超短激光脈沖的倍頻和級聯(lián)三次諧波產生.pdf

1、非線性光學頻率變換是擴展激光激射波段的關鍵技術，一直受到學術界和產業(yè)界的廣泛關注。上個世紀60年代以來，人們在二次諧波產生、三次諧波產生等非線性頻率轉換領域，從理論上和實驗上都做了大量細致的工作。隨著超短脈沖激光器的發(fā)展，人們開始研究用非線性光學頻率轉換技術來擴展超短脈沖激光的波段。但是飛秒脈沖激光具有獨特的性質，它的頻率轉換與長脈沖激光和連續(xù)光有著很大的不同。一方面，它極高的峰值功率，必然引起很強的高階非線性效應，而這些效應對于長脈沖

2、激光和連續(xù)光的頻率轉換影響很小。另一方面，飛秒脈沖的脈寬窄，群速度失配成為影響它進行頻率轉換的重要因素；而且它的頻譜很寬，在頻率轉換中，不僅要考慮中心波長，還要考慮其它的波長成分。所以飛秒脈沖激光的頻率轉換過程十分復雜。
　　 本論文結合課題組承擔的國家自然科學基金和天津市自然科學基金，依托弱光非線性光子學教育部重點實驗室的條件，對飛秒激光的倍頻和級聯(lián)三次諧波的產生進行了理論和實驗研究。主要研究內容和創(chuàng)新點如下：
　　

3、1、研究了飛秒脈沖倍頻中走離效應、群速度色散、三階非線性效應的影響
　　 對超短脈沖倍頻的耦合方程組進行了簡化與推導，得到了非泵浦抽空條件下二次諧波光場的表達式；并結合數(shù)值模擬中基波脈沖和二次諧波脈沖的演變趨勢，清晰地描述了走離效應作用于飛秒脈沖倍頻的整個過程。在不同的走離長度Lw和非線性長度Lnl的比值下，分析了二次諧波的光譜、歸一化倍頻脈沖的峰值功率和泵浦功率的變化，發(fā)現(xiàn)了比值Lnl/Lw=0.75是重要的臨界點。當非線性長

4、度Lnl小于走離長度Lw的0.75時，走離效應對倍頻過程的影響很小，基本可以忽略。
　　 計算了群速度色散和三階非線性在飛秒脈沖倍頻中引入的相位失配量，并利用初始相位失配量對群速度色散和三階非線性進行了補償。數(shù)值模擬了群速度色散和三階非線性共同作用下，基波脈沖和二次諧波脈沖的時域形狀變化；并分析了群速度色散和三階非線性在倍頻過程中對二次諧波脈沖展寬的影響。
　　 2、研究了飛秒脈沖準相位匹配倍頻的波長調諧特性
　　

5、 分析了飛秒脈沖準相位匹配倍頻的波長調諧特性，對比研究了飛秒脈沖和皮秒脈沖在倍頻過程中波長調諧性質的區(qū)別。模擬得到40fs的基波脈沖的倍頻波長調諧曲線的半高全寬可以高達42nm，而40ps的基波脈沖對應的半高全寬僅有2.8nm，飛秒脈沖倍頻波長調諧曲線的寬度是對應的皮秒脈沖倍頻波長調諧曲線寬度的15倍。
　　 在飛秒激光寫制的周期極化鈮酸鋰波導中，對中心波長為1550nm、脈寬為40fs的基頻脈沖光源進行了倍頻實驗研究，得到的

6、歸一化轉換效率高達12.6％W-1cm-2，并且二次諧波在光波導中以良好的單模模式傳輸。
　　 3、超短脈沖級聯(lián)三次諧波產生的理論和實驗研究
　　 建立了超短脈沖級聯(lián)三次諧波產生的物理模型，分別分析了以連續(xù)光和飛秒脈沖作為基頻光源的情況下，相位失配量、耦合系數(shù)的比值、歸一化長度等參量對三次諧波轉換效率的影響。特別針對飛秒脈沖級聯(lián)三次諧波產生中的群速度失配問題進行了研究，分析了在不同走離長度下級聯(lián)過程的變化以及走離長度對二