紫外超快激光產(chǎn)生及其光絲效應(yīng)研究.pdf

1、超快強(qiáng)激光技術(shù)的不斷發(fā)展使其在高能物理、材料科學(xué)、非線性光學(xué)、慣性約束聚變等諸多方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。目前,人們對超快激光的研究多集中在可見和紅外波段,而在實(shí)際應(yīng)用中,超短紫外光脈沖以其波長短、光子能量高、可聚焦能力強(qiáng)等優(yōu)勢有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。因此,對超快紫外激光光源的研究現(xiàn)在已經(jīng)成為國內(nèi)外最受人矚目的熱點(diǎn)之一。當(dāng)前,基于近紅外飛秒激光驅(qū)動(dòng)下獲得超快紫外光脈沖的方法主要有兩種:一種是在晶體中利用非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn),該技術(shù)

2、在長脈沖領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟,而在超快領(lǐng)域,由于飛秒脈沖寬頻譜的特征使其面臨著相位失配、群速度失配等不可避免的問題,高轉(zhuǎn)換效率和寬頻譜獲取成為產(chǎn)生紫外激光超強(qiáng)和超快兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的突破點(diǎn)。另一種途徑是利用近紅外超快強(qiáng)激光在氣體介質(zhì)等離子體通道中傳輸,通過非線性效應(yīng)獲得寬頻譜的三次諧波,它足以支持周期量級紫外激光脈沖產(chǎn)生的頻譜,但是通常轉(zhuǎn)換效率僅為10-4左右,使應(yīng)用受到極大限制。本文以超快紫外激光光源的產(chǎn)生作為目標(biāo),對飛秒強(qiáng)激光領(lǐng)域中高效和寬

3、頻譜紫外脈沖的獲取進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)和采用倍頻-補(bǔ)償-和頻共線結(jié)構(gòu),解決了飛秒脈沖的相位失配、群速度失配等問題,得到了高效的倍頻和毫焦量級的三倍頻輸出;并且對新波段激光—紫外脈沖激光在氬氣中的光絲效應(yīng)進(jìn)行研究,獲得了等離子通道可使紫外半高全寬譜寬展寬至入射時(shí)2.2倍的結(jié)果;然后又利用雙色激光場下雙等離子體通道之間強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)對光譜進(jìn)一步展寬,獲得了可支持亞20fs轉(zhuǎn)換極限頻譜的結(jié)果。
　　本人主要做了以下的實(shí)際工作:第一,超短脈沖

4、在晶體中的傳輸規(guī)律研究。重點(diǎn)關(guān)注BBO晶體中產(chǎn)生諧波的級聯(lián)非線性效應(yīng)相位匹配條件。發(fā)現(xiàn)在一定的角度失配條件下,激勵(lì)波與產(chǎn)生波之間的位相、群速度色散能滿足一定程度的匹配和補(bǔ)償。第二,設(shè)計(jì)和采用倍頻-補(bǔ)償-和頻共線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了晶體中飛秒脈沖的高效諧波轉(zhuǎn)換。
　?。?）在采用二塊倍頻晶體光軸反平行方法的飛秒激光脈沖倍頻研究中,除得到倍頻波與基頻波間空間走離補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果外,同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩倍頻晶體的分別正負(fù)角度失諧有利于耦合光波相位匹配的現(xiàn)象,使倍

5、頻效率從單塊晶體時(shí)的20.9％增加為35.7%,增長了1.7倍,當(dāng)用光闌截取基波強(qiáng)區(qū)部分實(shí)驗(yàn)時(shí),可以得到42%的倍頻效率。
　?。?）設(shè)計(jì)和采用了倍頻-補(bǔ)償-和頻共線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效飛秒脈沖三次諧波轉(zhuǎn)換。由補(bǔ)償晶體的角度失諧有效補(bǔ)償了倍頻波與基波的時(shí)間延遲,通過互相關(guān)測量驗(yàn)證,入射至和頻晶體的光波時(shí)間延遲減小了約2/3;同時(shí)改變補(bǔ)償晶體的主截面,實(shí)現(xiàn)三倍頻過程的Ⅱ類匹配向Ⅰ類匹配的轉(zhuǎn)換;實(shí)驗(yàn)中截取約6mJ的基波光束進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)三次

6、諧波能量可從0.2mJ增加到0.32mJ,提高1.6倍;在將18mJ的系統(tǒng)輸出光全部入射到晶體中并進(jìn)一步優(yōu)化后,能夠得到單脈沖能量為1.1mJ、譜寬約2nm的270nm紫外激光。在本小組的后續(xù)工作中,已經(jīng)利用雙光子熒光的方法測量了該紫外激光光源的脈沖寬度約為200fs。
　　第三,紫外飛秒脈沖在氬氣中等離子通道的非線性光譜展寬效應(yīng)研究。將單脈沖能量為0.58 mJ譜寬1.5nm的紫外脈沖經(jīng)聚焦后注入到氬氣中.研究了在不同氣體壓強(qiáng)、

7、聚焦長度、氣體種類等條件下的光絲產(chǎn)生行為及伴隨的紫外脈沖光譜展寬。發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)和聚焦長度的增加有利于等離子體通道長度的增加和光譜展寬。在2.2 atm氬氣氣壓、1000mm焦距情況時(shí),可以獲得3.3 nm的頻譜寬度,加寬為入射紫外脈沖的2.2倍。
　　第四,紫外近紅外雙色激光場激發(fā)下等離子通道耦合的紫外激光頻譜展寬研究。將紫外激光與近紅外激光共線聚焦注入2.0 atm氬氣樣品池中,在滿足時(shí)空重合條件時(shí),半高全寬的紫外頻譜寬度可從無相互