混合注入式飛秒光學(xué)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(xué)飛秒光學(xué)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(shí)驗(yàn)研究表明，混合注入方式在不影響轉(zhuǎn)換效率和裝置復(fù)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(jī)制，提出運(yùn)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(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)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(jìn)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(yīng)用價值。
　　 本文分以下部分進(jìn)行論述：
　　 第一章，介紹超快光學(xué)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(xué)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(shí)用的超快激光診斷技術(shù)，主要是時間和頻率分辨的光學(xué)自相關(guān)技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上，新的非線性光學(xué)晶體的引入，使得依靠非線性光學(xué)手段特別是光參量放大技術(shù)實(shí)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(yīng)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(jì)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(jì)中的普遍特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)驗(yàn)證

6、實(shí)，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(xiàng)技術(shù)運(yùn)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(yīng)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(xué)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(dá)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(yùn)用到同時要求時域分辨率和光譜域分辨率的應(yīng)用中。
　　 論文取

8、得的主要創(chuàng)新性成果包括：
　　 (1)提出并實(shí)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(dāng)?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(jī)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