光学频率梳空间光谱分辨精度研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．18(2012)184201光学频率梳空间光谱分辨精度研究术王楠韩海年李德华魏志义十(中国科学院物理研究所，光物理重点实验室，北京100190)(2012年1月21日收到；2012年3月6日收到修改稿)光学频率梳的高精度光谱整形在微波光子学、光谱学及通信光学等学科领域具有广泛应用．为了描述和评价光学频率梳光谱整形系统的光谱分辨精度，使用光线追迹的方法对单光栅、平行光栅对、单光栅透镜变换和反平行光栅对透镜变换四种结构的空问色散能力进行了理论建模和分析，得到了输出

2、面上不同波长的光斑间距和光斑大小，设立判据得到系统的光谱空间分离能力．计算结果表明，使用后面两种色散结构更容易实现高精度光谱分离和整形：波长较长、纵模间距较大、光斑尺寸较大的光学频率梳更适合作为光谱整形系统的光源；光栅刻线密度高、入射角小、多次通过色散系统有利于得到更高的光谱分辨精度．本文的分析和计算过程具有普遍适用性，对基于光学频率梳的高精度光谱整形系统的实验和评价具有指导意义．关键词：光学频率梳，光谱整形，空间色散，高精度PACS：42．15．Dp，42．15．Eq，42．79．一e，42．79．Dj进行反馈

3、控制，获得所需要的光谱类型．由于受限于调制器(如液晶)像素单元的尺寸以及空间色散1引言元件有限的光谱分离能力，通常一个光谱调制单元光学频率梳【1】具有丰富的宽带光谱、大量的内包含多条激光谱线，使得光谱整形精度较低；同激光纵模，是良好的信息和能量载体．对光学频率时由于激光源波长的抖动，光在调制器单元间的漂梳进行光谱整形是激光领域的重要研究方向之一，移也将会导致整形后输出光谱的形状不断变化，降目前不仅已广泛应用到超快激光放大器增益窄化低光谱整形精度和稳定性．光学频率梳在频域具有抑制【】、色散测量与补偿[3】等方面，同

4、时也促进大的光学带宽、极好的稳定性，是良好的光谱整形了光谱学【4】、光通信【5】、微波光子学[6】等领域的光源，并且利用新型激光增益介质_8_和非线性变研究和发展．根据傅里叶变换关系，频率域谱线的换_9_可以进行波长扩展，再进行光脉冲重复频率的变化对应时域的波形变化，通过对频域谱线的精密提高[1o]，可以使其覆盖波段丰富、纵模间隔大，在控制也将可以获得时域的任意波形，即光学任意波光谱整形系统中发挥主动参与作用．常用的光谱整形的产生【7]．作为新兴学科，这将会在光学信息处形系统，包含对入射光进行空间谱分离的色散结构

5、理、激光雷达和传感等领域具有广阔应用前景．由和液晶调制器两大部分，其中液晶单元作为光调制此可见，高精度光谱整形的实现对于已有相关学科器的调制核心元件[11】作用是实现对分离的光谱进的深入发展和新兴学科的产生促进，都具有重要的行并行调制，而空间色散结构决定了入射光源各谱研究意义．线的交叠程度，即决定了光谱整形精度．如果对光在激光的光谱整形过程中，需要先将其光谱内梳单个梳齿进行强度和相位的调制，就需要色散系不同波长进行空间分离，分别进入不同的光调制器统具有足够的空间色散能力可以将各梳齿进行空单元进行强度和相位调制，再

6、通过探测输出的光谱间分离，因此对色散系统的光谱分辨精度进行描述国家自然科学基金(批准号：60808007，11078022)和中国科学院创新方向性项目(批准号：KJCX—YW-W21)资助的课题tE—mail：zywei@iphy．ac．ca④2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／／／wulixb．iphy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．18(2012)184201和评价就至关重要．目前低精度光谱整形的应用已2．2光线追迹较为广泛，而高精度

7、光谱整形的研究还处于起步阶2．2．1非透镜变换光栅结构段，同时取得了一定的进展．文献报道已经可采用光栅相比于棱镜等材料具有更大的光谱色散单级色散系统对光梳的100根梳齿分别进行强度能力，使用如图1(a)所示的单个光栅就可以使宽和相位的调制[i2】，或通过四级空间色散结构也可谱入射光产生较大的空间色散，由光栅的衍射方实现高的空间色散光谱分离[13]，从实验上实现了程sin+sin0：mA／d知，同波长的激光沿同一衍特定波长下窄带宽光谱的高精度的光谱整形．为了射角出射，光斑大小不变；不同的波长的衍射角差拓展光谱整形系

8、统的波长适用范围和提高光谱整由方程求微分得：形精度，需要普遍适用的理论来分析和描述系统中空间色散结构的光谱分离能力，而相关的研究未见AO=一A7，(1)报道．其中A7为激光初始角色散．选择中心波长的法平本文采用光线追迹法对光谱整形系统的几种面作为参考面，则光束传播距离后两相邻波长的空问色散结构进行了模拟分析，对单光栅、平行光光斑中心距为栅对、单光栅透镜变换和反平行光栅对透