同步时间透镜光源中时间抖动起源及其控制研究

发布时间：2020-11-07 09:37

　　 同步时间透镜光源作为一种新颖的脉冲同步方案,在相干拉曼散射成像领域取得了成功的应用,有望用于包括皮秒以及飞秒在内的多种需要双色同步脉冲的场合。然而同步时间透镜光源存在的同步时间抖动及相关的峰值功率起伏、脉宽仅为皮秒量级等问题妨碍了其应用的进一步推广。针对该光源目前存在的同步抖动以及其他可优化参数,我们建立起了完整的理论模型用于描述包括锁模激光器、同步时间透镜各个光电环节在内的完整理论模型,构建完成了对其进行理论研究的物理基础。在此基础上开展的同步时间抖动物理起源的研究、相应控制方案的提出将为同步时间透镜光源的性能提升及优化,应用领域拓展,特别是由皮秒应用向飞秒应用拓展创造可行性。论文研究所取得的主要成果为:(1)明确了可能显著导致同步时间抖动的物理量,包括:锁模激光器本征随机时间抖动、锁模激光器重复频率单向漂移、窄带射频滤波器带宽、光电探测器的自身噪声。(2)针对这些物理因素,提出了减小同步时间抖动的控制策略,包括:尽可能减小锁模激光器输出的随机时间抖动以及重复频率单向漂移、匹配锁模激光器和同步时间透镜光源之间的光学延迟、根据抖动起源恰当的选择窄带滤波器带宽、增大入射到光电探测器的激光功率、选取高量子效率的光电探测器等。(3)明确了锁模激光器输出脉冲抖动会通过光电转换及调制过程,导致同步时间透镜光源输出脉冲产生脉冲间峰值功率起伏。提出可以通过减小窄带滤波器带宽的方法抑制峰值功率起伏,但其代价是会导致同步时间抖动增加。通过上述系统化理论研究工作,预期为实验上同步时间透镜光源性能的提升提供理论指导,实现其应用领域拓展。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

光学显微成像能够帮助我们去发现物质的微观世界，包括物质内在精细的结构。自从 Anton van Leeuwenhoek 在 1674 年用自制的显微镜观察到了微生物，三百多年来，光学显微成像技术得到了长足的发展与进步。其中，非线性光学成像因其具备亚细胞尺度的分辨能力、三维成像能力以及更大的成像深度而一直成为学者研究的热点。相干拉曼散射显微术（Coherent Raman Scattering, CRS）与多光子荧光成像（MultiphotonFluorescence Microscopy, MFM）是应用广泛、非常具代表性的两种非线性光学成像技术。相干拉曼散射显微成像技术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）成像两种方法。多光子荧光成像包括双光子荧光成像[3]（2-Photon Excited Fluorescence2PEF），三光子荧光成像（3-Photon Excited Fluorescence, 3PEF）等[4,5]。相干拉曼散射显微成像和多光子荧光成像涉及不同的能级跃迁原理，图 1 列出了双光子荧光成像、三光子荧光成像、相干反斯托克斯拉曼散射成像以及受激拉曼散射成像对应的能级跃迁示意图：

图 2 时间透镜与空间中透镜类比对照图。其中 PM 为相位调制器，DC 为色散补偿介质从图中可以清晰的看出时间透镜是从何而来并且如何完成在空间域中会聚光束这一功能的。为了搭建时间透镜光源，实现对脉冲的压缩，可选取的色散介质是非常丰富的，例如光纤、自由空间光栅等等。我们需要的仅仅是在色散介质前放置一个相位调制器以对脉冲施加相位调制。这一过程可以用一台相位调制器轻松的完成，并且不同于空间中透镜为无源器件，时域内的相位调制器是由外部电信号驱动的有源器件。具体时域内的相位调制由以下公式给出：( ) ( )2PPVt f tV = （5）式中PPV 为电压的峰峰值，V 为相位调制器完成π的相位变化所需的驱动电压， f ( t )为归一化的电脉冲波形。为了模拟空间中透镜对入射光波施加的二次相位调制，我们通常采用典型的正弦波

图 4 实验中用示波器测量的脉冲输出波形。其中（a）图脉冲序列重复频率为 80MHz，（b）图为任意重复频率脉冲序列，（c）图为幅度调制输出波形从图4中的实验测量的脉冲输出波形我们可以知道尽管强度调制器可以将连续的激光变为脉冲序列输出，但是从图中可以清楚的看出其输出脉宽在数十皮秒的量级，这一脉宽的结果比时间透镜光源高了一个数量级，并且对于相干拉曼散射成像系统来说是不满足要求的。所以，综合以上，时间透镜光源技术并不能被马赫泽德强度调制器简单的替代。在图 3（b）的脉冲光强随时间变化的关系中我们可以看出输出波形在较短的时间范围内存在旁瓣，并且在很长的一段时域内具有基座。脉冲波形旁瓣与基座起源的原因是由于在时间透镜光源系统中我们对脉冲序列施加的是正弦波的相位调制，而空间内透镜真正对入射光波施加的是二次相位调制，这就会导致产生的非线性啁啾无法被后面色散介质中的群速度色散所补偿消除，从而产生旁瓣。另外，最近的理论研究表明即使是真正的二次相位调制
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 彭君;邓迎春;;N个耦合神经元的同步时间[J];湖南师范大学自然科学学报;2005年04期

2 王瀛;;同步时间差和小相位差计算引起的相位差分析[J];信息与电脑(理论版);2011年10期

3 孟德香,梁红玉,吴伟陵;基于同步时间扩展处理的信道编码[J];无线电工程;2004年03期

4 孟惠;金涛;屈世显;;连续与不连续映象无标度耦合格子的同步时间[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2011年05期

5 赵柏山;朱义胜;;一种降低混沌同步时间开销的方法[J];大连海事大学学报;2007年03期

6 路程;张晓林;;数字电视接收机同步时间估测方法[J];北京航空航天大学学报;2010年05期

7 陈雷;程凤军;王静;;基于ADAMS的双因素作用下小型客车同步时间研究[J];小型内燃机与车辆技术;2018年02期

8 张勇平;盛慧慧;杨静;;500kV变电站统一同步时间系统设计及实施[J];华北电力技术;2009年11期

9 张广胜;吴哲辉;翟正利;贾广余;;基于同步时间Petri网的细粒度多媒体同步模型研究[J];计算机科学;2004年02期

10 徐相连，杜兰民;人类外周血高分辨染色体胸苷同步时间的研究[J];临沂医专学报;1994年02期

相关硕士学位论文 前10条

1 王家麒;同步时间透镜光源中时间抖动起源及其控制研究[D];深圳大学;2018年

2 张鹏;基于GPS的电力系统同步时间服务系统的研究与实现[D];华中科技大学;2005年

3 刘阔翔;变速器换档性能研究与优化[D];武汉理工大学;2011年

4 李浩;汽车同步器结构参数优化设计方法研究[D];上海工程技术大学;2015年

5 马米花;非线性振动系统的同步与控制[D];漳州师范学院;2007年

6 杜裕强;汽车锁销式多锥同步器研究[D];西安科技大学;2013年

7 胡燕;异结构超混沌系统的自适应投影同步[D];湖南大学;2013年

8 李凯;基于有限元的汽车同步器换档性能研究[D];重庆大学;2016年

9 周帅;汽车手动变速器同步器的建模与仿真研究[D];武汉理工大学;2011年

10 郭淼;同步器寿命性能测试系统的研究[D];吉林大学;2004年

本文编号：2873763