Магистерская_Аникеев (Автокорреляционный метод приема ультракоротких импульсов)

СОДЕРЖАНИЕВведение................................................................................................................. 51. Принципы генерации и распространения ультракоротких импульсов ....... 62. Методы измерения ультракоротких импульсов .......................................... 112.1.Автокорреляционные методы.................................................................. 112.2.Методы измерения амплитудно-фазовых характеристик импульса ... 172.2.1.

Оптическое стробирование с разделением по частотe ............... 172.2.2. Метод GRENОUILLE ..................................................................... 192.2.3. Спектральная фазовая интерферометрия ..................................... 203. Рольинтерферометрииприприемеоптическихультракороткихимпульсов ...................................................................................................................

223.1.Интерферометр Жамена ........................................................................... 263.2.Интерферометр Маха-Цендера................................................................ 273.3.Интерферометр Фабри-Перо ................................................................... 283.4.Интерферометр Майкельсона .................................................................. 304.

Техникаприемаультракороткихимпульсовавтокорреляционнымметодом ...................................................................................................................... 354.1.ИспользованиеавтокорреляционнойинтерферометрафункцииМайкельсонапоследовательностидляполученияультракороткихимпульсов............................................................................................................... 354.2.Нахождение энергетического спектра сигнала...................................... 374.3.Систематическая ошибка в измерениях автокорреляции .....................

385. Разработка экспериментальной установки ................................................... 405.1.Оптико-механическая часть ..................................................................... 415.2.Электронная часть .................................................................................... 4435.2.1. Плата управления и обработки данных ........................................ 465.2.2.

Программа для микроконтроллера ............................................... 485.2.3. Усилитель динамика ....................................................................... 525.2.4. Фотоприемный модуль ................................................................... 545.3.Проведение предварительных экспериментов ...................................... 565.4.Расчет надежности устройства ................................................................ 60Заключение ..........................................................................................................

63Список используемых источников .................................................................... 64Список сокращений и терминов ........................................................................ 67Приложение А ..................................................................................................... 68Приложение Б ...................................................................................................... 69Приложение В......................................................................................................

70Приложение Г ...................................................................................................... 754ВВЕДЕНИЕИзмерение импульсов ультракороткой длительности является достаточносложной задачей, и в течение долгого периода времени их умели генерировать,но не могли измерять.Полное определение характеристик импульсов ультракороткой длительностинеобходимо для всестороннего учета условий экспериментов и исследований. Измерения могут проводиться для нахождения мощности, формы и спектра импульса.

Измерение параметров ультракоротких импульсов затруднено тем, что фотодетекторы, использующиеся для приема длинных импульсов, слишком медленныдля регистрации ультракоротких импульсов.Данная выпускная квалификационная работа посвящена изучению автокорреляционной методики приема оптических ультракоротких импульсов, а такжеразработке экспериментальной установки, которая позволит заниматься исследованием характеристик ультракоротких импульсов.В первой главе рассматриваются принципы генерации и распространенияультракоротких импульсов.Во второй главе рассматриваются существующие методики приема оптических ультракоротких импульсов.Третья глава посвящена интерферометрии, а также обзору наиболее распространенных конструкций интерферометров.Четвертая глава посвящена технике приема ультракоротких импульсов автокорреляционным методом при помощи интерферометра Майкельсона.В пятой главе описана общая схема экспериментальной установки.

В нейпредставлено подробное описание оптической и электронной частей разработанного автокорреляционного приемника оптических ультракоротких импульсов, программных частей установки. Представлены результаты проведенныхэкспериментальных исследований. Выполнен расчет надежности разработанной установки.51. ПРИНЦИПЫ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯУЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВГенерацию сверхкоротких оптических импульсов можно осуществить в лазере с помощью синхронизации продольных мод. Продольная мода представляет собой стоячую электромагнитную волну, запертую между зеркалами открытого резонатора. Это напоминает стоячую волну в струне с закрепленными концами. Если расстояние между зеркалами равно l, то практически собственная частота моды fm = mc/(2l) (c - скорость света, m - целое число).

