基于微扰理论对光谱烧孔特性的研究及应用

作     者：张世宇 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马秀荣

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：Tm3+:YAG晶体 微扰理论 光谱烧孔 光子回波 啁啾速率 任意信号产生 

摘      要：随着人们对光谱烧孔理论分析的深入了解，光谱烧孔技术的应用也逐渐成熟，尤其在雷达信号处理与超宽带射频信号谱分析中，传统电学处理方法无法满足在毫秒量级内处理高达几GHz的射频信号，而光谱烧孔技术利用烧孔晶体所具有的高达几十GHz的非均匀展宽线宽和几百KHz的均匀展宽线宽等特性，可以克服传统电学处理方法中的不足，从而光谱烧孔成为目前研究的热点问题之一。 本文研究了Tm3+: YAG晶体的光谱烧孔特性及其应用，从理论上对光谱烧孔、光子回波现象的形成以及两者之间的联系进行了分析，并从实验上对光谱烧孔的特性进行了研究。首先回顾了光谱烧孔和光子回波技术的发展历程和国内外研究现状，基于密度矩阵推导了光学Bloch方程，基于Maxwell-Bloch方程分析了光谱烧孔的形成;引入了微扰理论，建立了基于微扰理论的光谱烧孔模型，实验研究了读激光啁啾速率对光谱烧孔特性的影响;提出了一种高带宽且高时宽带宽积周期脉冲序列信号产生的方法。主要研究内容包括： 1.基于微扰理论建立了Tm3+: YAG晶体光谱烧孔形成的理论模型。将光谱烧孔效应与三脉冲受激光子回波建立了联系，理论分析表明光谱烧孔也可解释为光子回波的零级衍射波。首先阐述了时域光子回波的形成，在此基础上从频域推导出光脉冲与光谱烧孔晶体相互作用的一般模型，仿真分析了光脉冲时间间隔对晶体非均匀展宽谱的影响，当光脉冲时间间隔为零时，光子回波的零级衍射波即为光谱烧孔。 2.基于微扰理论模型对Tm3+: YAG晶体光谱烧孔特性进行研究。分析了读激光啁啾率对光谱烧孔孔宽的影响，发现了当读激光啁啾率大于晶体材料均匀展宽线宽平方时读出的烧孔会产生严重失真，仿真结果与基于Maxwell-Bloch模型所得出的结论是一致的，并得到了实验验证。 3.提出了一种光学宽带宽、高时间带宽积任意波形信号产生的方法。基于微扰理论分析了基于光子回波的脉冲压缩过程。仿真实验得到了时间宽度为68ps压缩脉冲信号，其频谱带宽为15GHz，并由这些时域的压缩脉冲组成了时间带宽积高达15000的周期脉冲序列信号。