超宽带光参量图像放大理论研究

论文摘要

近年来，超宽带光参量图像放大技术及其相关领域一直是人们研究的热点和国际前沿探索性的课题。利用超宽带光参量图像放大技术可以实现相干白光连续谱成像；将飞秒激光作为成像光源，使得超快成像的时间门选通速度和曝光速度达到了飞秒量级，它可以用于透过高散射介质成像、超快荧光动力学和荧光寿命成像等超快现象的时间分辨率成像；利用无噪声光参量图像放大技术能够获得超量子噪声极限的量子成像；此外，光参量图像放大技术在高精度时钟同步与精确空间定位、超高分辨率三维荧光显微图像增强以及高速摄像等方面有着非常广阔的应用前景。本文对超宽带光参量图像放大进行了理论分析与数值模拟，并对超连续谱的产生进行了实验研究，主要包括以下内容：1、基础理论：从麦克斯韦方程组出发，推导出三波耦合方程并给出小信号近似下的解析解和高增益下的数值解。详细的讨论了基于BBO非线性晶体的相位匹配、群速匹配和走离效应对光参量过程的影响；通过光学传递函数导出波矢空间和实空间的输入输出关系，进一步分析讨论了相敏增益和非相敏增益。2、基于预啁啾控制的超宽带光参量放大：首先给出了在BBO晶体I类共线相位匹配条件下的宽带抽运相位匹配技术，结合连续谱在光子晶体光纤中的色散关系，计算出零色散波长与相位匹配带宽两端的时间延迟，从而获得宽带啁啾泵浦所需的脉冲宽度。通过调节抽运光的时间延迟，使得抽运光的每一个分量与满足相位匹配的信号光分量在时间上完全同步，最终模拟出超宽带光参量放大的输出结果。3、超宽带光参量图像放大的理论模拟：利用一个伪彩色的飞机模型光学像作为输入信号，通过记录一系列不同的放大图像，然后插入到RGB调色板中，模拟出放大后的伪彩色飞机模型光学像，并通过三维图像给出放大后图像的增益，同时采用一个伪彩色字母表和一个鉴别率板作为输入信号，观察放大后光学像的分辨率变化。分析和模拟输入信号的初始相位和失配量对宽带相敏放大和相敏衰减的影响。最后详细地分析讨论了超宽带光参量图像放大的分辨率，分别从估算放大器的空间频率带宽和对光学传递函数作逆傅里叶变换计算出超宽带光参量放大图像的分辨率，数值模拟结果表明通过这两种不同的方法其结果基本一致，都接近经典的衍射极限分辨率。4、超连续谱产生的实验研究：利用掺镱光纤作为增益介质，通过多级放大获得超连续谱产生所需的基频光，将基频光通过熔融焊接的方式注入光子晶体光纤中产生超连续谱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光参量产生技术的概念
• 1.2 光参量图像放大的基本原理
• 1.3 光参量图像放大的应用及进展
• 1.3.1 光参量图像放大的应用
• 1.3.2 光参量图像放大的发展现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 光学参量放大的基本概念和理论
• 2.1 非线性耦合波方程
• 2.1.1 瞬态耦合波方程
• 2.1.2 三波共线耦合波方程
• 2.1.3 小信号近似解
• 2.2 相位匹配与相位失配
• 2.2.1 相位匹配
• 2.2.2 相位失配
• 2.3 群速匹配
• 2.4 空间走离与时间走离
• 2.4.1 空间走离
• 2.4.2 时间走离
• 2.5 宽带光参量放大
• 参考文献
• 第三章 光参量图像放大的理论研究
• 3.1 光参量图像放大器装置模型
• 3.2 光参量图像放大的输入输出关系
• 3.2.1 波矢空间（ q|→ , Ω）中的输入输出关系
• 3.2.2 实空间（ x|→ , Ω）的输入输出关系
• 3.3 光参量图像放大的增益
• 3.3.1 相敏增益
• 3.3.2 非相敏增益
• 参考文献
• 第四章 超宽带相敏光参量图像放大的数值模拟
• 4.1 基于预啁啾控制的超宽带光参量放大
• 4.1.1 超连续谱的产生
• 4.1.2 光子晶体光纤产生的超连续谱色散特性
• 4.1.3 基于预啁啾控制的超宽带相位匹配
• 4.1.4 基于预啁啾控制的超宽带光参量放大
• 4.2 超宽带光参量图像放大的理论模拟
• 4.3 超宽带光参量图像放大的分辨率分析
• 参考文献
• 第五章 超连续谱产生的实验研究
• 5.1 基频泵浦的产生
• 5.2 超连续谱的产生
• 参考文献
• 第六章 论文总结与工作展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 攻读硕士期间所做的工作及研究成果
• 致谢