超短脈沖的傳輸規(guī)律與衍射特性的研究.pdf

1、超短脈沖由于具有有效弛豫時間短、能量高的特征和超分辨能力,因此在物理、生物和化學(xué)等領(lǐng)域的超快過程中具有廣泛的應(yīng)用。由于傳輸媒介對光的吸收、色散和極化等過程的影響,超短脈沖經(jīng)過不同傳輸介質(zhì)時會呈現(xiàn)出不同的傳輸規(guī)律。光纖是光通信、醫(yī)學(xué)內(nèi)窺、信息傳感、顯微成像等技術(shù)中常用的光傳輸媒介,而激光脈沖則作為載頻信號在信息的傳遞中起著極其重要的作用。光纖的色散和損耗是光纖制約光信號無失真?zhèn)鬏數(shù)膬蓚€重要的參數(shù),因此盡可能地降低光纖的色散和損耗是信號無失

2、真?zhèn)鬏數(shù)闹匾Ｕ?。因此超短脈沖激光在光纖中傳輸時受到光纖損耗和色散的影響,脈沖的波形和能量必將發(fā)生相應(yīng)的變化。此外,超短脈沖含有豐富的頻譜成分,即使在無色散無損耗的介質(zhì)中傳輸時,也不可避免地受到衍射單元的限制,其衍射規(guī)律也將不同于連續(xù)光入射的情況。光柵作為最重要的光學(xué)衍射元件之一,在脈沖的整形中獲得廣泛應(yīng)用。光柵由于空間的周期性分布使得它在菲涅爾衍射區(qū)呈現(xiàn)衍射自成像現(xiàn)象,這就是光柵的泰伯效應(yīng)。這一效應(yīng)至今也在信息存儲和編碼、光波調(diào)制和高

3、功率激光器脈沖壓縮等許多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。通常在單色連續(xù)光照明下,光柵的衍射可采用菲涅爾衍射公式進(jìn)行積分運算,很容易獲得衍射的光場分布。然而當(dāng)多色的脈沖光照明下光柵的衍射需采用部分相干光理論進(jìn)行分析。本文針對超短脈沖技術(shù)的研究現(xiàn)狀,提出對超短激光脈沖在光纖中的傳輸規(guī)律和經(jīng)光柵衍射的理論與實驗研究。
　　本文的內(nèi)容主要分為以下五個部分。
　　第一章分析了超短脈沖的產(chǎn)生、光纖的結(jié)構(gòu)特征和光柵的衍射自成像現(xiàn)象規(guī)律。本章對超短脈沖進(jìn)行了

4、界定,介紹了脈沖技術(shù)的發(fā)展和獲取超短脈沖的方法。對光纖的結(jié)構(gòu)、光纖的分類以及傳輸特性進(jìn)行了詳細(xì)的說明,同時對光柵的結(jié)構(gòu)特征和光柵的泰伯效應(yīng)進(jìn)行了理論分析。
　　第二章對可見和近紅外波段內(nèi)的光纖損耗進(jìn)行了實驗研究。采用鹵鎢燈發(fā)出的連續(xù)譜做為多色照明光源,利用光纖截斷法對多色光在光纖傳輸過程的損耗進(jìn)行實驗測量。由此得到光纖在可見光和近紅外波段內(nèi)光纖損耗系數(shù)隨波長的變化關(guān)系。實驗中對測得的光纖相對吸收峰值與已有文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗證了本

5、文實驗方法的可靠性。同時對引起光纖的各吸收峰值的原因給出了相應(yīng)的解釋。這為超短脈沖激光在光纖中的傳輸研究奠定基礎(chǔ)。
　　第三章研究了超短脈沖在色散光纖中的傳輸,采用傅里葉變換法將時域信號變換為頻域信號,分析了超短脈沖在色散光纖中傳輸,再利用反傅里葉變換獲得衍射脈沖時域分布。通過將傳輸常數(shù)做泰勒展開分別討論了不同階次的色散對超短脈沖的脈寬和時域輪廓的影響,結(jié)果表明光纖的二階色散有效地展寬了脈沖,光纖的三階色散卻引起了脈沖的時域輪廓畸

6、變。
　　第四章實驗研究了連續(xù)光照明下的菲涅爾衍射深區(qū)內(nèi)的光柵衍射規(guī)律。實驗上提出了采用顯微放大技術(shù)對高密度光柵在菲涅爾衍射深區(qū)內(nèi)的光強分布進(jìn)行測量的方法,并將實驗測量的結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行了比較,實驗結(jié)果與理論結(jié)果幾乎相一致。結(jié)果表明在精確的泰伯距離處不能獲得光柵的精確泰伯像,只能在泰伯距離附近得到光柵的類泰伯像。
　　第五章研究了超短脈沖照明下光柵的泰伯效應(yīng)。采用部分相干光理論分析了超短脈沖照明下光柵的衍射,獲得了瞬時與平