發(fā)布時間：2020-11-07 09:37

　　 同步時間透鏡光源作為一種新穎的脈沖同步方案,在相干拉曼散射成像領域取得了成功的應用,有望用于包括皮秒以及飛秒在內的多種需要雙色同步脈沖的場合。然而同步時間透鏡光源存在的同步時間抖動及相關的峰值功率起伏、脈寬僅為皮秒量級等問題妨礙了其應用的進一步推廣。針對該光源目前存在的同步抖動以及其他可優(yōu)化參數,我們建立起了完整的理論模型用于描述包括鎖模激光器、同步時間透鏡各個光電環(huán)節(jié)在內的完整理論模型,構建完成了對其進行理論研究的物理基礎。在此基礎上開展的同步時間抖動物理起源的研究、相應控制方案的提出將為同步時間透鏡光源的性能提升及優(yōu)化,應用領域拓展,特別是由皮秒應用向飛秒應用拓展創(chuàng)造可行性。論文研究所取得的主要成果為:(1)明確了可能顯著導致同步時間抖動的物理量,包括:鎖模激光器本征隨機時間抖動、鎖模激光器重復頻率單向漂移、窄帶射頻濾波器帶寬、光電探測器的自身噪聲。(2)針對這些物理因素,提出了減小同步時間抖動的控制策略,包括:盡可能減小鎖模激光器輸出的隨機時間抖動以及重復頻率單向漂移、匹配鎖模激光器和同步時間透鏡光源之間的光學延遲、根據抖動起源恰當的選擇窄帶濾波器帶寬、增大入射到光電探測器的激光功率、選取高量子效率的光電探測器等。(3)明確了鎖模激光器輸出脈沖抖動會通過光電轉換及調制過程,導致同步時間透鏡光源輸出脈沖產生脈沖間峰值功率起伏。提出可以通過減小窄帶濾波器帶寬的方法抑制峰值功率起伏,但其代價是會導致同步時間抖動增加。通過上述系統化理論研究工作,預期為實驗上同步時間透鏡光源性能的提升提供理論指導,實現其應用領域拓展。
【學位單位】：深圳大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

光學顯微成像能夠幫助我們去發(fā)現物質的微觀世界，包括物質內在精細的結構。自從 Anton van Leeuwenhoek 在 1674 年用自制的顯微鏡觀察到了微生物，三百多年來，光學顯微成像技術得到了長足的發(fā)展與進步。其中，非線性光學成像因其具備亞細胞尺度的分辨能力、三維成像能力以及更大的成像深度而一直成為學者研究的熱點。相干拉曼散射顯微術（Coherent Raman Scattering, CRS）與多光子熒光成像（MultiphotonFluorescence Microscopy, MFM）是應用廣泛、非常具代表性的兩種非線性光學成像技術。相干拉曼散射顯微成像技術包括相干反斯托克斯拉曼散射[1]（Coherent Anti-StokeRaman Scattering, CARS）成像和受激拉曼散射[2]（Stimulated Raman Scattering, SRS）成像兩種方法。多光子熒光成像包括雙光子熒光成像[3]（2-Photon Excited Fluorescence2PEF），三光子熒光成像（3-Photon Excited Fluorescence, 3PEF）等[4,5]。相干拉曼散射顯微成像和多光子熒光成像涉及不同的能級躍遷原理，圖 1 列出了雙光子熒光成像、三光子熒光成像、相干反斯托克斯拉曼散射成像以及受激拉曼散射成像對應的能級躍遷示意圖：

圖 2 時間透鏡與空間中透鏡類比對照圖。其中 PM 為相位調制器，DC 為色散補償介質從圖中可以清晰的看出時間透鏡是從何而來并且如何完成在空間域中會聚光束這一功能的。為了搭建時間透鏡光源，實現對脈沖的壓縮，可選取的色散介質是非常豐富的，例如光纖、自由空間光柵等等。我們需要的僅僅是在色散介質前放置一個相位調制器以對脈沖施加相位調制。這一過程可以用一臺相位調制器輕松的完成，并且不同于空間中透鏡為無源器件，時域內的相位調制器是由外部電信號驅動的有源器件。具體時域內的相位調制由以下公式給出：( ) ( )2PPVt f tV = （5）式中PPV 為電壓的峰峰值，V 為相位調制器完成π的相位變化所需的驅動電壓， f ( t )為歸一化的電脈沖波形。為了模擬空間中透鏡對入射光波施加的二次相位調制，我們通常采用典型的正弦波

圖 4 實驗中用示波器測量的脈沖輸出波形。其中（a）圖脈沖序列重復頻率為 80MHz，（b）圖為任意重復頻率脈沖序列，（c）圖為幅度調制輸出波形從圖4中的實驗測量的脈沖輸出波形我們可以知道盡管強度調制器可以將連續(xù)的激光變?yōu)槊}沖序列輸出，但是從圖中可以清楚的看出其輸出脈寬在數十皮秒的量級，這一脈寬的結果比時間透鏡光源高了一個數量級，并且對于相干拉曼散射成像系統來說是不滿足要求的。所以，綜合以上，時間透鏡光源技術并不能被馬赫澤德強度調制器簡單的替代。在圖 3（b）的脈沖光強隨時間變化的關系中我們可以看出輸出波形在較短的時間范圍內存在旁瓣，并且在很長的一段時域內具有基座。脈沖波形旁瓣與基座起源的原因是由于在時間透鏡光源系統中我們對脈沖序列施加的是正弦波的相位調制，而空間內透鏡真正對入射光波施加的是二次相位調制，這就會導致產生的非線性啁啾無法被后面色散介質中的群速度色散所補償消除，從而產生旁瓣。另外，最近的理論研究表明即使是真正的二次相位調制
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本文編號：2873763