基于多光子吸收的光学稳定与时空整形探究

根据前面所述，多光子吸收将导致介质动态透过率随入射光强的增大而降低，从而可实现光学限幅的功能，同样的机理，亦可分别用于实现光学信号的稳定和时空整形两种特殊功能。在入射光为激光脉冲序列的情况下，总存在着不同程度的脉冲光强或峰值功率的起伏，假令这样一种光脉冲序列通过一适当的多光子吸收介质，当某一脉冲功率向上起伏时，介质的非线性透过率瞬时变小；反之，当脉冲功率向下起伏时，系统的通过率变高。因此，通过该介质后，透射光脉冲系列的功率起伏将会自动被压缩变小。显然，这种基于多光子吸收原理的光学稳定装置，在光学通信和光学信息处理等技术领域内有重要的应用价值。例如，在超长距离光纤通信系统中，被传输的光脉冲信号序列要经过若干中继放大，若在进入放大器前（或经过放大器后）令脉冲信号序列通过一具有多光子吸收能力的特殊光纤区段，则可达到提高信噪比的特殊效果。

同样的多光子吸收原理，亦可用于控制脉冲形状以及脉冲系列的时间包络线特性，此外，亦可用于改变和控制光束的空间分布特性。这些应用可统称为基于多光子吸收材料的光学整形技术。例如，可利用这类技术减少激光束空间横向光强的随机起伏（光强的空间平滑效应）。

1）光学稳定效应

最早的基于双光子吸收的光学稳定实验演示，是由He等人于1995年报道的，他们采用一种由染料掺杂激活的环氧树脂棒作为非线性吸收介质，棒长2.4 cm，染料掺杂浓度为0.09 M，入射激光波长为602 nm，脉宽为0.5 ps，重复率为30 Hz，入射前的脉冲系列强度起伏约为Δ≈±0.11，透过双光子吸收介质后，透射光脉冲系列的起伏被压缩为Δ'≈±0.038［114］。

在此之后，更多的多光子吸收介质被用于进行光学稳定效应的实验研究，其中包括染料溶液样品［107］、纯净染料液晶样品［22］、液态有机盐样品［24，112］以及纳米粒子系统等［108，113］。作为其中一个研究成果的实例，图14-24为采用液态染料有机盐（ASDPT）作为双光子吸收介质的实验测量结果［24］。入射激光波长为1 064 nm、脉宽为13 ns、重复频率为2 Hz，经由一个f=10 cm的透镜聚焦到1 cm长的样品。上图为采用一个光电二极管探测器和门式积分器测得的入射激光脉冲序列光强相对起伏的曲线，其中每个记录点代表一个单个入射脉冲的能量（光强）；下图则为在同样条件下，测得的透过激光脉冲序列的相对光强起伏。前者的平均起伏值为Δ≈±0.25，后者的平均起伏值则减少为Δ'≈±0.13。

图14-24　基于一个具有双光子吸收能力的染料液态盐样品（ASDPT）测得波长为1 064 nm的纳秒入射脉冲序列（上）和相应透过脉冲序列（下）的相对起伏特性［24］

图14-25为基于三光子吸收过程的光学稳定实验的另一典型结果［112］。此时，三光子吸收介质是另外一种染料液态盐样品（ASEPT），入射激光波长为1.3μm、脉宽为160 fs、重复率为1 kHz、光束尺寸为2.5 mm，经f=10 cm透镜聚焦后入射到2 cm长的样品盒中。输入和输出光脉冲信号由一个快速光电二极管接收探测，然后经由一个门式积分器记录和显示，此时每个记录点代表着对每8个脉冲进行平均的结果。为获得由该图所示的结果曲线，入射光的平均脉冲能量水平约为4μJ，平均光强水平约为500 GW/cm2，入射光束的记录曝光时间约为60 s，共记录7 500个测量点。在上述实验条件下，测得的入射光脉冲信号的统计起伏约为Δ≈±0.33，而相对的透射光脉冲的起伏被减少到只有Δ'≈±0.08，从而显示了一种卓越的光学稳定功能。

2）基于多光子吸收的光学整形

图14-25　基于一个具有三光子吸收能力的染料液态盐样品（ASEPT）测得的波长为1.3 μm的飞秒入射脉冲序列（a）和透过脉冲序列（b）的相应起伏特性［112］(www.xing528.com)

