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基于光克尔效应的激光脉冲信噪比测量技术研究

吴登科  
【摘要】:近年来,随着啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现,超短脉冲激光的峰值功率密度已经超过1022W/cm2的量级并继续朝着更高的强度发展。伴随着激光强度增加的还有激光脉冲的对比度。目前,激光脉冲的对比度已经可以达到1010以上,对如此高的对比度的测量依然是一个具有挑战性的工作。传统的测量手段,如:采用高速示波器和光电二极管的方法,采用高阶自相关仪都无法获取单次激光脉冲主脉冲之前10~500ps的可靠信息,因此迫切需要探索一种新的单次超短脉冲信噪比探测方法,解决10ps到500ps范围的信噪比探测问题。基于此,本论文主要开展了如下工作: 对激光脉冲信噪比测量中的关键部件——光克尔门进行了理论和实验研究,从理论上分析了光克尔效应产生的机制,重点对亚皮秒量级超短激光脉冲产生的光克尔效应进行了理论分析,建立了超短激光脉冲产生的光克尔效应的数值模型,并重点对不同条件下两种非线性响应(电子非线性响应和分子取向的非线性响应)对光克尔效应的贡献进行了分析;采用自建的三阶非线性动力学响应测量系统对光克尔门的性能进行了研究,如使用二硫化碳介质的光克尔门的弛豫时间、选通效率、信号特征以及快门光强度、脉冲宽度、不同介质厚度对光克尔信号的影响等,并对二硫化碳,硫化物玻璃的三阶非线性动力响应进行了测量和对比,为光克尔门的选择和应用提供理论和实验依据; 以光克尔门的理论和实验研究为基础,建立了测量低重复频率和单次超短激光脉冲信噪比实验系统。1、利用光克尔门延迟扫描的方法实现了对低重复频率(40Hz)的激光脉冲信噪比的测量,建立一个时间窗口为126ps,分辨率为370fs,采样间隔为6.3fs的信噪比测量系统,并引入预脉冲进行验证;2、首次采用光克尔门技术和自制的脉冲步进延迟器件对单次超短激光脉冲信噪比进行了测量,建立了一个时间窗口为40ps,动态范围为104,分辨率为1.7ps的单次信噪比测量系统,并在主脉冲之前引入预脉冲进行了验证,实验结果符合预期目标;3、在前面实验的基础之上,又提出了基于光克尔门技术,使用正交式快门光-探测光方案进行空间扫描实现单次超短脉冲激光信噪比的测量的方案,并在实验上进行了验证,建立了一个时间窗口为88ps,动态范围为103,分辨率为2.7ps,并引入了预脉冲进行验证,该方案克服了使用脉冲步进延迟方法时的介质吸收损耗误差; 为了提高信激光噪比测量系统的动态范围,我们提出使用两级光克尔门结构对单次激光脉冲信噪比测量系统进行优化,实验结果基本达到预期目标,分析表明优化后的系统动态范围可在理论上大大提高。 本课题的研究为单次激光脉冲在宽时间范围内,高时间分辨率、高动态范围信噪比的探测提供了一种简单而行之有效的方法,对于激光的发展和应用具有重要的意义。


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