啁啾脉冲频谱相位的测量方法

啁啾脉冲频谱干涉仪(CPSI)是一种单发超快诊断仪器,其中采用大啁啾量的参考、探测脉冲并准确测量其频谱电场是仪器同时实现超高时间分辨和大量程测试的关键因素。基于变换极限飞秒脉冲和啁啾脉冲之间的频谱干涉,通过理论和数值计算研究提出了一种用于大啁啾量脉冲的频谱相位测量的线性光学测量方法,称之为非对称频谱干涉法。研究表明,当利用非对称频谱干涉法测量啁啾脉冲频谱干涉仪中的啁啾脉冲频谱相位时,时间延迟的平移误差和相对较小的飞秒脉冲啁啾会使测量结果产生一阶相位误差,并由此导致啁啾脉冲频谱干涉仪测量时域信号的结果产生时间上的平移,但是所测信号的相对时间演化过程不受其影响。     

大量程扫描频谱激光干涉仪的方案设计

啁啾脉冲频谱干涉仪是一种常用的高时间分辨连续测试仪器,但是时间分辨能力和测试量程之间的相互制约关系限制了其在超快变化、大时间尺度物理过程研究中的应用。利用线性啁啾脉冲序列和耦合光谱仪的条纹相机记录系统,设计了一种扫描频谱激光干涉仪。通过理论分析和数值模拟研究了扫描频谱激光干涉仪的工作原理,论证了其可行性,该干涉仪可以实现相位扰动信号的精确测量,且具有相当于啁啾脉冲频谱干涉仪的高时间分辨能力和数倍的测试量程。数值模拟分析了条纹相机采样时间对扫描频谱激光干涉仪测量结果的影响,发现在无噪声情况下,采样时间对测量结果的影响可以忽略,但是当存在数据噪声时,测量误差会随着采样时间的减小而增大。     

啁啾脉冲频域相移的模拟与实验研究

在超快光学瞬态相移的测量中,结合线性啁啾脉冲与频谱干涉技术,可以获得啁啾脉冲相移随频谱的变化规律。光脉冲经过光栅色散和透镜聚焦后,不同的频率成分以空间上的不同坐标展开。当两束脉冲频谱同时在空间上展开时,相同的频谱成分会产生干涉。基于傅里叶变换频谱干涉技术,从频谱干涉图中提取相移,并对其进行了数值模拟和实验研究。结果表明,通过对不同类型频域相移进行重构所得到的结果反映出了相移随脉冲频谱变化的特性。实验结果表明了这种重构算法是有效的,与模拟结果具有较好的一致性。     

基于傅里叶变换模式的啁啾脉冲频域—时域相移转换的研究

基于频谱干涉原理和傅里叶变换的模式对啁啾脉冲频域相移转换为脉冲瞬态时域相移的基本原理进行了理论研究;推导出频域—时域相移转换过程中的相移误差传递公式;给出啁啾脉冲时域相移的最小时间分辨受制于参考脉冲的频谱宽度.对相移转换过程进行了数值模拟和分析,结果显示：通过该方法可以得到具有瞬态特性的时域相移,且频域相移误差是以被缩小的形式转换到时域的,与相移误差传递公式计算的结果具有较好的一致性. 关键词： 频谱干涉 频域相移 啁啾脉冲 时域相移     

利用啁啾脉冲频谱干涉技术研究高应变率载荷下铜膜的动态响应特性

啁啾脉冲频谱干涉测量技术具有高时间分辨的连续测量能力,属于一种单发超快诊断技术.本文利用25 fs的激光脉冲对厚度为502 nm的金属铜膜进行冲击加载,同时利用啁啾脉冲频谱干涉仪开展超快诊断,在单发次实验内测量获得了皮秒时间分辨的铜膜自由面启动过程,并由此得到自由面的启动时刻和速度剖面上升前沿宽度6.9 ps.根据冲击波关系式,冲击波在材料中引起的冲击压强和应变率分别为(57.1±8.8)GPa,8×109 s~(-1).     

线性啁啾脉冲频域-时域相移转换的模拟研究

在超快激光与物质相互作用的实验中, 实现单束实时的频谱干涉测量对提高测量精度很重要。基于频谱干涉原理和线性啁啾脉冲瞬时频率与时间的线性关系对啁啾脉冲频域相移直接映射为瞬态时域相移的原理进行了理论研究; 推导出这种频域-时域相移映射模式成立的限制条件。对相移直接映射过程进行了数值模拟和分析, 结果显示, 该方法可以得到具有瞬态特性的时域相移, 具有单束测量的能力; 在微扰和带宽一定的条件下, 增加探测脉冲的啁啾量, 可以减小频域-时域相移映射过程中产生的误差。     

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.     

