混合注入式飛秒光學參量放大技術(shù)研究.pdf

1、本文總結(jié)了現(xiàn)階段我們在超快光學飛秒光學參量放大領(lǐng)域提出的一種新型OPA技術(shù)：混合注入式飛秒OPA技術(shù)。理論和實驗研究表明，混合注入方式在不影響轉(zhuǎn)換效率和裝置復雜性的前提下，可以有效的改善窄帶注入飛秒OPA的光譜純凈度；通過理論分析OPA中的相位轉(zhuǎn)移機制，提出運用混合注入方式控制OPA中的相位轉(zhuǎn)移，可以消除泵浦光不良相位的影響，重建信號光的相位，獲得時間和空間光束質(zhì)量優(yōu)良的信號光束，并在混合注入式飛秒OPA實驗中得到驗證；基于飛秒OPA搭

2、建了一個產(chǎn)生可調(diào)諧窄帶長脈沖的脈沖展寬器，它采用混合注入式飛秒OPA作為前端光源，使用啁啾匹配的混頻過程進行工作，從而將飛秒OPA和脈沖展寬器結(jié)合，提供了產(chǎn)生同步的可分別調(diào)諧的超快脈沖和數(shù)十以至數(shù)百皮秒長脈沖的方案，這一方案在同時需要高時間分辨率和光譜分辨率的場合具有應用價值。
　　 本文分以下部分進行論述：
　　 第一章，介紹超快光學發(fā)展的重要技術(shù)和超快激光頻率轉(zhuǎn)換的主要方式。
　　 自1960年激光發(fā)明以來，

3、超快光學發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)包括：可靠易用的鎖模超短脈沖激光振蕩器的出現(xiàn)，其代表是克爾透鏡鎖模的鈦寶石激光器；OPCPA技術(shù)，極大解決了超快激光放大所面臨的激光介質(zhì)非線性破壞的可能性；實用的超快激光診斷技術(shù)，主要是時間和頻率分辨的光學自相關(guān)技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上，新的非線性光學晶體的引入，使得依靠非線性光學手段特別是光參量放大技術(shù)實現(xiàn)頻率調(diào)諧得到長足發(fā)展。這些發(fā)展使得超快激光被應用到諸多領(lǐng)域。
　　 第二章，介紹了飛秒OPA的基本理論和

4、設(shè)計方法。
　　 介紹了OPA依賴的非線性參量過程三波相互作用的耦合波方程，討論了飛秒OPA中參量增益與相位匹配和群速度失配的關(guān)系。介紹了飛秒OPA裝置設(shè)計中的普遍特點，分析了飛秒OPA使用的幾種種子產(chǎn)生方式：參量超熒光、白光超連續(xù)、窄帶光源。
　　 第三章，介紹由我們提出并實驗的混合注入式飛秒OPA方案。
　　 混合注入是指在OPA系統(tǒng)的兩級放大中分別采用信號光和閑置光兩種波長作為注入源。該技術(shù)的直接意義在于，

5、運用到窄帶光種子源注入的中紅外飛秒OPA中，使輸出的信號光不混雜種子窄帶光成份。實現(xiàn)光譜純凈化的同時，混合注入的方式不影響OPA轉(zhuǎn)換效率，保持了裝置的緊湊性。在基于MgO：LiNbO3的混合注入式OPA實驗裝置中，獲得的1μm波段飛秒信號光脈寬小于150 fs，單脈沖能量達17μJ，輸出信號光調(diào)諧范圍從1.01μm到1.08μm。該技術(shù)已申請發(fā)明專利。
　　 第四章，成對OPA中的相位傳遞及控制。
　　 通過理論和實驗證

6、實，在成對OPA系統(tǒng)中，采用混合注入的方式，也即分別采用信號光和閑置光作為注入源，可以重建放大的信號光的時間和空間相位，從而消除了泵浦光相位畸變對信號光帶來的影響。這項技術(shù)運用在采用雙折射相位匹配結(jié)構(gòu)的OPA裝置中，很大程度上解除了對泵浦光的相位質(zhì)量的要求，所以這一技術(shù)可望應用到高能量OPCPA系統(tǒng)中。
　　 第五章，基于混合注入式飛秒OPA產(chǎn)生可調(diào)諧的窄帶激光。
　　 開發(fā)了一個脈沖展寬器，基于啁啾匹配的光學混頻技術(shù)，

7、以混合注入式飛秒OPA提供的優(yōu)質(zhì)飛秒脈沖光束作為前端光源，產(chǎn)生可調(diào)諧的窄帶數(shù)十皮秒長脈沖。該裝置輸出nJ級能量的脈沖，脈沖帶寬為～0.1 nm，脈沖寬度為～45 ps，可調(diào)諧范圍為1000 nm-1090 nm。從而飛秒OPA與脈沖展寬器相結(jié)合，提供了產(chǎn)生同步可調(diào)諧的飛秒超短脈沖和數(shù)十(可望達數(shù)百)皮秒長脈沖的方案，可在同一套系統(tǒng)中結(jié)合高的時域分辨率和光譜分辨率，可以運用到同時要求時域分辨率和光譜域分辨率的應用中。
　　 論文取

8、得的主要創(chuàng)新性成果包括：
　　 (1)提出并實現(xiàn)了混合注入式飛秒OPA，在降低泵浦閾值和提高穩(wěn)定性的同時，極大地改善了輸出信號光的光譜和脈沖質(zhì)量，并具有與傳統(tǒng)注入方式OPA相當?shù)霓D(zhuǎn)換效率和波長調(diào)諧能力。
　　 (2)在分析OPA過程中相位轉(zhuǎn)移機制的基礎(chǔ)上，提出了以混合注入方式消除泵浦光非理想相位(時間域和空間域)向信號光的傳遞，從而使OPA系統(tǒng)輸出的信號光質(zhì)量不受制于泵浦源的光束與脈沖質(zhì)量。
　　 (3)以混合注