飞秒光克尔门选通超快测量及成像技术研究

摘要

基于光克尔效应的飞秒时间选通超快测量技术，利用了超短激光脉冲在光克尔介质内部诱导的双折射效应，探测光经过泵浦光照射区域后偏振态会发生变化，并有部分光可以透过位于光克尔介质后面的检偏器。通过控制泵浦光脉冲可以实现光克尔门的“开、关”，进而实现全光开关的目的。这种全光克尔门选通技术，具有时间分辨率高（可达亚皮秒量级）、信噪比高和无需相位匹配等优点，目前已被广泛应用于材料三阶非线性测量、超快荧光测量、时间选通弹道光成像等超快测量领域。然而在飞秒时域光克尔测量中，探测光和泵浦光的相干作用会导致泵浦光向探测光方向的能量转移，即自衍射效应。自衍射效应的产生不利于提高光克尔门的时间选通性能，因此需要对其在飞秒时间分辨光克尔门测量中的影响进行有效调控。
　　本文主要研究了飞秒时域超快光克尔测量中自衍射效应与光克尔效应的竞争机制，通过调制泵浦光的强度、偏振态等参数抑制自衍射效应的干扰，以获得具有高时间分辨率和高信噪比的超快光克尔门；使用飞秒时间分辨光克尔效应测量技术，研究了有机-无机复合材料、铋酸盐玻璃等非线性光学材料的三阶非线性响应及其在超快光克尔门选通测量中的应用；提出了基于光克尔效应的飞秒时间分辨白光超连续谱偏振成像技术，实现了对超短脉冲在透明介质中传播动力学过程的超快成像。主要研究内容如下：
　　1.研究了飞秒时域光克尔测量中自衍射效应与光克尔效应的竞争机制，提出了通过调控泵浦光偏振夹角和功率来抑制自衍射效应的新方法。研究发现慢响应材料二硫化碳（CS2）飞秒时间分辨光克尔信号中包含快、慢两种响应的贡献——它们分别来源于自衍射效应和强光诱导双折射效应；对于超快响应材料铋酸盐（BI）玻璃，通过研究光克尔信号在不同偏振夹角下的泵浦光强依赖特性，发现自衍射效应的贡献随着偏振角度的增大而减小，随着泵浦光功率的增加而增大；因此我们提出，通过降低泵浦光功率和增大偏振角度可以有效抑制自衍射效应对光克尔测量的影响。
　　2.研究了双色光克尔信号泵浦光强依赖特性的阻尼振荡现象，通过实验和数值模拟研究了克尔信号阻尼振荡现象的物理机制；泵浦光脉冲在介质中诱导出强度随时间变化的双折射效应，探测光脉冲不同时刻光场所感应到的非线性折射率的非均匀变化，导致光克尔信号脉冲的时间特性随泵浦光强而改变，并使脉冲能量逐渐减小。研究了双色光克尔测量中泵浦光和探测光脉冲在介质中的走离效应和自聚焦效应对光克尔测量时间分辨率和精度的影响。
　　3.使用飞秒时间分辨泵浦探测光克尔效应测量技术，研究了有机-无机复合材料、无机铋酸盐玻璃等光学材料的三阶非线性响应，实现了时间分辨率优于85 fs的超快光克尔门。探索了基于超快响应介质的光克尔门在白光超连续谱测量中的应用；通过与标准样品CS2比较，发现使用超快响应的钛酸锶晶体作为光克尔介质从白光超连续谱中获取的门谱具有带宽窄、对称性好等优点。
　　4.提出了基于光克尔效应的飞秒时间分辨白光超连续谱单脉冲偏振成像技术，实现了对超短脉冲在透明介质中传播动力学过程的超快成像。偏振成像技术利用了强光脉冲在介质中诱导的瞬态折射率变化，可以实现对泵浦光脉冲能量分布的成像；利用基于白光啁啾超连续谱的偏振成像技术，实现了超短脉冲在CS2中成丝过程的超快成像，成像时间分辨率和空间分辨率分别优于1.5 ps和3μm。

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CONTENTS

主要符号表

1 绪论

1.1引言

1.2基于光克尔效应的超快全光开关

1.3飞秒激光与超快测量技术

1.4飞秒光克尔门选通测量技术研究进展

1.5课题研究的意义和主要内容

2 飞秒时域光克尔门选通测量中自衍射效应的影响及调控

2.1引言

2.2光克尔效应基本原理

2.3飞秒时间分辨光克尔门测量技术

2.4飞秒时间分辨光克尔测量中自衍射效应的调控

2.5本章小结

3 飞秒光克尔门选通测量中自聚焦效应的影响

3.1引言

3.2飞秒时间分辨光克尔信号泵浦光强依赖特性研究

3.3双色同轴光克尔测量中自聚焦效应的影响

3.4本章小结

4 基于超快光克尔门选通技术的白光超连续谱时间分辨研究

4.1引言

4.2几种材料的超快光克尔效应研究

4.3基于超快光克尔门的超连续谱时间分辨测量

4.4本章小结

5 基于白光超连续谱和光学偏振的超快成像技术

5.1引言

5.2单色光探测-光学偏振超快成像研究

5.3基于白光超连续谱的偏振成像研究

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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