飛秒光頻梳在時(shí)域表現(xiàn)為超短脈沖序列,在頻域表現(xiàn)為等間隔梳狀多光譜,自誕生之日起就受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,在精密光譜測(cè)量、高精度激光測(cè)距等領(lǐng)域具有潛在的重大應(yīng)用價(jià)值。飛秒光頻梳的頻域關(guān)鍵參數(shù)包括表征梳齒間隔的重復(fù)頻率和表征零階梳齒頻率的偏置頻率,任何一個(gè)梳齒的頻率都可以通過(guò)其階數(shù)乘以重復(fù)頻率,再加上偏置頻率進(jìn)行計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)上述高精度測(cè)量,飛秒光頻梳的重復(fù)頻率穩(wěn)頻控制必不可少。同時(shí),為精確了解飛秒光頻梳的時(shí)域狀態(tài),其脈沖寬度的測(cè)量同樣不可或缺。針對(duì)上述兩方面應(yīng)用需求,本課題進(jìn)行了飛秒光頻梳的重復(fù)頻率控制和脈沖寬度測(cè)量研究,具體內(nèi)容包括:1.針對(duì)飛秒光頻梳受環(huán)境振動(dòng)、功率抖動(dòng)等因素影響,其重復(fù)頻率在一定范圍內(nèi)快速變化的問(wèn)題,首先分析了生成飛秒光頻梳的光纖環(huán)形腔基本結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了環(huán)形腔腔長(zhǎng)對(duì)重復(fù)頻率的決定作用,設(shè)計(jì)了基于壓電陶瓷的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于模擬鎖相的重復(fù)頻率穩(wěn)定控制單元。5分鐘內(nèi),飛秒光頻梳的重復(fù)頻率可穩(wěn)定控制在0.20Hz范圍內(nèi)。2.針對(duì)環(huán)境溫度變化導(dǎo)致飛秒光頻梳重復(fù)頻率大范圍漂移的問(wèn)題,對(duì)光纖環(huán)形腔長(zhǎng)度的熱敏感系數(shù)進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)壓電陶瓷的腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍確定了溫度補(bǔ)償需求,設(shè)計(jì)了用于放置光纖環(huán)形腔的恒溫機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于PID控制的光纖環(huán)形腔恒溫單元。能夠在目標(biāo)溫度下,實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)形腔精密恒溫控制。在目標(biāo)溫度18.5℃的條件下,實(shí)現(xiàn)了小于0.12℃范圍的光纖環(huán)形腔精密恒溫控制。結(jié)合模擬鎖相重復(fù)頻率控制單元,實(shí)現(xiàn)了1小時(shí)內(nèi),飛秒光頻梳重復(fù)頻率在0.20Hz范圍內(nèi)的穩(wěn)定控制。3.針對(duì)飛秒光頻梳脈沖過(guò)窄,難以直接測(cè)量脈沖寬度的問(wèn)題,利用雙光子吸收自相關(guān)探測(cè)原理,首先借助反向泵浦摻鉺光纖放大器放大飛秒光頻梳能量,再利用改進(jìn)的邁克爾遜干涉光路,振蕩某一路反射鏡以形成光程掃描,探測(cè)并計(jì)算雙光子吸收自相關(guān)信號(hào)的寬度,根據(jù)自相關(guān)信號(hào)與脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的反算。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了原理樣機(jī),進(jìn)行了初步測(cè)試。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TH74
【部分圖文】：

