调Q激光器Raman光谱的小波阈值去噪超短脉冲激光对于现代通信、生物医药、国防军事等各个领域都有着极为重 要的意义。超短脉冲具有窄脉宽、高能量、单色性好等诸多特性：其脉宽窄的特 性在测距、雷达等领域可获得高度精确的结果；其高能量的特性在核聚变、军事 等领域广泛应用；其单色性好的特性在光电取样、光纤通信、光全息存储等领域 起到重要的作用；等等。使用光学方法获得超短脉冲的方式很多，包括了锁模技术、调Q技术等。与 锁模激光器产生相对低脉冲能量的短脉冲不同的是，调Q激光器可以提供脉宽从 纳秒到微秒量级相对大的脉冲能量。调Q的方法可大致分为电光调Q、声光调Q、 被动式可饱和吸收调Q。电光调Q与声光调Q都属于主动式调Q,需要外界控制 激光谐振腔的损耗，具有体积大、成本高、紧凑性差、设计不灵活的缺点。而被 动调Q由于其不需要额外开关电子器件因而可以更容易、更廉价地产生高能量脉 冲序列。采用在激光谐振腔中插入可饱和吸收体调节腔内损耗是获得被动调Q 激光脉冲序列一种重要的方式。由于被动调Q以其简单的调制方式和较低的成本， 越来越受到科研人员的重视。被动调Q技术的核心元件为可饱和吸收体。石墨烯 和氧化石墨烯的出现，激发了研究人员对于类石墨烯材料光电特性的研究兴趣。 在这些类石墨烯层状材料的光电性质与其原子层数相关，人们从块状的类石墨烯 材料中分离出纳米层，研究这些纳米层的光电特性。结果表明，部分层状的类石 墨烯纳米材料的光电特性优异。采用Z扫描测量技术，证明了这些材料具有非线 性吸收的特性。此外，它们调制深度大于石墨烯和氧化石墨烯，这使得它们更加 适合作可饱和吸收体。1. 实验装置及Raman光谱测量图1实验装置图激光谐振腔为平-平腔，谐振腔长度为17mm。中心发生波长为808nm的激光 二极管作为泵浦源，由光纤导入聚焦系统中。泵浦光入射到晶体端面上，其光斑 半径为0.1mm。激光晶体的规格为2X2X5mms。晶体两端面均镀有对1.06um和 808nm增透的膜。用铟箔包裹Nd:GdTaO4晶体，晶体座通过20oC的水冷却。如图 中所示,平镜M做为输入镜，镜面镀有808nm高透过率和1.06um高反射率的膜。 输出镜M1是平镜，实验中用了两种不同输出率的输出镜，分别为3%和15% 808nm 泵浦源激发的Nd:GdTaO4荧光谱在1.06um附近有三个荧光峰，分别为：1056nm、 1060nm和1065.28nm。最强的发射峰位于1065.28nm处。1.06um附近荧光宽度 为13.92nm，利于产生超短脉冲。二罚闻 Signal图2调Q激光器Raman光谱Raman光谱主要是通过物质的Raman效应来探测物质成分的一种重要手段， 用Raman光谱仪进行测量即激光照射到物质表面，物质会吸收能量产生电子跃迁 到虚能级上，然后向基态跃迁时会发出有别与其本征频率的斯托克斯线和反斯托 克斯线，Raman光谱表征的是该谱线与本征频率之间的移动波数，通过测量这个 Raman移动来鉴别物质。本实验中调Q激光器的Raman光谱测量结果如图2所示。2. 小波阈值去噪的原理及小波的选择小波变换不同于傅里叶变换，根据小波基底函数的不同，小波变换的结果也 不尽相同。现实中到底选择使用哪一种小波的标准一般有以下几点：1) 支撑长度小波函数W (t)、W(3 )、尺度函数中(t)和中(3 )的支撑区间，是当时间或 频率趋向于无穷大时，W (t)、W(3 )、中(t)和中(3 )从一个有限值收敛到0 的长度。支撑长度越长，一般需要耗费更多的计算时间，且产生更多高幅值的小 波系数。大部分应用选择支撑长度为59之间的小波，因为支撑长度太长会产生 边界问题，支撑长度太短消失矩太低，不利于信号能量的集中。这里常常见到“紧支撑”的概念，通俗来讲，对于函数f(x)，如果自变量x 在0附近的取值范围内，f(x)能取到值;而在此之外，f(x)取值为0，那么这个 函数f(x)就是紧支撑函数，而这个0附近的取值范围就叫做紧支撑集。总结为 一句话就是“除在一个很小的区域外，函数为零，即函数有速降性”。2) 对称性具有对称性的小波，在图像处理中可以很有效地避免相位畸变，因为该小波 对应的滤波器具有线性相位的特点。3) 消失矩在实际中，对基本小波往往不仅要求满足容许条件，对还要施加所谓的消失 矩(Vanishing Moments)条件，使尽量多的小波系数为零或者产生尽量少的非零小波系数，这样有利于数据压缩和消除噪声。消失矩越大，就使更多的小波系数 为零。但在一般情况下，消失矩越高，支撑长度也越长。所以在支撑长度和消失 矩上，我们必须要折衷处理。小波的消失矩的定义为：若j tpW（t）dt = 0，其中W （t）为基本小波，0=p1_r1_ L_ _ LL_r -_ | |_71I-f /XViiX-SJ_11 1 f-11/J1J- fiIi厂V liii厂 J7-j -111-_1- -LI， 1 /*111/vyVV/VAVAAAzv111,. 1111-111见十1 1；.：例.* - 士 4： 1V% e-DecomposiUon at Ierel5：s = a5+d5+cw+d3+cl2+dl.然后，我们对分解高频系数的阈值量化，对第1层到第5层的每一层高频系数，选择一个阈值进行软阈值量化处理如图4所示。，图4对Raman光谱进行阈值量化最后，根据小波分解的第5层的低频系数和经过量化处理后的第1层到第5层的高频系数，进行一维Raman光谱的小波重构。如图5所示，重构后的信号中， 去掉了很多未知的掺杂成分，保留了物质的特征峰。图5对Raman光谱重构，对比原始信号和去噪信号