On the generation of high-quality Nyquist pulses in mode-locked fiber lasers

Nyquist pulses have wide applications in many areas,from electronics to optics.Mode-locked lasers are ideal platforms to generate such pulses.However,how to generate high-quality Nyquist pulses in mode-locked lasers remains elusive.We address this problem by managing different physical effects in mode-locked fiber lasers through extensive numerical simulations.We find that net dispersion,linear loss,gain and filter shaping can affect the quality of Nyquist pulses significantly.We also demonstrate that Nyquist pulses experience similariton shaping due to the nonlinear attractor effect in the gain medium.Our work may contribute to the design of Nyquist pulse sources and enrich the understanding of pulse shaping dynamics in mode-locked lasers.

一种激光损伤阈值测试新方法

随着激光器朝向大功率、高能量的方向发展,激光损伤阈值成为了衡量光学元件抗激光损伤能力的重要参数之一,因此,能否准确地测量出光学元件的激光损伤阈值成为研究的重点。而光学元件激光损伤阈值测试的关键是能否准确地判别光学元件是否发生激光损伤。为解决目前常见的损伤判别方法存在的精度低、识别时间长、适用材料范围窄、操作复杂等不足,提出了一种新的激光损伤的判别方法,即等离子体诊断法。以K9玻璃为例,搭建激光损伤阈值的测试平台,利用光纤光谱仪采集强激光辐照K9玻璃时所产生的激光等离子体闪光光谱,并对该光谱进行诊断分析,将该光谱中是否含有待测试光学元件材料中特征元素的光谱峰作为其是否收到激光损伤的标准。同时,对K9玻璃进行了激光损伤阈值的测试,并将测试结果与等离子体闪光法和显微镜法所测的激光损伤阈值进行了对比分析。实验表明,提出的等离子体诊断方法的判别精度高、速度快、测试装置结构简单,易实现在线测量,可以大大地提高光学元件激光损伤阈值测试工作的效率。

激光诱导击穿光谱在薄膜损伤分析中的应用

提出了应用激光诱导击穿光谱技术对薄膜损伤特性进行表征的方法,研究了纳秒脉冲激光作用下薄膜损伤时的等离子体光谱特征,并应用该技术对薄膜的抗激光损伤特性进行了测量.实验测得,HfO2单层膜在78mJ的激光能量的辐照下,薄膜损伤时的等离子体温度为2 807.4K,且电子密度为7.4×1017cm-3.利用识别薄膜损伤时的等离子体光谱的特征,准确地判断了薄膜是否损伤,避免了薄膜损伤的误判现象.结果表明,激光诱导击穿光谱技术适用于薄膜的激光损伤测试中,并且是一种非常有效的测试分析方法.

不同周期膜系结构对1064nm高反膜的激光损伤阈值的影响

基频高反膜元件由于较易受到激光损伤而严重影响激光系统正常工作,因此研究高反膜的激光损伤原因及损伤机理成为一个急需解决的问题。本文搭建激光损伤阈值测试平台,对不同周期膜系结构的1064 nm激光高反膜的激光损伤阈值的影响进行了研究。研究结果表明,相比较于G｜（LH）^9L｜A膜系,G｜（HL）^9L｜A这种周期结构的薄膜的激光损伤阈值较高,且损伤形貌以熔融型为主。

干涉图的预处理技术研究

提出了一种干涉图预处理的新方法。该方法利用数学形态学的方法对干涉图进行有效区域的边缘提取,利用二维快速傅里叶变换迭代法对干涉图进行区域延拓,并采用非加权离散余弦变换最小二乘算法对干涉图进行波面统一,最终恢复出被测物体的表面面形,为后续结果分析奠定了基础。对一个实际SiO2薄膜样片进行了干涉图的预处理。结果表明,通过该算法得到的干涉图预处理结果,与Zygo干涉仪的分析测试结果基本一致。

类金刚石薄膜及其进展

为了使研究者能更详细地了解类金刚石(DLC)薄膜的研究现状,综述了类金刚石薄膜的特性及应用,分析对比了目前常用的一些类金刚石薄膜的制备方法,包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD),并对类金刚石薄膜的抗强激光损伤特性以及提高其激光损伤阈值的方法进行了论述。结果发现,利用PVD法制备的DLC膜的硬度可以达到40GPa^80GPa,且薄膜的残余应力可以达到0.9GPa^2.2GPa之间,而CVD法则由于反应气体的充入导致类DLC薄膜的沉积速率大大降低,故使用率不高。同时,优化膜系的电场强度设计,采用合理的制备工艺,进行激光辐照后处理,施加外界电场干预均可有效地提高DLC薄膜的抗激光损伤能力,且目前的DLC薄膜的激光损伤阈值可达到2.4J/cm2。

