华中师范大学研究生课程论文论文题目脉冲宽度的测量和巨脉冲激光器完成时间课程名称专业年级目录摘要 (1)引言 (1)1 脉冲宽度的测量 (1)1.1 二次谐波法 (1)1.2 二次谐波系统 (1)1.3 几种测量飞秒脉冲宽度的方法 (2)1.3.1 FROG测量法 (2)1.3.2 SPIDER测量法 (3)1.4小结 (3)2 巨脉冲激光器 (3)2.1 调Q技术的概念 (3)2.2 调Q技术的方法 (4)2.3 调Q技术的工作原理 (4)2.4锁模法压缩脉宽 (4)2.5 巨脉冲激光器的应用 (5)2.6小结 (5)3光子学课程学后感 (5)3.1课堂所学所感 (5)3.2自己讲课的感悟 (5)3.3课后的展望 (6)4 总结 (6)参考文献 (7)脉冲宽度的测量和巨脉冲激光器摘要：本文主要论述了锁模超短脉冲的测量方法，介绍了二次谐波法测锁模超短脉冲的原理和装置。

本文简要介绍了巨脉冲激光器的原理，浅层次论述了调Q技术，简要介绍了几种调Q方法。

关键词：锁模超短脉冲；二次谐波法；巨脉冲激光器；调Q技术引言：激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化以至微型化方向发展。

因此研究超短脉冲激光和巨脉冲激光器具有重要的理论意义和应用前景。

本论文主要结合所讲课程，在原理上浅层次介绍锁模超短脉冲的测量与巨脉冲激光器的工作原理。

本分主要分为三个章节：第一章节介绍了锁模超短脉冲的测量，即二次谐波法；第二章节介绍巨脉冲激光器的工作原理；第三个章节介绍了自己对光电子学这门课程的理解以及自己在课堂上所学到的知识点。

