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利用相位光栅的衍射检测啁啾飞秒激光脉冲

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第22卷第2期 上海电 力 学 院 学报 Vo1.22.No.2 2006年6月 Joun3al of Shanghai University of Electric Power June 2oo6 文章编号:1006—4729(2006)02—0184—03 利用相位光栅的衍射检测啁啾飞秒激光脉冲 王淮生 ,蒋秀丽 ,张秋霞 (1.上海电力学院数理系,上海200090; 2.黄河科技学院实验中心,河南郑州450005) 摘要:分析了一种o-霄相位光栅在啁啾飞秒激光脉冲照射下的菲涅耳衍射、通过选择相位光栅的结构。可 以使衍射光的±1级分量最大.提取±1级衍射分量。并通过两反射镜将这束光在远处干涉 当飞秒激光脉 冲的宽度一定时干涉条纹的强度与飞秒激光脉冲的啁啾系数有关.通过检测干涉条纹的强度,可以间接测量 飞秒激光脉冲的啁啾系数. 关键词:啁啾飞秒激光脉冲;相位光栅;菲涅耳衍射 中圈分类号:TN24;0436.1 文献标识码:A Measuring Chirped Femtosecond Laser Pulse by the Difraction of a Grating WANG Huai—sheng ,JIANG Xiu--li,ZHANG Qi-u—xia (1. lJle,,l口 and Physics,Shanghai Um ̄.uy Power。Shanghai 200090,China; 2. labonuor ̄Center of ̄ienee and Technology College ofYeUow River。zl ̄ou 450005,China) Abstract:The Fresnel difraction of a 0一霄phase grating under chirped femtosceond laser pules illumination is analyzed.By choosing special structure of the phase grating,the difraction light mainly contains±I order components. ±I order difraction components are extracted。and these two light beams al directed to interfere in the far ergion via two mirrors.The intensity distribution of hte interference stripes is influenced by the chipr parameter of hte femtosecond pules when hte width of hte pules is fⅨed.By detecting the interference stripe intensiyt.hte chipr parameter of the femtoseeond pulse can be me88ured indirectly. Key words:chirped femtosecond laser pulse;phase grating;Fresnd difraction 飞秒脉冲激光技术自20世纪90年代以来迅 w)甚至拍瓦(PW,即l0 w)量级,其可聚焦强 速发展.目前已经达到了4飞秒(fs)以内(可见光 度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般 一近红外波段).1(fs)=10 S,仅为1千万亿分 大小后的能量密度还要高.飞秒脉冲激光技术在 之一秒.采用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术获得 凝聚态物理、化学、生命、电磁辐射、精密加工等自 的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦( ,即l0 然科学与技术的多个方面有着重要的应用.脉冲 收稿日期:2005—12—27 基金项目:上海市自然科学基金(o4zR140r77);上海市教育委员会发展基金(04Lb07);上海电力学院发展基金(K一 2004-03)资助课题. 维普资讯 http://www.cqvip.com