最早的基于双光子吸收原理而实现光学脉冲系列时间包络线整形的实验，是由He等人于1997年报道的［115］。该实验中，双光子吸收介质是浓度为0.05 M的ASPI染料分子溶于溶剂二甲亚砜（DMSO）中，为大幅度增加非线性作用长度和保持高的局部入射光强，该染料溶液被充注入长度为20 cm的一个空心石英玻璃光纤样品中。入射光为由一台Q突变和锁模的Nd∶YAG激光器系统提供的脉冲序列，波长为1 064 nm；该脉冲序列的包络线宽度为100 ns，内含约30个脉宽约为130 ps的子脉冲，如图14-26（a）所示。在不同平均输入脉冲光强（I0）水平下，经过染料液芯光纤样品后的输出光脉冲序列如图14-26（b）～（e）所示。由这些图线的比较可以看出，随着平均入射光强水平的提高，透射光脉冲序列包络线的形状逐渐变得扁平，从而表现出一种激光脉冲（序列）时间波形的整形作用。

图14-26　用示波器测得的1 064 nm输入脉冲序列时间波型（a）以及通过20 cm长双光子吸收染料溶液（ASPI/DMSO）充注的空心光纤样品后的出射脉冲序列时间波型［（b）～（e）］［115］

同样的多光子吸收原理，亦可用于改变和控制激光束的空间光强分布。在这一特殊应用方面，首次实验演示报道于2000年［15］。在该实验研究中，采用长度为1 cm、浓度为0.033 M的AF350染料溶液（溶剂为THF）作为双光子吸收介质，入射脉冲激光的波长为810 nm、脉冲宽度为7 ns、重复率为10 Hz。首先，为制造一种不均匀的入射光强横向分布，让主入射光先分为两束，然后令这样两束光以小的夹角同时聚焦入射到样品盒中，并在焦平面附近内产生由双光束干涉效应所决定的条纹式分布。通过照相成像的方法，可以分别测量出光束通过纯溶剂（THF，无双光子吸收）以及通过双光子吸收染料溶液后的横向光强相对分布，如图14-27（a），（b）所示。通过对这两个测得图线的仔细比较中可以看出，前者的横向光强空间调制度约为67%，而后者则只有约39%，从而演示出一种光场空间结构整形和平滑化的功能。以上实验结果是在聚焦入射峰值处光强约为0.113 GW/cm2的条件下得到的，此条件下测得的双光子吸收系数约为30 cm/GW。与实验结果相对应，图14-27（c）为一假设的入射光场横向光强分布，其空间调制度设定约为67%；图14-27（d）则为根据测得的β=30 cm/GW而计算出的透射光场的光强横向分布变化。比较图14-27（b）和（d）可以看出，理论模拟计算结果与实验结果基本一致。

图14-27　实际测得的在分别通过透明溶剂（a）和双光子吸收生色分子溶液（b）后的横向激光光强分布以及相应的理论模拟计算曲线［（c），（d）］［15］

最近报道的一项光场空间整形实验，采用了一种具有较高双光子吸收能力的新型本征聚合物薄膜（PFBT）作为非线性介质，样品厚度为70 μm、入射脉冲激光波长为780 nm、脉宽为160 fs［116］。在实验中，首先让入射激光束通过一个300线/mm的金属网格，然后将衍射激光束经一个f=10 cm透镜垂直聚焦在聚合物薄膜样品表面，形成由网格衍射确定的特征远场图样。在薄膜样品后表面上的图样光强分布，可采用一台CCD阵列相机记录。图14-28（a）为在低脉冲能量（0.07μJ）入射时透过样品薄膜的相对光强分布；此时在所有空间光强分布峰值处的非线性衰减均可忽略不计，其中单一主峰与次级峰之间的强度比为1∶0.3左右。图14-28（b）是在入射脉冲能量增加到2.6μJ时测得的相对光强分布，测得的上述比值变为1∶0.6左右；而图14-28（c）是在输入能量增加到4.5μJ时测得的场图分布，相应的比值为1∶0.82左右。这一实验结果，充分证明了仅利用一种高度非线性吸收的聚合物膜，就可以达到改变激光场的相对光强分布或使其平滑化的效果。

作为本节的结论，从发展的眼光来看，基于多光子吸收原理的光学限幅、光学自动稳定、光学时空整形等技术，必定会在未来的光电子学、光通信、光数据存储与处理等领域，有特殊的应用。

图14-28　先经过金属栅网衍射，然后聚焦在双光子吸收聚合物薄膜表面的激光束透过光强相对分布［总输入脉冲能量水平分别为（a）0.07 μJ，（b）2.6μJ，（c）4.5μJ］［116］