啁啾脉冲堆积及其放大特性

 根据啁啾脉冲堆积的原理以及模型介绍了两路脉冲堆积时脉冲的时间与频谱特性,分析了堆积脉冲产生时间与频谱调制,以及交叠区产生非线性频率啁啾的原因。通过非线性薛定谔方程,分析了堆积脉冲的放大特性,介绍了啁啾参量对放大结果的影响以及放大后堆积脉冲的频率啁啾的变化。研究表明,在堆积脉冲的放大过程中自相位调制效应非常明显,严重影响了脉冲的频谱与频率啁啾。     

频域干涉测量中脉冲延迟时间测定方法的研究

在基于超短激光脉冲频域干涉技术的超快激光与物质相互作用的测量实验中,束一束间的延迟时间对瞬态特性的测量至关重要。利用两束脉冲频谱干涉条纹宽度与脉冲相对延迟时间成反比关系这一特性,阐述了通过对脉冲频谱干涉图进行傅里叶变换,在干涉条纹傅里叶变换面（时间域）上测量脉冲延迟时间的基本原理,并给出了测量误差分析,数值模拟结果显示通过傅里叶变换的方式,在频谱干涉图的时间域上可以有效地提取出两束脉冲间的相对延迟时间。     

啁啾脉冲频域干涉仪相位重建方法的理论研究

理论研究了啁啾脉冲频域干涉仪的时域相移重建技术,对于接近实际的频谱干涉条纹,分别采用傅里叶变换和小波变换的方法完成了时域相位扰动信号的重建。傅里叶变换方法产生的重建误差受到滤波参数的影响,相对而言,小波变换方式解谱过程中,不需要进行特意的滤波操作,从而避免了重建结果存在误差不确定性的问题。     

一种超快时间分辨速度干涉仪的设计和理论研究

在单发、超快时间分辨的测量技术中,线性啁啾脉冲和光谱仪的结合使用是一种常见方法.本文以成像型光谱仪为记录系统,利用线性啁啾脉冲的频-时对应关系,设计了一种应用于自由面速度超快测量的速度干涉仪.理论研究了其工作原理和适用范围,该速度干涉仪可以实现皮秒量级的时间分辨,且速度灵敏度可调、易调,大大拓宽了速度干涉仪的应用范围.数值模拟了系统的测速过程,结果表明,重建速度信号与给定物体速度符合得很好,进一步验证了系统的可行性.     

啁啾堆积脉冲传输过程中的小尺度自聚焦效应

 研究了啁啾堆积脉冲的时间精细结构与子脉冲带宽、相位、啁啾量等因素的关系。结果表明:随着子脉冲带宽的微小变化,啁啾堆积脉冲的峰值功率为相同输出能力窄带脉冲功率的1.5~3.0倍;当子脉冲间存在着随机相位扰动时,啁啾堆积的峰值功率约为相同输出能力窄带脉冲功率的3倍。建立了啁啾堆积脉冲的时空非线性传输放大模型,模拟得到堆积脉冲传输过程中的非线性增长因子,并与相同能量的窄带脉冲进行了比较,揭示了啁啾堆积脉冲在高功率激光装置中的传输放大过程中出现的一些新现象以及可能导致的后果。     

Spectral phase distribution retrieval through coherent control of harmonic generation

The temporal intensity distribution of the third harmonic of a Ti:sapphire laser generated in Xe gas is fully reconstructed from its spectral phase and amplitude distributions. The spectral phases are retrieved by cross correlating the fundamental laser frequency field with that of the third harmonic, in a three laser versus one harmonic photon coupling scheme. The third harmonic spectral amplitude distribution is extracted from its field autocorrelation. The measured pulse duration is found to be in agreement with that expected from lowest order perturbation theory both for unstretched and chirped pulses.     

