度电磁场可以产生相对论中子，也可以直接对原子和分子进行操作.在使用台式核聚变激光装置时，用飞秒激光脉冲照射氘-氚分子团可引发核聚变反应，产生大量的中子。飞秒激光用于超微细加工技术领域的应用与先进的制造技术紧密相关，飞秒激光在工业方面的主要应用是烧蚀加工，不会像纳秒光脉冲那样会形成熔化层，用飞秒激光脉冲烧蚀加工，能量利用率高，且不会使烧蚀部分发生化学组成变化。飞秒激光的加工材料包括金属、陶瓷和半导体不透明材料及电介质等
15、透明材料。飞秒激光在医学方面也有重要应用。由于飞秒激光具有快速和高分辩率的特性，目前已经被应用于眼科领域。飞秒激光技术是现代物理学的最新研究成果，准分子激光与角膜组织相互作用是通过光致断键作用，而飞秒激光与角膜组织间是一种光致分解作用。其能在非常短的时间里聚焦于组织内极狭小的空间，产生巨大的能量，使组织电离。物质在飞秒激光的作用下瞬间变成等离子第 2 页 共 21 页体。由于等离子体产生的电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还大数倍，最终使组织通过光裂解爆破产生微小气泡，成千上万紧密相连的激光脉冲产生数以万计的小气泡连在一起，结果达到极其精密的组织切割效应。1.2 啁啾脉冲放大技术、超短脉
16、冲信噪比的基本理论啁啾脉冲放大技术（CPA）是美国 Rochester 大学的 Strickland.和 Mourou.G教授在 1985 年提出的。它也是是获得超高功率、超高脉冲对比度和高光束质量激光脉冲的有效途径。其基本原理是：在脉冲信号被放大之前先用光脉冲展宽器将其展宽，使其峰值功率在光学器件能够安全运行的范围内，当脉冲信号经过放大后，再将展宽后的信号经过光脉冲压缩器压缩到原来的宽度。其工作示意图如图 1-1 所示图1- 1 CPA原理示意图光脉冲由振荡器输出，在信号光脉冲被放大之前，先被光脉冲展宽器（由光栅对组成，或由棱镜对组成）进行展宽，此时光谱被展宽了；在放大过程中，光脉冲能量被放
17、大，之后进入光脉冲压缩器（由光栅对组成，或由棱镜对组成）压缩回高能超短脉冲。其中，大多数 CPA 系统在脉冲展宽后采用的放大器，能将脉冲能量从振荡器的 nJ 放大至 mJ 水平，为整个放大系统提供主要的增益倍数，CPA 中的放大器通常采用再生和多通放大结构。再生放大，就是从锁模光脉冲序列中选出一个种子脉冲，注入再生放大器的谐振腔，利用谐振腔有效放大种子脉冲，后用腔倒空原理使放大的信号导出。多通放大方式的放大器不构成振荡腔，是一种功率放大器。光脉冲每次都以不同的路径通过放大介质，尽可能多地提取增益介质中的能量。这样当通过采用 CPA 系统，即使在输入光脉冲为长脉冲的情况下，也能够既保证足够高的激
18、光能量，获得高的激光峰值功率；又能够保持足够低的功率密度，预防了非线性效应对光学器件造成损坏。超短脉冲信噪比根据不同的应用，有以下几种不同的定义：(1) 将信噪比（ SNR）定义为信号光与噪声的强度之比：(1-1)ASELINR第 3 页 共 21 页(2) 将信噪比（ SNR）定义为信号光与噪声的能量之比：(1-2)nsWSNR(3) 将信噪比（ SNR）定义为信号峰值强度与本底噪声峰值强度之比：(1-3)nsP1.3 提高超短脉冲信噪比的研究意义及最新研究成果自激光诞生以来，高功率超短激光脉冲技术发展迅速。当前，人们已采用啁啾脉冲放大（CPA）技术获得了峰值功率高达拍瓦量级的飞秒激光脉冲。
19、此飞秒激光脉冲经过聚焦后，其光场强度可达，由此获得的光场强度数百倍甚至数百万倍于原子内电场强度，该激光电场提供了极端的物理条件，从而为人类探索未知世界提供了强有力的手段。然而，现在的高功率短激光脉冲系统中，信噪比低的问题并没有得到很好地解决。从激光技术角度看，信噪比因素是一个总体性的技术问题，它将影响超高功率 CPA 激光系统的总体技术方案。在实际工作中，如何有效地减小或避免不利因素的影响，在提高系统运行效率的同时，有效地提升系统输出脉冲信噪比，一直是高功率超短脉冲系统研究工作的重点和难点之一。目前用于提高超短脉冲性噪比主要由以下几种方法：(1) 交叉极化波由于交叉极化波法（XPW）的产生源自
20、于晶体的三阶非线性张量实数部分的各向异性，与输入脉冲强度的三次方成正比，是一个四波混频过程，所以能有效提高对比度。V.Chvykov 等人利用 XPW 技术将对比度提高了超过 4 个量级，得到了对比度高达 的 50 TW 的激光脉冲。10(2) 可饱和吸收体法Kyung-Han Hong 等人利用可饱和吸收法获得了 的对比度（以 1 KHz8104的重复率的 J 级能量注入系统） ，信噪比提升了 400 倍。但采用可饱和吸收体法会出现非线性相移，从而导致光束空间轮廓的变形，以及非线性饱和吸收所要求的峰值功率一般会超过大多数媒质产生自聚焦所需要的能量，同样也会造成光束空间轮廓的扭曲(3) 等离子