Активное вещество,помещенное внутрь резонатора, возбуждает те моды, частоты которых попадают вспектральную полосу усиления (рисунок 1.1). В результате интерференции модформируется оптический импульс, выходящий из резонатора лазера. Если возбуждается только одна продольная мода, то мы имеем дело с одномодовым лазером, дающим излучение с максимальной степенью монохроматичности. Для генерации сверхкоротких импульсов используется многомодовый режим.Рисунок 1.1 – Спектры (слева) и временной ход (справа) излучения лазера с несинхронизированными модами (а) и в режиме полной синхронизации мод (б) при N=101. В случае (б) масштабинтенсивности уменьшен в 20 раз по сравнению с (а)6Таким образом, лазерный импульс можно представить в виде набора N монохроматических волн (продольных мод), разделенных по частоте интервалом ∆ =/(2).

Тогда выражение для электрического поля импульсного излучения на выходном зеркале резонатора имеет вид:=(−1)/2 = ∑=−(−1)/2 [(0 + ∆) + ],(1)где 0 = 20 - средняя частота (несущая);∆ = 2∆.Результат интерференции мод зависит от соотношения между фазами φm . Если фазы принимают случайные значения, то лазерное излучение имеет хаотическую амплитудную модуляцию (рисунок 1.1, а). Иначе обстоит дело при синхронизации мод, когда все фазы принимают одно значение, например φm = 0.

Полагаядля простоты амплитуды мод одинаковыми (Am = E0 ), можно просуммировать ряд(1) и получить выражение: = (0 ), = 0 ∆2∆2).(2)Анализ (2) показывает, что лазер с синхронизацией продольных мод излучаетпериодическую последовательность импульсов с амплитудами, в N раз превышающими амплитуду отдельной моды (рисунок 1.1, б). Импульсы следуют один за другим через время ∆ = 2/, необходимое для полного прохода импульса в резонаторе.

Длительность импульсов = ∆/, то есть она в N раз меньше интерваламежду соседними импульсами. Представленная картина формирования сверхкоротких импульсов внешне напоминает дифракцию волны на решетке, составленнойиз N щелей.Рассмотрим в качестве примера лазер с расстоянием между зеркалами l = 150 см,в котором синхронизируются 100 продольных мод. Можно подсчитать, что оптические импульсы следуют с интервалом ∆ = 10 нс, а их длительность T = 100 пс =10−10 с.

Такие импульсы называются сверхкороткими.Синхронизации мод можно добиться несколькими способами. В качестве одного из них используется активная модуляция потерь с помощью акустооптической дифракционной решетки, вставленной в резонатор. В такой решетке за счет7стоячей ультразвуковой волны, имеющей половинную частоту межмодовых биений =∆2= /, производится модуляция показателя преломления в поперечномсечении = 0 + ∆ ∙ (/∆) ∙ sin( ). Очевидно, что в моменты времени = ∆ (j - целое число), когда ( ) = 0 и = 0 , решетка не рассеивает про∆ходящие через нее волны. Именно в эти моменты времени ультракороткие импульсы проходят сквозь решетку (акустооптический модулятор) без дифракционных потерь.Синхронизацию мод можно осуществить с помощью модуляции фазы световыхволн в электрооптическом кристалле, прикладывая к нему переменное электрическое поле.

Синхронизация мод наступает также при вибрации одного из зеркал открытого резонатора на частоте межмодовых биений. Также синхронизацию модможно добиться, помещая внутрь резонатора лазера ячейку с веществом, котороепросветляется (меньше поглощает) в сильном оптическом поле.

Тогда с наименьшими потерями через ячейку проходят сверхкороткие импульсы, образующиесяпри синфазном сложении возбуждаемых продольных мод [1].Сверхкороткие импульсы длительностью в 100 пс находят широкое применение внаучных исследованиях и различных приложениях. При этом короткие импульсыимеют большую плотность мощности. Последнее обстоятельство важно при воздействии оптического излучения на вещество. Однако анализ ряда быстропротекающих процессов требует использования еще более коротких импульсов, имеющих субпикосекундную и даже фемтосекундную длительность.

Так как с помощьюсинхронизации мод в лазерах эту задачу практически не удается решить, то сталиприменять методы компрессии пикосекундных световых импульсов. Для этой целинеобходимо использовать диспергирующие среды, такие как волоконные световоды, дифракционные решетки, призмы и т.д.Чем меньше становится длительность оптического импульса, тем шире будет егочастотный спектр (меньше степень монохроматичности). Из этого следует, чтодля получения сверхкоротких импульсов необходимо иметь излучение с широкимспектром, а затем подобрать тот или иной механизм преобразования излучения в8импульс без фазовой модуляции, так называемый спектрально ограниченный импульс.