Generation of long bursts of high-repetition-rate arbitrarily shaped optical pulses using time lens

A technique for the generation of long ultrahigh-speed bursts of optical pulses with arbitrary shapes is proposed. A laser pulse is temporally chirped by a time lens and then passes through a filter with a reconfigurable periodic spectral response, which produces time-delayed replicas of the chirped pulse and recombines them. As a result of the temporal interference between the replicas, the chirped pulse is broken up into short pulses with the shape determined by the chosen filter response. It is demonstrated that the filter acts on a long chirped optical pulse as a temporal modulator with a periodic modulation function. The modulation frequency and bandwidth of the modulator can be much higher than for commercially available high-frequency modulators. The additional advantage of this modulator is the arbitrary shape of the modulation function. A 2.4 ns burst of nearly flat-top pulses with a repetition rate of about 400 GHz is obtained in numerical simulations. In addition, the technique proposed can act as a pulse repetition rate multiplier and a pulse compressor. A repetition rate of 1.589 THz and an individual pulse width of 212 fs are achieved in simulations for a 9.7 ns sinusoidally phase modulated pulse burst.     

Diffraction characteristics of chirped femtosecond laser pulse by rectangle reflection grating

The spectral and temporal intensity distribution expression for the chirped femtosecond laser pulse diffracted by a rectangle reflection grating is derived. The effects of the chirped coefficient on the spatiotemporal and spectral characteristics are theoretically investigated in detail, and a criterion for judging whether or not the diffraction pulse is just split into two independent pulses in the temporal domain is obtained. The results show that the envelope curve of spectral intensity on the diffraction axis is more blue-shift, and its full width at e^? 1 maximum is wider for bigger chirped coefficient. The principal maximum on the temporal axis can split into two independent principal maximums for enough height from the upper and the nether reflection surface of the grating. Each principal maximum splits into two smooth pulses, namely one principal pulse and one secondary pulse, and the secondary pulse gradually increases with the increasing of the chirped coefficient; the duration of two principal pulses increases with the increasing of the height of the upper and the nether reflection surface of the grating.     

有限宽度背景中的啁啾灰孤子

基于在正常色散区的变系数非线性薛定谔方程,考虑一个带有微扰的参数渐减光纤系统,并利用数值模拟方法,对超高斯型有限宽度背景波和有限宽度背景中啁啾灰孤子的传输进行详细地研究.结果表明,超高斯背景波可以在带有微扰的参数渐减光纤系统中不受负载啁啾灰孤子的影响而稳定传输.当取背景波脉宽与啁啾孤子的初始脉宽比例大于或等于50时,有限宽度背景中啁啾灰孤子的数值结果基本与精确解相吻合.即使选取的背景波脉宽不宽,有限宽度背景中的啁啾灰脉冲仍可以很好的保持其孤子性质.     

色散介质中啁啾高斯脉冲的时间和光谱特性

对啁啾高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究.给出了远场光谱蓝移和脉冲展宽的解析式.结果表明：通过选择适当的啁啾参量,啁啾高斯脉冲光束沿轴上传输色散长度时,脉冲可恢复到初始值.随啁啾参量增加,谱线宽度展宽,轴上光谱蓝移增加,在远场蓝移趋于一渐近值.随啁啾参量增加,离轴光谱红移增加.     

Chirp-coefficient bisection iteration method for phase-intensity reconstruction of chirped pulses

A new method is proposed to systematically measure the phase-intensity information of chirped pulses that is based on the chirp-coefficient bisection iteration (CBI) concept. Through the CBI procedure with measured spectrum and temporal intensity profiles (or intensity autocorrelations), spectral and temporal amplitude–phase information can be rapidly retrieved. We experimentally verified that our method has high precision for nanosecond- and picosecond-level pulses and low precision for femtosecond-level pulses. Our proposed method does not require a sophisticated setup and has the advantage of accurate determination of temporal and spectral chirp coefficients with various orders. It also has lower cost, simple operation, in particular covers a wider measurement range than the main current methods. Moreover, the retrieved waveforms can reveal both the pulse shape and the actual intensity with spectral and temporal chirped coefficients of various orders, which can be directly used in various pulse propagation analyses such as chirped pulse amplification.     

用SPIDER法重构飞秒脉冲位相中参数的选择

为了更精确地测量飞秒脉冲特性以满足其不断拓宽的应用，基于光谱相位相干直接电场重构法（SPIDER）测量飞秒激光脉冲的基本原理和重构相位的反演算法，数值模拟了SPIDER重构飞秒脉冲相位的过程，分析了时间延迟τ、光谱剪切量Ω及滤波窗口宽度的选取原则。以宽度约为20fs的高斯型线性啁啾脉冲为例，通过选取不同的时间延迟τ和光谱剪切量Ω重构脉冲的相位，发现重构位相曲线与原输入脉冲位相曲线最接近时，时间延迟τ约为1210fs,相对光谱剪切量Ω/Δω约为9%，滤波窗口宽度约为τ/3。