Kerr介質(zhì)中寬帶激光脈沖時(shí)空演化研究和測(cè)量.pdf

1、隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展需要，激光脈沖的脈寬已經(jīng)進(jìn)入到阿秒領(lǐng)域，從而使得激光的光譜寬度變得越來(lái)越寬。光束質(zhì)量(時(shí)空特性)是衡量激光系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由于寬帶激光脈沖具有“尖銳”的時(shí)間特性(飛秒甚至更短)、很小的光束直徑、很高的峰值功率等等特性，導(dǎo)致它在介質(zhì)中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，其中自聚焦(尤其是小尺度自聚焦)是最主要的非線性效應(yīng)，從而影響光束質(zhì)量，使得輸出的光束發(fā)生嚴(yán)重畸變。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精密測(cè)量寬帶激光脈沖非線性傳輸過(guò)程中

2、的時(shí)空演化特性，就是為了更好的控制輸出光束質(zhì)量。所以，研究和精密測(cè)量高功率寬頻帶激光脈沖在介質(zhì)中傳輸時(shí)的時(shí)空演化規(guī)律，無(wú)論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上都具有十分重要的意義。本文在理論和實(shí)驗(yàn)上研究了寬帶激光脈沖非線性傳輸過(guò)中的時(shí)空演化規(guī)律，獲得如下主要成果：
　　第一，基于廣義(3+1)維非線性薛定諤方程的解析解，理論研究了激光脈沖在非均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)的時(shí)空傳輸特性，得到了激光脈沖能夠在介質(zhì)中穩(wěn)定傳輸?shù)臈l件。這些結(jié)果對(duì)于激光脈沖非線性傳

3、輸?shù)臄U(kuò)展及控制具有一定的參考價(jià)值。
　　首先，綜合利用奇次平衡法原理和F-展寬技術(shù)解析求解了具有分布系數(shù)的廣義(3+1)維非線性薛定諤方程，并得到了一系列的時(shí)空孤子解和周期行波解。當(dāng)激光脈沖在非均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，由于不同階的強(qiáng)度矩可以描述激光脈沖的特性，于是利用強(qiáng)度矩方法研究了解析解在非線性介質(zhì)中的時(shí)空傳輸特性，并計(jì)算了解析解的束寬、脈寬、光強(qiáng)分布的對(duì)稱性和時(shí)空K參數(shù)。然后，根據(jù)二階強(qiáng)度矩詳細(xì)地分析了解析解在非線性傳輸過(guò)程中的時(shí)空

4、穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)衍射系數(shù)和色散系數(shù)為相同的分布系數(shù)時(shí)，無(wú)初始啁啾和帶有初始啁啾的時(shí)空孤子解的束寬和脈寬為恒定的常數(shù)，而無(wú)初始啁啾和帶有初始啁啾的周期行波解的束寬和脈寬為周期性變化，因此解析解在非線性傳輸過(guò)程中是穩(wěn)定的，很小的啁啾或者微擾基本上不影響解的時(shí)空傳輸特性。(2)當(dāng)衍射系數(shù)和色散系數(shù)為其他系數(shù)時(shí)，無(wú)初始啁啾的時(shí)空孤子解的束寬和脈寬為恒定的常數(shù)，但是帶有初始啁啾的時(shí)空孤子解以及無(wú)初始啁啾和帶有初始啁啾的周期行波解的束寬和

5、脈寬呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的變化，所以解析解在非線性介質(zhì)中傳輸是不穩(wěn)定的，解的時(shí)空傳輸特性很容易受到啁啾或者微擾影響。
　　第二，提出一種精密測(cè)量激光脈沖非線性傳輸過(guò)程中時(shí)域精細(xì)變化的方法，該方法具有操作簡(jiǎn)單、方便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。利用該測(cè)量方法在實(shí)驗(yàn)上得到了激光脈沖自聚焦過(guò)程中的時(shí)間變化規(guī)律。該方法對(duì)于測(cè)量中紅外激光脈沖非線性傳輸過(guò)程中的時(shí)間演化特性具有一定的參考價(jià)值。
　　在大型釹玻璃激光系統(tǒng)中，時(shí)域上帶有初始調(diào)制的激光脈沖通過(guò)非