纖環(huán)形腔中加入一段由 980nm 激光器泵浦的摻鐿光纖，通過(guò)改變 980nm 泵浦光的功率，可以迅速改變摻鐿光纖的折射率，同時(shí)將環(huán)形腔放于溫控平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的長(zhǎng)期鎖定，鎖定時(shí)間達(dá)到了 12 個(gè)小時(shí)，1s 積分時(shí)間內(nèi)阿倫方差是122.510 ，能實(shí)現(xiàn)高精度的鎖定[13]。但是，在上述方法中，光纖的折射率的變化量受到限制，由于泵浦功率的改變，環(huán)境中的空氣干擾，振動(dòng)噪聲等引起的熱效應(yīng)可能影響鎖定精度。通過(guò)壓電陶瓷對(duì)腔體長(zhǎng)度進(jìn)行反饋控制的方法可以獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍。其中一種方法是將部分光纖纏繞在 PZT 管周?chē)?當(dāng)在 PZT 管的內(nèi)壁和外壁之間施加電壓時(shí)，PZT 管將產(chǎn)生軸向和徑向位移。 PZT 管上的光纖也將隨著 PZT管的徑向位移而變化。2013 年，在韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）把摻鉺光纖飛秒激光發(fā)生器放置在衛(wèi)星中，然后發(fā)射到外太空進(jìn)行的鎖模實(shí)驗(yàn)中，所使用的重復(fù)頻率控制方法正是將光纖黏于 PZT 上。由于光纖本身質(zhì)量較輕，減小了 PZT 的負(fù)載，使 PZT 可以保持較高的響應(yīng)頻率和適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)范圍。其裝置圖如圖 1-1 所示。在這個(gè)研究中 KAIST 實(shí)現(xiàn)的重復(fù)頻率鎖定在 10s 積分時(shí)間內(nèi)阿倫方差為12110 。同樣實(shí)現(xiàn)了高精度的鎖定。

1-2 鈦寶石飛秒光學(xué)頻率梳精密鎖相控制實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，有兩塊 PZT 用于控制飛秒激光器的腔長(zhǎng)于對(duì)激光器腔長(zhǎng)進(jìn)行快速控制；另一塊相對(duì)較厚，主期漂移進(jìn)行補(bǔ)償，也稱為慢速控制。最終的控制結(jié)果為差是187.210 。梳脈沖寬度測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀光脈沖技術(shù)的發(fā)展不僅依靠激光器技術(shù)的提高，還得展。通過(guò)對(duì)超短脈沖激光的測(cè)量，研究其精細(xì)的脈沖脈沖或更窄的激光脈沖十分有幫助。原有的測(cè)量皮秒沖取樣法和條紋相機(jī)法早已無(wú)法滿足人們的需要，只窄的飛秒激光脈沖的寬度。但是自相關(guān)測(cè)量法只能得些比較粗略的啁啾信息。而超短激光脈沖的測(cè)量不僅也要知道其相位的信息，只有同時(shí)把這兩種信息測(cè)量激光脈沖的特性。經(jīng)過(guò)了去多年的不斷研究和探索，

就可以得到飛秒激光脈沖的強(qiáng)度和相位信息了。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，頻率分辨門(mén)法（FROG）比光譜相位相干直接電場(chǎng)重建（SPIDER）法具有更高的擾性，獲得的激光脈沖的寬度和相位信息也更加精確。傳統(tǒng)的頻率分辨光學(xué)門(mén)法（FROG）實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，成本也比較高。所原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，又發(fā)展許多種測(cè)量超短激光脈沖的方法，比如偏振型的 FROG，自衍射型 FROG，二次諧波型 FROG 以及三次諧波型G。這些方法各有特點(diǎn)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)頻率分辨光學(xué)門(mén)法（ FROG量上的不足[18]。（1）強(qiáng)度自相關(guān)法 在自相關(guān)法中，把要測(cè)量的脈沖分成均等的兩束將它們通過(guò)非線性介質(zhì)，這時(shí)兩束脈沖發(fā)生非線性效應(yīng)，兩個(gè)脈沖間的發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖對(duì)另外一個(gè)脈沖的掃描，掃描期間獲得的時(shí)間反映了飛秒脈沖的寬度，如圖 1-3 所示。在兩束發(fā)生相互作用的光的脈較大的情況下，可以不考慮脈沖電場(chǎng)的相位，而只是將兩束光脈沖的強(qiáng)行普通的疊加，在這種情況下我們稱之為強(qiáng)度自相關(guān)。強(qiáng)度自相關(guān)的峰度與背景強(qiáng)度比值為 3:1，因此強(qiáng)度自相關(guān)曲線也可以叫做 3:1 曲線[1
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2874320