光学薄膜激光损伤阈值测量不确定度

光学薄膜的激光损伤阈值是评价其激光耐受性能好坏的一个重要指标。对薄膜激光损伤阈值的准确评价和测定,是判断其激光耐受性能和进行相互比对的基础。通过对激光损伤阈值测试系统误差的溯源分析和计算机模拟,给出了优化测试系统的方向。研究结果表明:在激光光斑确定的情况下,激光能量越高,能量密度的误差越大。因此在满足需要的情况下,应该尽可能选取较低的激光能量。在激光能量确定的情况下,存在一个临界光斑,当小于临界光斑时,能量密度误差变化非常剧烈,光斑越小,能量密度误差越大。测试系统的激光光斑大于临界光斑时系统的误差较小,小于临界光斑时系统的误差急剧变大。因此,在激光损伤阈值测试系统中,应该优选临界光斑或者大于临界光斑。激光损伤阈值拟合产生的最大误差为最大能级的激光能量误差,因此要尽可能降低激光器的脉冲能量。由此可见,设计合理的系统参数,可以最大程度降低测量结果的不确定度。

横向电场下的类金刚石薄膜激光损伤

类金刚石(DLC)薄膜在红外区有很高的透过率,但激光损伤阈值低,严重限制了其应用领域。采用直接在DLC薄膜上沉积Ti电极,基于激光损伤阈值(LIDT)测试平台,用1-on-1零几率损伤法,研究了在不同偏置电场下DLC薄膜损伤阈值及损伤形貌的变化。发现电场强度从0增加到700V/cm,损伤阈值明显增大;进一步增大偏置电场,损伤阈值相对不变。分析认为偏置电场改变了激光辐照DLC薄膜区域的光生载流子漂移速度,减小了DLC薄膜的局部热累积,减缓了薄膜的石墨化进程,提高了DLC薄膜的抗激光损伤阈值。

离子束流后处理对类金刚石薄膜激光损伤特性的影响

类金刚石薄膜激光损伤阈值低,已经严重制约其在红外激光系统中的应用。基于非平衡磁控溅射技术,在硅基底上沉积类金刚石薄膜;采用离子束流后处理技术,用正交实验法确定影响处理效果的主要因素,对已沉积完成的DLC薄膜进行离子束轰击;在不同处理工艺下,观测薄膜样品的光学常数及拉曼光谱,最后进行了激光损伤测试。从测试结果可知,离子束流后处理参数：离子能量1000eV、放电电流30-40mA、轰击时间8min时,透射率由原来的60.65%提高到了65.98%;消光系数在900nm后明显降低,DLC薄膜的激光损伤阈值从0.69J/cm^2提高到1.01J/cm^2。

基于DPMZM和UTC-PD的宽带太赫兹信号产生及传输研究

为了能够充分利用微波光子倍频优势并简化系统复杂度,提出一种基于双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)和单行载流子光电二极管(UTC-PD)的宽带太赫兹矢量信号产生及光纤传输方案,通过适当地调整DPMZM直流偏压和调制指数,矢量信号被调制在光波的+3阶边带,本振信号被调制在光波的-3阶边带,并采用VPI软件对方案进行了仿真验证。仿真结果表明:当系统采用36.7 GHz的本振信号六倍频后,产生了载频为220 GHz、码速率为20 GSym/s的正交相移键控的太赫兹矢量信号,经1~4 km的光纤传输,接收机功率损失小于3 dBm。

等离子体光栅与光丝非线性耦合诱导击穿光谱

激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一种分析样品元素信息的有效工具,具有快速、简便、实时的优点,可以对固体、液体和气体中多元素成分进行定性分析和定量检测。但传统的LIBS以及光丝诱导击穿光谱技术(filament-induced breakdown spectroscopy,FIBS)受限于峰值功率钳制,灵敏度难以提高,导致在实际应用中具有一定的局限性,成为LIBS技术发明以来一直面临的重大技术瓶颈。本文从激发源的角度出发,讨论了LIBS和FIBS出现的问题,介绍了近年来优化LIBS技术的研究进展,将多光束耦合形成的等离子体光栅应用于LIBS,在保留其原有优点的基础上,有效克服了等离子体屏蔽效应、基体效应,突破了功率钳制,增强了谱线信号,提高了探测灵敏度和定量分析能力。这些研究将推进LIBS技术在各领域的实际应用,同时为飞秒激光等离子体与其他技术的结合提供了研究思路。