6、線性傳輸和放大，調(diào)制將會(huì)在整個(gè)釹玻璃激光系統(tǒng)中得到累積和增強(qiáng)，因此測(cè)量激光脈沖的時(shí)域精細(xì)結(jié)構(gòu)是非常重要的。提出了一種基于同步飛秒激光脈沖測(cè)量皮秒激光脈沖在非線性傳輸過(guò)程中的時(shí)空演化方法，首先，從理論上分析了該方法可行性和正確性，理論結(jié)果表明該方法能夠精密測(cè)量時(shí)域比較復(fù)雜的皮秒脈沖精細(xì)結(jié)構(gòu)和時(shí)間脈寬，當(dāng)飛秒探測(cè)脈沖的脈寬越短，測(cè)量精度就越高，并且測(cè)量誤差值也就越小。然后，在實(shí)驗(yàn)上利用同步的Ti：sapphire激光器輸出脈寬大約100fs

7、的飛秒激光脈沖測(cè)量了Nd：YLF激光器輸出脈寬大約為75ps的皮秒激光脈沖的時(shí)域精細(xì)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明從Nd：YLF皮秒激光器輸出的皮秒脈沖時(shí)域比較勻滑干凈，測(cè)量的脈寬結(jié)果和自相關(guān)方法也基本一致。最后，利用該方法測(cè)量了皮秒激光脈沖經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度CS2非線性介質(zhì)后的時(shí)空演化。結(jié)果表明，當(dāng)CS2介質(zhì)長(zhǎng)度增大時(shí)，皮秒激光脈沖在空間上出現(xiàn)輕微的自聚焦效應(yīng)，時(shí)間脈寬有稍微變窄的趨勢(shì)。
　　第三，提出一種精密測(cè)量超短激光脈沖非線性傳輸過(guò)程中不同

8、空間位置的時(shí)間脈寬演化規(guī)律的方法。利用該測(cè)量方法在實(shí)驗(yàn)上揭示了小尺度自聚焦過(guò)程中局部空間強(qiáng)度變化對(duì)時(shí)間脈寬演化的影響，即時(shí)空耦合效應(yīng)。
　　小尺度自聚焦會(huì)引起激光光束的局部空間強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致光束分裂成為強(qiáng)度增長(zhǎng)區(qū)和強(qiáng)度非增長(zhǎng)區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)上研究了強(qiáng)度增長(zhǎng)區(qū)和強(qiáng)度非增長(zhǎng)區(qū)的時(shí)空演化規(guī)律。由于激光脈沖不同空間位置的初始光強(qiáng)分布是不均勻的，因此不同空間位置的初始時(shí)間脈寬就是不一樣的。提出了一種改進(jìn)的互相關(guān)方法，它能夠精密測(cè)量飛秒激

9、光脈沖不同空間位置的時(shí)間脈寬。然后利用該方法實(shí)驗(yàn)精密測(cè)量了小尺度自聚焦過(guò)程中，飛秒激光脈沖的強(qiáng)度增長(zhǎng)區(qū)和強(qiáng)度非增區(qū)域的時(shí)間脈寬演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著入射峰值功率的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)區(qū)域的空間峰值強(qiáng)度越來(lái)越大，因此該區(qū)域的小尺度自聚焦效應(yīng)變得越來(lái)越強(qiáng)，從而導(dǎo)致該區(qū)域的時(shí)間脈寬變得越來(lái)越窄，當(dāng)空間峰值強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，脈寬將會(huì)變得最窄。但是當(dāng)入射峰值功率的增加時(shí)，強(qiáng)度非增長(zhǎng)區(qū)的空間峰值強(qiáng)度基本保持不變，所以該區(qū)域的小尺度自聚焦效應(yīng)非常弱，從