王淮生等:利用相位光栅的衍射检测啁啾飞秒激光脉冲 宽度和相位(啁啾系数)是描述飞秒脉冲的两个 重要参数.飞秒脉冲的相位在某些应用中起着重 要的作用,例如,通过测量透过一块非线性材料的 飞秒脉冲的相位变化,可以测量该材料的非线性 性质.本文利用飞秒脉冲激光的光栅衍射特性提 出了一种检验其相位的简单方法. 1 飞秒脉冲激光相位测量简介 光谱位相相干电场重构法(SPIDER)¨ 和 频率分辨光学开关法(FROG) -51是两种主要的 测量飞秒脉冲相位的方法.SPIDER的基本原理 就是若使满足相干条件的两束光在光谱仪中实现 相干,则获得频域的干涉条纹,并由此可提取出 两束光的频谱的位相差;当已知其中一束光(参 考光)的谱相位,就可以求出另一束光(信号光) 的谱相位.通过SPIDER的光谱剪裁可以求出信 号光与参考光的频谱的相位差.FROG测量光谱 分辨的自相关函数,即脉冲的瞬时频率作为时间 函数的二维谱图,然后用迭代的方法从谱图中还 原出脉冲的电场分布,从而获得该脉冲的强度和 相位信息. 2,在啁啾飞秒激光脉冲照射下相位 光栅的菲涅耳衍射特性分析 当一单色平面光波照射一个光栅时,光栅的 自成像将出现在Talbot平面 2d n 式中:d——光栅的周期; A——光波的波长; n——正整数. 在分数泰伯平面将出现光栅的相似像.分数 泰伯平面 I/ JNl\ 2d 式中,Ⅳ。,Ⅳ2——自然数且没有公约数.近 年来在非单色光照射下光栅的Talbot效应引起了 人们的重视. 很多学者研究了光栅的Talbot效应 。。.文 献[11]和文献[12]讨论了光栅在飞秒激光照射 下瞬时和时间平均Talbot效应.文献[13]讨论 了通过泰伯效应测量飞秒激光脉冲的宽度.本文 将基于Fresnel—Kirchhoff衍射公式和傅里叶变换 理论,研究相位光栅在啁啾飞秒激光脉冲照射下 菲涅耳衍射,研究飞秒激光脉冲的啁啾系数与衍 射特性的关系.当啁啾系数较小时提出了一种检 测飞秒激光脉冲啁啾系数的方法.该方法的特点 是:设计简单且适合于任何波长. 为方便起见,我们讨论一维问题.设有一束 啁啾飞秒脉冲激光照射一个0一订相位光栅,光 栅位于z=0平面上.光栅的相位 的分布如图l 所示. J Ⅱ 厂] 厂 ]厂] ~ -5d/4-3d/4一d7 4 0 d/4 3d/4 5d/4 图1 0一叮r相位光栅的相位分布 相位光栅的透射函效g( )日J表不为 g )=e ( )+ ( 一手) (1) ( )+ oo)= =∑,=一 I∞ lrect:。f , U2  I1I (2) 式中,d——光栅的周期. 将a(x)展成傅里叶级数为 g( )=.)= ,羔A=∑ l一∞ 、iexp(  Ui ) ,l (3) =与(sin _2sin ) (4) 从式(4)可知,0级衍射光的衍射效率为0, ±1级衍射光的衍射效率为40.5%,±2级衍射 光的衍射效率为0,±3级衍射光的衍射效率为 4.5%. 当啁啾系数较小时,设啁啾飞秒激光脉冲可 描述为 Uo(0 =exp(一/COot+社 一 t2) (5) U0(0,t)的傅里叶变换为 u。(0,∞)=l f+ ̄。uo(t)ex ∞t) 一厂—— 广一 √ × 唧(一 )× 唧(一 ) ㈤ 维普资讯 http://www.cqvip.com

上海电力学院学报 2006钲 式中: 。——中心圆频率; 口——啁啾系数. 干涉区域内,条纹的强度不随距离变化且亮条纹 的强度为 (12) 飞秒激光脉冲的半高全宽△丁与 的关系为 ^一 — 2V2h2 ●(7) 当口=0时亮条纹的强度为 ,0:2一在一般情况下,啁啾飞秒激光脉冲可描述为 2 . t2 (13) 0(0,t)=exp(一 ∞0t一希+ 1tj+ 定义亮条纹的相对强度为 二』 t3+恼t +…) (8) 这里卢 , ,岛,…为常数.虽然要找出 (O, t)的傅里叶变换的表达式有一定的困难,但我们 可以根据一定的精度求出近似解. 为提取±级衍射光,我们在相位光栅的后面 放置一个光阑,如图2所示. 图2利用相位光栅的衍射检验飞秒激光脉冲 啁啾系数的设计方案 我们忽略光阑的衍射效应并选择0,1满足 d sin 0 1=A0 (9) 式中,A。——飞秒脉冲激光的中心波长. 根据菲涅耳衍射的角谱理论,±1级衍射光 的光场可分别表示为 o,O ̄o)eXp[i( + )】 .[—了一、, 21T(1一 ) exp【 ( + 肺)】(1o) = ,too)exp[i( + )】 l =,一× 2"rr(1一 ) exp【 ( + 脐)】(11) 为了测量的方便,我们通过两块反射镜将±1 级衍射光反射到远处进行干涉,如图2所示.在 Illlal , 丽1 (14) 图3显示了,和 的关系,图中卢的单位取 1/ . 图3干涉条纹的相对光强分布 从方程(14)我们知道当飞秒激光脉冲的宽 度一定时,由于参与干涉的±1级衍射光与啁啾 系数有关.,脉冲的啁啾系数会影响干涉条纹的强 度.飞秒激光脉冲的宽度可用自相关仪进行测量. 如果知道亮条纹的强度,我们就可以推出飞秒激 光脉冲的啁啾系数. 3 结 论 本文研究了在啁啾飞秒激光脉冲照射下相位 光栅的菲涅耳衍射特性.选择适当结构和相位分 布的相位光栅,使衍射光中±1级衍射光最大. 根据光的衍射的角谱理论,通过在相位光栅后面 放置一个光阑并忽略光阑的衍射效应,我们可将 中心波长的±1级衍射光提取出来.±1级衍射 光的强度与飞秒激光脉冲的啁啾系数有关.中心 波长的±1级衍射光经反射镜反射后在远处干 涉.当飞秒激光脉冲的宽度一定时,在干涉区域 内干涉条纹的强度依赖于飞秒激光脉冲的啁啾系 (下转第191页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