1 脉冲宽度的测量关于脉冲宽度测量的问题，本文论述主要针对激光脉冲宽度的测量。

激光脉冲的测量主要分为普通激光脉冲宽度的测量与超短激光脉冲宽度的测量。

普通激光脉冲宽度的测量，是利用光电二极管或其他光电转换器件将光信号转换成电信号后输入示波器进行测量，该方法测量的激光脉冲的宽度极限为亚纳秒量级。

超短激光脉冲的测量方法主要有条纹照相机或双光子荧光（TPF）法、二次谐波（SHG）法等方法。

由于锁模超短激光脉冲其脉冲宽度极窄，可以得到极高的峰值功率密度，应用领域较广。

因此测量锁模超短脉冲的宽度问题，在实际应用和理论分析中都十分重要。

本文介绍方法主要采用二次谐波法测量锁模超短脉冲。

1.1 二次谐波法二次谐波法主要采用了自相关倍频的原理，将时间测量转化到空间进行测量，然后通过计算得到脉宽，用该方法可以测量飞秒量级的脉冲宽度。

二次谐波法由于其较高的精度，成为一种广泛被应用的方法。

1.2 二次谐波系统图1.2表示测量锁模脉冲宽度的二次谐波系统。

激光器发射一连续的锁模脉冲，每个脉冲被分束器分为两个强度相等的脉冲。

其中一个脉冲与另一个脉冲相差为s（通过改变步进电机的转速可以改变时差），然后两个脉冲在非线性光学晶体中汇合。

由晶体产生的二次谐波入射到一个探测器，其输出电流在时间轴的宽度长于光脉冲宽度，以此实现对锁模超短脉冲宽度的测量。

该方法主要通过测量SHG信号，可以获得二阶自相关函数，由此推算出脉冲宽度。

图1.2 测量锁模脉冲的二次谐波系统1.3 几种测量飞秒脉冲宽度的方法双光子荧光法、条纹相机等测量方法由于其受时间、空间分辨率的限制，这些方法已经无法适用。

目前国际上用于测量飞秒量级脉冲宽度的方法主要有频率分辨光学开关法（Frog）和自参考光谱相位相干电场重构法（Spider）。

这两种方法均是基于干涉自相关测量法,下面分章节介绍这两种测量法的原理及测量装置。

1.3.1 FROG测量法Frog测量装置如图1.3.1所示，FROG的基本方法是将待测脉冲经分束器分为两束，一束作为探测光，另一束作为光开关，并且让作为光开关的光束引入一个时间延迟，然后再让两束光通过倍频晶体产生相互作用，经过光谱仪进行光谱展开后，用CCD进行测量，得到相互作用后的光强随频率和时间延迟变化的空间图形，成为FROG迹线。

利用脉冲迭代算法从FROG迹线中恢复脉冲的振幅和相位分布。

图1.3.1 FROG测量装置1.3.2 SPIDER测量法SPIDER测量装置如图1.3.2所示，其基本方法是基于一种叫做光谱剪裁相干上的方法。

待测脉冲经过分束器被分为两束，其中一束通过一块色散介质展宽为啁啾脉冲，另一束经迈克尔孙干涉仪分为两个时差为的脉冲对，然后聚焦到倍频晶体中进行频率的转换。

和频后的脉冲对经过光谱仪记录下光谱相干的干涉条纹，再利用反演算法，即可得到入射脉冲的相位。

图 1.3.2 SPIDER测量装置1.4小结测量脉冲宽度主要有直接测量法与间接测量法，由于直接测量法的诸多局限性，因此测量锁模超短脉冲主要采用间接测量法。

该方法虽然是间接的，但其优点较为突出，它的测量结果可以实时反映激光器的锁模情况，具有高分辨率、高灵敏度等优点。

2 巨脉冲激光器巨脉冲激光器主要用来从激光器中获取强而短的激光脉冲，其具有一定的重复频率、高能量、高峰值功率、高光束质量。

巨脉冲激光器具有三个工作区域：1.单脉冲区；2.多脉冲区；3.截止区。

激光器产生超短脉冲所采用的技术主要有调Q技术和锁模技术，本章主要介绍通过调Q技术获得激光巨脉冲。

2.1 调Q技术的概念调Q技术主要通过压缩激光脉冲宽度，得到脉宽为毫秒量级、峰值功率为前兆瓦量级的激光巨脉冲。

该技术的基础则是快速腔内光开关，简称为Q开关。

调Q概念最早于1961年提出，1962年制成了第一台调Q激光器。

2.2 调Q技术的方法根据调Q的技术的不同，调Q的方法较多。

目前调Q的方法主要由以下几种：●电光晶体调Q：在共振腔内放电光元件和偏振分析器。

●转镜调Q：用马达带动共振腔内的一块三棱镜高速旋转。

其优点是重复性好，缺点是容易产生噪声。

●可饱和吸收体Q开关：该方法属于被动Q开关。

在共振腔内放可饱和吸收染料盒、色心晶体等。

●声光调Q：2.3 调Q技术的工作原理在泵浦过程中可以采用一些方法使光学共振腔的品质因数Q降低，以致于粒子密度反转数累计达到很高水平也不会发生振荡。

当粒子反转浓度达到其峰值时，突然使Q增大，这时激光介质的增益会大大超过阈值，会引起极其快速的振荡。

存储在亚稳态的粒子具有的能量很快转换为光子的能量，光子如雪崩一样以高速率增长，激光器便可以输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。

Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标。

图2.3为声光调Q连续YAG倍频激光器。

图2.3 声光调Q连续YAG倍频激光器2.4锁模法压缩脉宽随着技术的发展，很多领域需要应用到纳秒以下量级的超短光脉冲。

单纯调Q法由于受腔长和调Q器件等的制约，难以继续压窄脉宽。

正是由于调Q技术的局限性，人们找到了另一种压缩脉宽的技术，即锁模技术，主要包括被动锁模和主动锁模。

主动锁模是在谐振腔内插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性的改变腔内振荡模的振幅或相位。

被动锁模主要利用可饱和吸收体的非线性吸收效应。

与锁模法相比，Q开关方式的重复率，脉冲能量，脉冲持续时间更长，因此在很多地方，这两种技术会同时使用。

2.5 巨脉冲激光器的应用巨脉冲激光器主要应用于需要高功率和短脉冲宽度的场合，其主要可用于：非线性光学、激光打印、全色显示、测距、材料加工、钻孔、化学反应的触发和等离子体诊断学等。