21、体镜滤波由于等离子体镜对强度越高的脉冲反射率越到，反之亦然。因此，可以用它来清除强度小的预脉冲，从而提高输入信号信噪比（有望提高 2 个数量级） 。而 G. Doumy 等人采用双等离子体镜的方法将对比度提高了 倍，获得了410超过 的信噪比。但采用等离子体镜滤波存在转换效率低、光路调整复杂等10第 4 页 共 21 页问题。(4) 频率转换法利用频率转换效率与入射光强度成正比，再用一二向色镜来分开两光，从而清除掉预脉冲，达到提高对比度的目的。N. Blanchot 等人采用倍频的方法获得了对比度超过 的 10J，300fs 脉冲。10(5) 基于 XPW BaF2 过滤器的 OPCPA在 O
22、PCPA 装置中，光经过光参量放大（ OPCPA）并通过压缩器后，加入XPW BaF2 过滤器，以除去预脉冲，以达到提高对比度的目的。A. Cotel 等人利用该方法，对 1 mJ，310 fs（通过压缩器后）的输入脉冲，提高了 3 个数量级的对比度，XPW BaF2 过滤器能量传输效率达到 22%。(6) 环形腔放大法Y.Yanovsky 等人采用环形腔放大来降低自发辐射噪声，信噪比可以提高两个量级，获得了信噪比为 的飞秒脉冲。但是使用该技术方案时光路调整复杂，810且仅适用于预放，难以在激光系统中的后级放大中使用。1.4 本文主要研究内容及结构安排本文提出了一种基于扫描滤波原理的超短脉冲性
23、噪比的提升方案。通过建立信号、噪声模型，对多光束干涉扫描滤波原理进行了详细的分析。最后对方案进行了数据的模拟仿真。本文主要内容安排如下：(1) 第一章是绪论，介绍了飞秒激光的发展背景以及目前国内外在超短脉冲信噪比提升技术领域的研究现状和进展。对用于产生高功率超短脉冲的啁啾脉冲放大（CPA）技术及超短脉冲性噪比的基础理论进行了阐述。(2) 第二章主要介绍扫描滤波法及其相关的理论介绍。主要包括电光效应、电光双折射理论。并建立了信号、噪声模型。(3) 第三章基于理论基础设计了内置电光晶体的 F-P 标准具扫描滤器方案，在理论上证明了其可行性。(4) 第四章对设计方案进行了数值模拟仿真，分析了电压控制
24、和透射谱的分布，给出了电光晶体控制电压函数的解析表达式，并详细讨论了影响信噪比提升效果和扫描滤波器透过率的主要因素。进行了改进方案的设想。(5) 最后对全文进行总结分析。2 扫描滤波法及相关原理2.1 电光效应、电光双折射理论介质因电场作用引起变化的现象称为电光效应。折射率和电场的关系可表示为：第 5 页 共 21 页(2-1).20bEan式中 是E为0时的折射率，a，b为常数。其中电场一次项引起的变化称为线性n电光效应，由Pokels 于1893年发现，故也称为Pokels 效应，一般发生于无对称中心晶体中。由电场的二次项引起的变化称为二次电光效应，由 Kerr 在 1875 年发现，也称
25、 Kerr 效应，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多。 光在介质中的传播速度为 ，其中介电系数 为对称的二阶张量，1c即 ，故 。当介质为各向同性时，有jiij)3,2,(jiEDiji，D 和电场强度 E 成线性关系。当介质为各向异性时，由于321各方向的折射率不同，会导致各偏振态的光传播速度也不同，呈现出电光双折射现象。基于电光效应理论。当电光晶体工作在外加电场中，其折射率随电场变化而变化。用折射率椭球方程来描述折射率与光的偏振及光路传播方向的关系，在主轴坐标系中，折射率椭球方程为 ，式中 是三个12221nzynx in主轴方向 X、Y、Z 的折射率，称为主折射率。对于单轴晶
26、体，有 ，02，折射率椭球为旋转椭球。en3如图 2-1 所示，以 为光的波矢方向，过原点 o 作一个和 垂直的平面，or r与椭球相截得一椭圆，其长短轴方向为沿 传播的光波矢的两个偏振方向，长r短轴的大小代表沿这两个方向振动的线偏振光的折射率大小 和 ,传播速度分1n2别为 和 。1nc2图2- 1 折射率旋转椭球示意图对电光晶体加电场后，折射率椭球的形状和大小等均会发生相应变化，椭球方程变为：(2-2)1221213321 yxnzynzynx第 6 页 共 21 页式中 、 和 交叉项是由电场引起，表示变形后的椭球主轴和未加电场时yzxy的折射率主轴不重合。电场和折射率有如下关系式： (
27、2-3)63261554432311zyxE21323211nnn式中， 称为电光系数，它是三阶张量，有 18 个分量，)3,21,6,(jij但受晶体对称性的影响，不为零的个数仅为有限的几个。由于电光晶体一般是按照相对于光轴的一些特殊方向而切割制作，因此通常是成长方形或成圆柱形。电场是沿 x、y、z 中的某 个方向加到电光晶体上的。常用的有两种方式：一种是：电场强度方向与光路传播方向一致，即都沿着 z 轴，称为纵向电光效应；另一种是电场强度方向沿 z 或 x 或 y 轴，而光路传播方向与电场强度相垂直，称为横向电光效应。电光晶体材料众多，以常见的 电光晶体磷酸二氢钾（KDP）和铌酸锂m24（LiNiO 3）为例，独立且不为零的电光系数是 。加上电场后0,635241KDP 晶体的折射率椭球方程为：(2-4)121)(1 634141220 zyxe ExzEzynyxn当电场方向沿 Z 轴方向时，上式变为(2-5)2)(163220 zeyxznyxn经过坐标变换后(2-6)1)1()1( 2263206320 znyEnxEnezz折射率变化为
