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LCSLM对4f脉冲系统的影响

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《强激光与粒子束杂志》2016年第8期

摘要:

液晶空间光调制器的离散型相位调制和像素间隙是4f脉冲整形系统的主要失真原因,基于以上因素的分析,建立了完善的4f脉冲整形系统数学模型,数值模拟了不同相位调制变化率、不同像元尺寸、不同间隙尺寸以及不同色散关系下的离散型相位调制和像素间隙导致的失真情况。模拟结果表明:离散型相位调制会导致整形脉冲中出现副本脉冲,相位调制变化率越大或像元尺寸越大均会导致这种副本脉冲越强,输出目标脉冲失真越严重;像素间隙也会导致整形脉冲中出现副本脉冲,间隙尺寸越大会导致这种副本脉冲越强,输出目标脉冲失真越严重;两种副本脉冲均呈等间隔分布,其周期由每个像元对应的频谱宽度决定,非线性光谱色散会使副本脉冲啁啾化且强度变小。

关键词:

4f脉冲整形系统; 像素间隙; 离散型相位调制; 非线性光谱色散; 副本脉冲

过去的三十年里,脉冲整形技术发展迅速,现已成为一个热门的研究领域[13]。该技术极大地推动了超快光学技术的发展,目前已实现皮秒和飞秒量级的超短脉冲[4]。经整形后的脉冲可引导和控制不同系统在时间上的变化,具体的应用如:超快全光分幅技术[57]、飞秒化学[89]、光通信[10]以及量子动力学过程中的连续激光控制[1112]。

目前最好的电子器件响应时间为ps量级,对于超短脉冲(主要是皮秒和飞秒脉冲),在时域上进行脉冲整形十分困难,因此往往将脉冲整形转换到频域进行。4f脉冲整形系统通过傅里叶变换将时域的调制转换到频域进行,高至THz及其以上的谱带均可实现有效且连续的波形调制,无需任何超快调制器件。使用液晶空间光调制器(LCSLM)作为掩膜置于傅里叶平面的4f脉冲整形装置,可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二维分布的实时空间调制[13],是目前应用最广泛的脉冲整形系统。LCSLM为像素型结构,每一个像元只能加载一个固定相位,相位调制呈离散的台阶状,像素间存在无法调制的间隙区域,以上因素都会导致整形结果出现失真[1416]。当整形目标较复杂时,这些因素导致的失真会十分严重,从而使得整形后的脉冲无法实现预期的精密控制。本文首次建立了完备的LCSLM型4f脉冲整形系统的数学模型,综合考虑了像素间隙和离散型相位调制因素,分析了不同色散关系下的失真情况。对建立的数学模型进行了数值模拟,分析了各因素导致的失真量的决定参数,得到了LCSLM像素型结构对4f脉冲整形系统影响的规律认识和定性结论。

一、理论模型

1.14f犳脉冲整形系统 

 4f脉冲整形系统原理图如图1所示,由两个相同的衍射光栅、两个相同透镜以及一个LCSLM组成,各元件以透镜的焦距等间距分布。输入脉冲经光栅1后被色散开,透镜1将光束的角色散转换为空间色散,通过在傅里叶平面放置一个LCSLM,可对每一个光谱成分的振幅和相位进行调制,被调制后的所有频率成分经透镜2和光栅2后会聚成一个光束,该光束即为整形后的输出脉冲。如果傅里叶平面不放置任何器件,输出脉冲将和输入脉冲完全相同,因此又称为零色散脉冲整形系统。∫M[x(ω])eiωtdω(5)

1.24f脉冲整形系统影响因素分析

液晶空间光调制器含有许多独立的单元,它们在空间上排成一维或二维阵列。通过改变加载在每个单元上的电压,使液晶分子发生不同程度的偏转,此时光通过液晶层会受到不同的相位调制。液晶空间光调制器的像素型结构会使整形结果出现失真,本文将定性分析离散型相位调制、像素间隙以及非线性光谱色散三个因素对整形效果的影响

1.2.1离散型相位调制

1.2.2像素间隙

1.2.3非线性光谱色散

二、模拟结果及分析

2.1离散型相位调制的影响

2.2像素间隙的影响

2.3非线性光谱色散的影响

上述仿真中都假定4f脉冲整形系统的色散关系为线性,但实际的色散关系为非线性,图5是对1.2.3中分析的两种色散关系的对比图。从图中可看出,实际的色散关系为曲率非常小的曲线,尤其是在中心波长附近,近乎为线性。为分析这种极弱的非线性特性对脉冲整形中失真量的影响,假定液晶空间光调制器加载的相位调制为离散型,每个像素点尺寸为8μm,间隙尺寸为0.46μm。分别对线性光谱色散和非线性光谱色散下的整形效果进行仿真,

三、结论

本文首先分析了LC-SLM像素型结构对4f脉冲整形系统的影响,给出了整形脉冲失真情况的表达式。对不同相位调制变化率、不同像元尺寸、不同间隙尺寸以及不同色散关系下的离散型相位调制和像素间隙导致的3结论本文首先分析了LC-SLM像素型结构对4f脉冲整形系统的影响,给出了整形脉冲失真情况的表达式。对不同相位调制变化率、不同像元尺寸、不同间隙尺寸以及不同色散关系下的离散型相位调制和像素间隙导致的失真情况进行了模拟仿真,模拟结果表明:相位调制变化率越大,离散型相位调制导致的失真越严重,像素间隙导致的失真无影响;像元尺寸是决定离散型副本脉冲和像素间隙副本脉冲的主要因素,像元尺寸越大,离散型副本脉冲失真越严重;间隙尺寸越大,像素间隙导致的失真越严重;离散型相位调制对输出脉冲的失真影响大于像素间隙;当光谱色散关系为线性时,输出脉冲出现一系列目标脉冲的副本脉冲;当光谱色散关系为非线性时,这些副本脉冲会变为啁啾脉冲且强度降低。根据模拟结果获得的规律认识和定性结论为LC-SLM型4f脉冲整形系统实验参数的优化提供了参考,为了减小整形脉冲的失真情况,可选取像元尺寸较小的LC-SLM,若副本脉冲周期较小时,通过选取适当的透镜和光栅可减小系统的非线性特性,避免交叠效应发生。

本文研究加深了对LC-SLM型超短脉冲整形系统中LC-SLM像素型结构对整形效果影响规律的认识,为超短脉冲整形实验中的失真原因分析、实验参数优化提供了参考,对于减少脉冲整形失真具有参考意义。

作者:李雨 李泽仁 刘寿先 单位:中国工程物理研究院流体物理研究所

强激光与粒子束杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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