具有栅瓣抑制功能的非等间距光学相控阵芯片研究

光学相控阵(optical phased array,OPA)作为一种激光扫描技术,具有扫描速度快、精度高、损耗小和易于集成化等优点,在光通信、无人驾驶、激光雷达和航空航天等领域具有广泛的应用前景。为了抑制旁瓣的产生,要求工作波长大于OPA的阵元间距,导致远场主瓣附近必然产生栅瓣,降低OPA扫描精度和扫描范围。提出了一种具有栅瓣抑制功能的非等间距OPA芯片,可实现宽视场、高精度的光斑偏转效果。采用遗传算法优化64路非等间距OPA阵元间距,得到最低栅瓣的阵元分布,实现最佳的栅瓣抑制效果。实验结果表明,在1500~1600 nm波长范围内,优化后波导最小间距为2.2μm,最大间距为11.4μm,芯片远场光斑可实现20°×10°的二维扫描角度,且对旁瓣的抑制作用显著。

相位噪声抑制的捷变频电光频率梳

报道了一种单调制器电光频率梳产生技术,其重复频率高速可调,调频速率达1 MHz。经非线性光纤展宽,光梳谱宽可达1.25 THz(约10 nm,中心波长1550 nm),含4800根间隔为260 MHz的窄线宽梳齿。单模光纤色散补偿后,脉宽为260 fs。研究了光纤放大与非线性光谱展宽对梳齿相干性的影响,并采用声光调制器对梳齿的共模相位噪声进行了前馈式抑制。该光源在分子光谱及干涉测距等领域具有应用前景。

激光薄膜损伤中等离子体冲击波特征

在不同位置和激光辐照能量的条件下,采用传声器采集并提取了等离子体冲击波的压强值及其起始时间信息,分析了等离子体冲击波在空气中的传播规律,拟合得到了冲击波声压值与激光辐照能量的关系函数。结果表明,激光等离子体冲击波以球面波形式在空气中进行传播,其声压值与激光辐照能量呈非线性的正相关关系。

多光丝耦合诱导击穿光谱土壤微量元素检测

检测灵敏度是衡量一项检测技术的重要参数。为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度,搭建了三光丝耦合诱导击穿光谱(TIBS)系统,对土壤中的微量铬元素进行检测,并将检测结果与等离子体光栅诱导击穿光谱(GIBS)系统、光丝诱导击穿光谱(FIBS)系统进行对比。TIBS系统的谱线信号强度比GIBS系统增强了2倍,比FIBS系统增强了7~11倍。研究了FIBS、GIBS、TIBS系统的谱线强度随样品位置的变化,发现TIBS系统的激发稳定性与GIBS系统相近。此外,在对土壤中重金属铬的定量研究中,发现FIBS、GIBS、TIBS系统对土壤中铬元素的检出限分别为22.18×10^(-6)、8.68×10^(-6)、5.06×10^(-6)。TIBS系统相较于GIBS系统能进一步提高检测灵敏度。

等离子体冲击波特征与薄膜损伤阈值关系研究

激光损伤阈值是衡量光学元件性能的重要参数,而判别薄膜是否发生了损伤是准确测量薄膜激光损伤阈值的关键,因此研究薄膜损伤的判别方法具有重要意义。传统方法准确度低、操作复杂、人为因素影响大,提出了以等离子体冲击波压强特征为标准的判定薄膜损伤的新思路。以多种单层薄膜为例,搭建测试平台,利用传声器采集激光辐照薄膜产生的等离子体冲击波,将该数据与国标法测得的激光薄膜损伤阈值相对照,找到对应的等离子体冲击波压强阈值。实验表明,该方法判别速度快,操作简单,测试设备搭建方便,并可以实时监测,能够大大提高检测效率。

基于光梳的实时高分辨相位测量方法理论分析

针对液晶光学相控阵(LCOPA)调制相位分布测量实时可溯源的问题,结合空间啁啾技术与双光梳干涉测量技术,提出一种基于光梳的空间高分辨相位测量方法。针对光栅以及光梳光源的参数对系统空间分辨率以及测量视场的影响进行理论仿真分析。理论仿真结果表明,该方法的测量视场可达100 mm,空间分辨率优于2μm。实验结果表明,该方法能够在微秒时间尺度内实现LCOPA多通道驱动电极调制相位分布的快速测量,因此有望为LCOPA器件的研制和性能的评价提供有效途径。

基于光频梳的太赫兹器件面形测量技术研究

利用双光梳飞行时间法对小口径太赫兹天线及反射器面形进行了三维测量。实验中,单像素点测量时间为8μs,纵向测量误差为1.3μm。相较于传统的激光干涉法,双光梳法兼具了模糊距离大、测量精度高以及数据更新快等优势,为微波/太赫兹器件的面形测量提供了新途径。