蒋书法:信息率失真率函数R(D)的预估嵌正计算法 191 3算例 然后再调整精度求出较精确的.s值,从而求出信 息率失真率函数尺(D)的近似值,这样可以减少 若失真函数为d(Ui ):f i.#j. ( ,-『: 计算的迭代次数即减少计算量. Lu ‘=J 1,2,3),步长为L=0.001,S=一50,精度占。= 参考文献: 0.000 1,精度占 =0.000 1,信源分布为P(Ui)= [1]傅祖芸.信息论基础理论与应用[M].北京:电子工业出 版社。20o1.299-303. ÷(i=1,2,3),D=0.2,用一般迭代法计算执行 J [2]吴伟陵.信息处理与编码[M].北京:人民邮电出版社, 循环运算的次数为47 921次,而用预估嵌正计算 20o3.5O-52. 法仅为501次,计算量大为减少,计算时间由23 s [3] 吕锋.信息理论与编码【M].北京:人民邮电出版社, 2004.160-170.减少到不足1 s(在奔腾III计算机上的计算时 间),可见预估一校正计算的效率非常高. [4] 陈运.信息理论与编码[M].北京:电子工业出版社, 20()2.133—155. 4结束语 本文通过预先给定的精度求出.s的估计值, (上接第186页) Effect[J].optik,1987,(79):4l45. 数而与距离无关.这样,我们就可以通过测量干 [7] Axtiz6n V,ojeda-Cagtaneda J.Multilevel Phase Gmtin ̄for 涉条纹的强度而间接测量飞秒激光脉冲的啁啾系 Arraymumlnator ̄[J].App1.opt.,1994,(33):5 925— 数. 5 931. [8] Wang H,Zhou C,Liu L.Simple Fresnel Difraction Equa— 参考文献: itons of a Grating for Talbot Array Illumination[J].opt. Commun.,2000,173:17-22. [1]Laeonis C,Walmsley I A.Spectral Phase Intederometry for Direct Electric Field Reconstruction of Ultrashort opti ̄ [9] “u L. Cavity nad Phase Locking of IJaser Arrays[J]. Pul嘲[J].Opt.Lett.,1998,23:792-794. pot.Lctt.,1989,14(23):1 321—1 314. [2] Shuman T M,Anderson M E,Bromaog J,et a1.Real Time [1O] Zhou C.“u L.Simple Equations for the Calculation 0f a SHDER:Ultrashort Pulse Characterization at 20 HZ[J]. Mulitlevel Phase Graitng for TMbot Array llhmination[J]。 Opt.hp瑚s,1999,(5):134-143. pot.Commun.,1995,115:40-44. [3] Kilne D J,Tmbino R.Characterization of Arbitrary Femto— [11] Wang H,Zhou C,Li J,et a1.Talbot Effect of a Grating second PIll8e8 Using Frequency Resolved poti ̄t Gating[J]. Under Ultrashort Pulsed-laser Illumination[J].Microwave IEEE J.Quantum Electronics,1993,(29):571-579. pot.Techno1.Lett.,2000,25(3):184—187. [4]DeLong K W,Trebine R.Impmvde Ultrashort uPlse Ren"一 [12] Wang H,Zhou C,Zhao S,et曩1.The Temporal Fmsnel Difractive Field of a Gratign muminatod by an Ultrashort ieval Algorithm ofr Frequency Resolved Optical Gating[J]. uPlsed-laserBeam[J].J.opt.A:PureApp1.Opt.,2001, J.Opt.Soc.Am.A,1994,(11):2 429-2 437. [5] Gallmann L,Steinmeyer G,SuRer D H,et a1.Collinear (3):159—163. Type Second Harmonic Generatino Frequency Resolved [13] xi P,Zhou C,Dai E。et a1.Novel Method for Ultrashort OpIical Gating for the Characterization of Subl0 fs Optical uPhe-width Mea8uH帅ent Based on the Self-difraction Efect Pulses[J].Opt.Lett.,2000,(25):269-271. [J].Opt.Express,2002,10(20):1 099-1 104. [6]Lohmann A W.An Array Illuminator Based on the Talbot 

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