2.6小结巨脉冲激光器主要通过调Q技术实现压缩脉冲宽度，提高峰值功率，从而将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中。

巨脉冲激光器由于其诸多优点，可以用于多种场合中，因此对巨脉冲激光器的研究具有极其重要的意义。

3光子学课程学后感光电子学这门课程起到了导论的作用，它对光电子学的方方面面做了浅层次的概述。

通过课堂教师的授课和课下自己搜集资料，我对光电子学有了全面的了解，对自己将来继续从事光电子学方面的研究起到了入门的作用。

3.1课堂所学所感通过课堂学习，我对光电子学的多方面有了初步的了解，主要表现在以下几个方面：●对激光器有了更为深刻的认识，了解了积累激光器，对激光器的工作原理有了一定的认识。

●对光的传输和光信号与电信号的转换技术有了初步的认识，了解了一些光电转换器件的工作原理。

●对光纤的工作原理及传输特性有了一定的认识，认识到了光纤主要应用的领域。

●对光信号与电信号的相互转换有了初步的认识，了解了其工作原理。

●对激光存储技术有了全面的认识，认识到了激光存储技术的优缺点，以及改进的方法。

●对光信号的调制与解调技术有了一定的认识，懂得了调制与解调的工作原理及实现方法。

光电子课程的学习使我学到了更多关于光电子学的知识点，为自己将来融入光电子研究所的研究以及这方面课题的开展起到了领路者的作用，希望自己以后通过后续课程的学习，对光电子学有更深层次的理解。

3.2自己讲课的感悟在本次讲课活动中，我主要负责讲了脉冲宽度的测量与啁啾脉冲的收缩以及巨脉冲激光器两节的内容。

在这个过程中，我主要通过查看英文书籍和一些中文论文完成了PPT的制作，锻炼了自己看英文书籍的能力和论文检索能力。

在此过程中，我加深了对光电子学课程的理解，培养了该方面的兴趣，更扫除了自己在光电子学上存在的一些错误认识，希望以后可以在光电子方向做出些有意义的成绩。

3.3课后的展望随着技术的不断发展，光电子技术已经变得逐渐成熟起来，目前有很多领域已经离不开光电子技术。

但由于受到某些条件的限制，目前光电子学中尚有许多问题等待解决。

希望通过该课程的学习可以找到自己感兴趣的方向，然后朝着一个方向做些研究，以求可以在某一点上获得突破，达到学有所用的目的。

4 总结本论文从大意上介绍了脉冲宽度的测量与巨脉冲激光器的实现，浅层次介绍了其基本概念与基本原理，并没有介绍公式的推导步骤，全文章节浅显易懂。

若要进一步学习这两部分的内容，请参考相关书籍，了解公式推导过程，并通过做实验深层次认识其实现过程。

参考文献[1] 侯洵超短脉冲激光及其应用[J].空军工程大学学报，2000.4，Vol.1 No.1[2] 陈碧芳.超短激光脉冲测量技术的发展[J].中国医学物理学杂志,2005(7).[3] 黄宏嘉.激光双Q调制据脉冲理论[J]。

中国科学，1974年5月第3期.[4] 刘江,吴思达，王科，曹镱，杨全红，王璞.基于石墨烯可饱和吸收体的被动锁模、被动调Q掺镱光纤激光器[J].中国激光，2011.8，38（8）.[5] 于洪.飞秒激光脉冲宽度测量研究[J].激光技术，2013.9，37（5）.。