LCSLM對4f脈沖系統的影響范文

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《強激光與粒子束雜志》2016年第8期

摘要：

液晶空間光調制器的離散型相位調制和像素間隙是4f脈沖整形系統的主要失真原因，基于以上因素的分析，建立了完善的4f脈沖整形系統數學模型，數值模擬了不同相位調制變化率、不同像元尺寸、不同間隙尺寸以及不同色散關系下的離散型相位調制和像素間隙導致的失真情況。模擬結果表明：離散型相位調制會導致整形脈沖中出現副本脈沖，相位調制變化率越大或像元尺寸越大均會導致這種副本脈沖越強，輸出目標脈沖失真越嚴重；像素間隙也會導致整形脈沖中出現副本脈沖，間隙尺寸越大會導致這種副本脈沖越強，輸出目標脈沖失真越嚴重；兩種副本脈沖均呈等間隔分布，其周期由每個像元對應的頻譜寬度決定，非線性光譜色散會使副本脈沖啁啾化且強度變小。

關鍵詞：

4f脈沖整形系統；　像素間隙；　離散型相位調制；　非線性光譜色散；　副本脈沖

過去的三十年里，脈沖整形技術發展迅速，現已成為一個熱門的研究領域［13］。該技術極大地推動了超快光學技術的發展，目前已實現皮秒和飛秒量級的超短脈沖［4］。經整形后的脈沖可引導和控制不同系統在時間上的變化，具體的應用如：超快全光分幅技術［57］、飛秒化學［89］、光通信［10］以及量子動力學過程中的連續激光控制［1112］。

目前最好的電子器件響應時間為ps量級，對于超短脈沖（主要是皮秒和飛秒脈沖），在時域上進行脈沖整形十分困難，因此往往將脈沖整形轉換到頻域進行。4f脈沖整形系統通過傅里葉變換將時域的調制轉換到頻域進行，高至THz及其以上的譜帶均可實現有效且連續的波形調制，無需任何超快調制器件。使用液晶空間光調制器（lcslm）作為掩膜置于傅里葉平面的4f脈沖整形裝置，可對光束的相位、偏振態、振幅或強度進行一維或二維分布的實時空間調制［13］，是目前應用最廣泛的脈沖整形系統。LCSLM為像素型結構，每一個像元只能加載一個固定相位，相位調制呈離散的臺階狀，像素間存在無法調制的間隙區域，以上因素都會導致整形結果出現失真［1416］。當整形目標較復雜時，這些因素導致的失真會十分嚴重，從而使得整形后的脈沖無法實現預期的精密控制。本文首次建立了完備的LCSLM型4f脈沖整形系統的數學模型，綜合考慮了像素間隙和離散型相位調制因素，分析了不同色散關系下的失真情況。對建立的數學模型進行了數值模擬，分析了各因素導致的失真量的決定參數，得到了LCSLM像素型結構對4f脈沖整形系統影響的規律認識和定性結論。

一、理論模型

1.14f犳脈沖整形系統

4f脈沖整形系統原理圖如圖1所示，由兩個相同的衍射光柵、兩個相同透鏡以及一個LCSLM組成，各元件以透鏡的焦距等間距分布。輸入脈沖經光柵1后被色散開，透鏡1將光束的角色散轉換為空間色散，通過在傅里葉平面放置一個LCSLM，可對每一個光譜成分的振幅和相位進行調制，被調制后的所有頻率成分經透鏡2和光柵2后會聚成一個光束，該光束即為整形后的輸出脈沖。如果傅里葉平面不放置任何器件，輸出脈沖將和輸入脈沖完全相同，因此又稱為零色散脈沖整形系統。∫M[x(ω])eiωtdω(5)

1.24f脈沖整形系統影響因素分析

液晶空間光調制器含有許多獨立的單元,它們在空間上排成一維或二維陣列。通過改變加載在每個單元上的電壓,使液晶分子發生不同程度的偏轉,此時光通過液晶層會受到不同的相位調制。液晶空間光調制器的像素型結構會使整形結果出現失真,本文將定性分析離散型相位調制、像素間隙以及非線性光譜色散三個因素對整形效果的影響

1.2.1離散型相位調制

1.2.2像素間隙

1.2.3非線性光譜色散

二、模擬結果及分析

2.1離散型相位調制的影響

2.2像素間隙的影響

2.3非線性光譜色散的影響

上述仿真中都假定4f脈沖整形系統的色散關系為線性,但實際的色散關系為非線性,圖5是對1.2.3中分析的兩種色散關系的對比圖。從圖中可看出,實際的色散關系為曲率非常小的曲線,尤其是在中心波長附近,近乎為線性。為分析這種極弱的非線性特性對脈沖整形中失真量的影響,假定液晶空間光調制器加載的相位調制為離散型,每個像素點尺寸為8μm,間隙尺寸為0.46μm。分別對線性光譜色散和非線性光譜色散下的整形效果進行仿真,

三、結論

本文首先分析了LC-SLM像素型結構對4f脈沖整形系統的影響,給出了整形脈沖失真情況的表達式。對不同相位調制變化率、不同像元尺寸、不同間隙尺寸以及不同色散關系下的離散型相位調制和像素間隙導致的3結論本文首先分析了LC-SLM像素型結構對4f脈沖整形系統的影響,給出了整形脈沖失真情況的表達式。對不同相位調制變化率、不同像元尺寸、不同間隙尺寸以及不同色散關系下的離散型相位調制和像素間隙導致的失真情況進行了模擬仿真,模擬結果表明:相位調制變化率越大,離散型相位調制導致的失真越嚴重,像素間隙導致的失真無影響;像元尺寸是決定離散型副本脈沖和像素間隙副本脈沖的主要因素,像元尺寸越大,離散型副本脈沖失真越嚴重;間隙尺寸越大,像素間隙導致的失真越嚴重;離散型相位調制對輸出脈沖的失真影響大于像素間隙;當光譜色散關系為線性時,輸出脈沖出現一系列目標脈沖的副本脈沖;當光譜色散關系為非線性時,這些副本脈沖會變為啁啾脈沖且強度降低。根據模擬結果獲得的規律認識和定性結論為LC-SLM型4f脈沖整形系統實驗參數的優化提供了參考,為了減小整形脈沖的失真情況,可選取像元尺寸較小的LC-SLM,若副本脈沖周期較小時,通過選取適當的透鏡和光柵可減小系統的非線性特性,避免交疊效應發生。

本文研究加深了對LC-SLM型超短脈沖整形系統中LC-SLM像素型結構對整形效果影響規律的認識,為超短脈沖整形實驗中的失真原因分析、實驗參數優化提供了參考,對于減少脈沖整形失真具有參考意義。

作者:李雨 李澤仁 劉壽先 單位:中國工程物理研究院流體物理研究所