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基于硅光电二极管双光子吸收的飞秒脉冲测量

蔡卓恒  
【摘要】:超短光脉冲在近些年有了突飞猛进的发展,其应用越来越广泛,尤其在高速光通信和量子调控方面的需求越来越大,为了实现更精准的调控,对超短脉冲的精密测量变得越来越重要。本文主要研究基于硅光电二极管双光子吸收的飞秒激光精密测量。具体内容如下:1.全面调研了目前主要的超短脉冲测量方法,分析了各种方法的优缺点和适用范围,为了更准确测量超短脉冲的脉宽,本文在详细总结前人研究方案的基础上,选择基于硅光电二极管双光子吸收的自相关测量法。2.根据硅的能带结构,分析其双光子吸收的特点和实现条件。发现在1550nm左右的通信波段下,硅可以实现高效率的双光子吸收,并且在平均较低功率下也能发生,因此适合通信波段脉冲功率较小的情形。此外,利用硅光电二极管同时作为非线性器件和光电转换器件,不仅可以减少器件数量,而且操作更加简单。3.利用锁模光纤激光器产生76fs的超短脉冲,光子能量为0.795e V(1560nm),硅P-I-N光电二极管光敏材料硅的间接带隙为1.12e V,尽管光子能量小于硅间接带隙,但在光入射到硅基光电二极管时探测到明显的脉冲光信号。输出的峰值电信号与输入的峰值光功率同时取对数的情况下斜率为2±0.05,表明确实发生了双光子吸收,进而拟合出电压与入射光功率的关系公式。4.对超短高斯光脉冲的自相关波形进行了详细仿真研究,并分析公式展开后的各项的意义,得到了包含着干涉条纹、符合理论预测8:1对比度的自相关波形,并推广到双曲正割脉冲和洛伦兹型脉冲。接着研究了在无法响应脉冲干涉的情况下,不同延迟量的脉冲强度自相关变化,证明消除脉冲自响应背景项的非共线自相关方法测量脉宽更精准。5搭建了基于高灵敏度硅光电二极管双光子吸收的迈克尔逊干涉仪自相关波形测量系统,对通信波段的飞秒脉冲波形进行测量,获得了与仿真结果一致的自相关波形图。对中心波长为1560nm的76fs脉冲脉宽测量的误差大约为6%,但在测量392fs的脉冲时自相关波形相对更清晰,测量也更精准,误差小于1%。进而分析了测量76fs脉冲产生误差的原因和今后改进的方向。本文的方法无需复杂的相位匹配,操作简单,成本低廉,应用潜力巨大。


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