亞飛秒脈沖產(chǎn)生及控制.pdf

1、目前，主要有三種途徑可以獲得亞飛秒脈沖。利用近紅外光譜區(qū)的超短飛秒激光脈沖，通過(guò)高次諧波方案，人們已經(jīng)可以在x射線波段產(chǎn)生亞飛秒脈沖，但能量轉(zhuǎn)換效率較低。與此相比，在可見(jiàn)和近紅外光譜區(qū)域，我們可以利用分子調(diào)制高階受激拉曼散射的方案產(chǎn)生亞飛秒脈沖序列，其能量轉(zhuǎn)換效率可以接近于100％。另外，我們還可以利用其他非線性過(guò)程產(chǎn)生極寬頻譜，通過(guò)頻譜合成的方案獲得亞飛秒脈沖輸出。 本論文工作致力于亞飛秒脈沖的產(chǎn)生及控制的研究，圍繞產(chǎn)生亞飛秒

2、脈沖的三個(gè)主要途徑，主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面： 首先，基于分子調(diào)制技術(shù)，我們對(duì)亞飛秒脈沖的產(chǎn)生和控制進(jìn)行了深入的研究。 針對(duì)分子調(diào)制過(guò)程中分子調(diào)制頻率對(duì)產(chǎn)生的亞飛秒脈沖序列脈沖間距的限制性，我們提出了一種可控間距亞飛秒脈沖序列的產(chǎn)生和優(yōu)化控制的方案。在不影響分子調(diào)制頻率的情況下，該方案能夠有效地控制亞飛秒脈沖序列的脈沖間距，在增大脈沖間距的同時(shí)能使更多的能量集中到更少的脈沖內(nèi)，可以顯著的提高亞飛秒脈沖的單脈

3、沖能量以及峰值功率。 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，為了進(jìn)一步得到大間距的亞飛秒脈沖序列，我們提出了基于多個(gè)相關(guān)聯(lián)的雙光子躍遷的亞飛秒脈沖序列的產(chǎn)生和優(yōu)化控制方案。利用多能級(jí)耦合的分子調(diào)制過(guò)程，該方案可以支持大間距的亞飛秒脈沖序列的產(chǎn)生，通過(guò)控制泵浦激光場(chǎng)之間的相對(duì)強(qiáng)度和延時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)亞飛秒脈沖序列的優(yōu)化控制，在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面具有簡(jiǎn)單、有效等特點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)的基于二能級(jí)系統(tǒng)的分子調(diào)制過(guò)程中，只有通過(guò)選擇合適的雙光子失諧量(小于零，即下失諧)，使

4、系統(tǒng)處于反相態(tài)的情況下，才可能結(jié)合介質(zhì)的正常色散特性在介質(zhì)輸出端自動(dòng)獲得亞飛秒脈沖。然而，基于調(diào)制相干的分子調(diào)制過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)不論雙光子失諧量的正負(fù)(上失諧或下失諧)，調(diào)制相干技術(shù)都能周期性的產(chǎn)生亞飛秒脈沖。利用調(diào)制相干分子調(diào)制過(guò)程中系統(tǒng)相干和驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)之間相位的周期性變化的特點(diǎn)，該方案還有望能克服實(shí)驗(yàn)上遇到的拉曼自散焦以及自聚焦效應(yīng)對(duì)分子調(diào)制過(guò)程的影響，推動(dòng)分子調(diào)制產(chǎn)生亞飛秒脈沖方案在實(shí)驗(yàn)研究方面的進(jìn)展。同時(shí)，我們還討論了調(diào)制相干技術(shù)在

5、調(diào)制轉(zhuǎn)移方面的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)、不同強(qiáng)度的激光場(chǎng)之間的調(diào)制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，克服傳統(tǒng)電光調(diào)制器件在損傷閾值、透光范圍等方面固有的限制，進(jìn)一步拓展了分子調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用前景。 在基于分子調(diào)制過(guò)程產(chǎn)生亞飛秒脈沖序列所需要的泵浦源方面在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了探索。針對(duì)分子調(diào)制過(guò)程所需的高能量、窄線寬的準(zhǔn)連續(xù)納秒激光脈沖，我們完成了其關(guān)鍵技術(shù)，即連續(xù)鎖腔部分的研究工作；同時(shí)，在二階非線性介質(zhì)中，我們首次實(shí)現(xiàn)了基于調(diào)制不穩(wěn)定性的多色圓錐

6、輻射的注入放大，并在二階非線性介質(zhì)中觀察到了二維多色陣列輻射，完成了其上轉(zhuǎn)換的相關(guān)研究。其產(chǎn)生的激光場(chǎng)具有寬頻譜、波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、單脈沖能量高、多波長(zhǎng)同時(shí)輸出、相干性好等特點(diǎn)，可以作為近共振受激拉曼散射和瞬動(dòng)分子調(diào)制產(chǎn)生高階拉曼邊帶以及亞飛秒脈沖的泵浦源。 其次，我們還開(kāi)展了有關(guān)頻譜合成產(chǎn)生亞飛秒脈沖的相關(guān)研究。利用Ti：Sapphire再生放大系統(tǒng)輸出的飛秒激光脈沖，基于非共線的級(jí)聯(lián)非線性混頻過(guò)程，我們首次在二階非線性介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)

7、了波長(zhǎng)范圍覆蓋了從紫外到近紅外的多波長(zhǎng)相干輻射的輸出。利用其覆蓋頻譜范圍寬以及相干性好等特點(diǎn)，我們對(duì)頻譜合成產(chǎn)生超短脈沖方案在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了初步的探索。 此外，我們圍繞當(dāng)前實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生亞飛秒脈沖的重要途徑，即高次諧波，開(kāi)展了一系列相關(guān)的研究。 隨著飛秒振蕩器和腔增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)可以在腔內(nèi)獲得足夠高的光強(qiáng)，基于振蕩器開(kāi)展原來(lái)只有利用包括放大級(jí)在內(nèi)的大功率激光系統(tǒng)才能完成的高次諧波的相關(guān)研究。為了解決腔內(nèi)高次諧波在輸出問(wèn)

8、題上遇到的困難，我們對(duì)非共線高次諧波產(chǎn)生方案進(jìn)行了探索。我們發(fā)現(xiàn)，在小角度的情況下，非共線高次諧波方案能有效地解決腔內(nèi)高次諧波產(chǎn)生的諧波輸出問(wèn)題，為基丁振蕩器的高重復(fù)頻率的腔內(nèi)高次諧波以及亞飛秒脈沖的產(chǎn)生開(kāi)辟了一條新途徑。 在高次諧波以及亞飛秒脈沖產(chǎn)生所需要的泵浦種子源方面，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上開(kāi)展了超短脈沖輸出的 Ti∶Sapphire飛秒振蕩器的相關(guān)研究。目前，已經(jīng)完成了10-fs量級(jí)超短脈沖輸出的飛秒振蕩器的研制工作。 為