局域光折变体光栅及其在超短脉冲整形中的应用研究

It has the important potentials to developing the minimized and multifunctional integrated 3-D optical system. The proposal is to design a new pulse shaping device using photorefractive volume hologram in LiNbO3 crystal slab, which recorded by 90 degree geometry,and it has the particular properties of small space volume, simple, insensitive to environment disturbance, and has the function of laterally spread and pulse shaping. The in-depth theoretical and experimental studies of photorefractive holography and it's application in pulse shaping will be investigated. The details are listed in the following: 1) setting up the time-space dynamic theory of the nonvolatile holographic recording in lithium niobate crystals doubly doped, considering all the factors of nonvolatile two-color, two-center holographic recording , nonvolatile two-step, two-color holography recording, wave coupled and finite size of volume holography. 2) the diffractive properties of photorefractive local holography, and looking for the method to improve the diffraction beam quality of the local holographic gratings ; 3) designing and optimizing the photorefractive local holography pulse shaping device; The studies of the proposal have far-reaching significance which includes the integration of local optical functional component, and the advance of its practicability to pulse shaping technology by photorefractive volume holography.

实现光学器件的小型化和三维集成具有重要的应用前景。本项目提出一种基于光折变局域体全息光栅的新型超短脉冲整形器件，同时具备空间垂直转向传播和滤波整形两种功能，尤其适用于三维集成和光互联领域。采用两束记录光垂直正交入射的全息记录方式，在一块光折变铌酸锂晶体平板内记录形成局域体全息器件，其结构简单，抗干扰能力强。针对光折变局域体全息器件设计和应用的关键问题，从理论和实验上开展深入的研究，研究内容包括：1）建立包含双波长双中心，双波长缺陷中心，光束耦合，有限尺度全部效应在内的非挥发光折变效应的动力学理论模型；2）光折变局域体光栅的衍射特性分析，获得衍射光束高光束质量的最优化参数；3）光折变体全息脉冲整形器件的设计和实验验证。本项目的研究结果将对光折变体全息器件向实用化推进，发展具有特殊功能的局域体全息光学元件的集成及应用有很大的参考价值。

制作小型化和全光化的光集成系统因其在光学信息处理和激光通信领域中巨大的潜在应用而倍受关注。在单块光折变晶体材料中，制作不同性质的若干个分立的局域体全息，通过衍射光的互联实现基于单块晶体的微小三维光学集成系统，是一个非常有科学价值的研究课题。围绕本项目的研究内容，我们研究了包含多种效应在内的描述掺杂铌酸锂晶体中光折变局域体全息的动力学过程，进行了数值计算分析；研究了局域光折变体全息的脉冲衍射特性；设计了三种基于体全息光栅的脉冲整形装置；在扫描光束边瓣抑制技术和全息加密应用方面开展了探索工作。主要内容和研究结果如下：.（1）研究了包含双波长双中心，光束耦合，光栅有限尺度等效应在内的非挥发光折变效应的动力学理论分析,完成了数值计算程序的优化；.（2）研究了局域光折变体全息的脉冲衍射特性。基于二维耦合波理论，研究了Sech波前分布的超短脉冲激光通过局域的体全息光栅的衍射特性。对比了Gauss, Lorentz, Sech三种波前分布的超短脉冲激光光束对光栅衍射特性的影响；分析了啁啾脉冲激光通过周期性分层体全息折射光栅的衍射特性，讨论了啁啾脉冲激光的结构参量，及分层体光栅的各项参量对衍射光强分布和衍射效率的影响，利用分层体全息光栅可灵活实现超短啁啾脉冲光束的整形。.（3）设计了三种基于体全息光栅的脉冲整形装置。提出了一种频率线性啁啾脉冲分束与整形装置，该方案将复用体全息光栅与整形体全息光栅都集成于单块光折变晶体平板内，结构紧凑，稳定可靠，可对一般啁啾脉冲激光实现频移和整形；还提出了一种可调谐环形腔脉冲滤波整形装置，其基本原理是由五个垂直记录结构的局域体光栅形成可调谐环形腔，通过精密调节局域体光栅之间的隔离层厚度，实现对脉冲激光的可调谐滤波整形；此外，还提出了一种将高斯脉冲光束整形为平顶光束的光折变全息平板装置，该全息平板由两束90度角记录光束干涉形成，在记录过程中利用计算机控制空间光调制器对其中一路光束进行振幅调制，通过光折变体全息光栅实现高斯脉冲读出光束中心波长的平顶整形。.（4）在扫描光束边瓣抑制技术和全息加密应用方面开展了探索工作。提出了一种基于振幅和相位的混合调制的高精度光学相控阵光束转向技术，该方法能将衍射光束的旁瓣相对光强由80%降低到20%；提出了一种基于菲涅耳望远镜成像技术的全息扫描加密和解密技术，数值研究和实验研究的结果证实了方案的可行性；提出了一种基于角度