Kerr介質(zhì)中寬帶激光脈沖時空演化研究和測量.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越寬。光束質(zhì)量(時空特性)是衡量激光系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。由于寬帶激光脈沖具有“尖銳”的時間特性(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)中傳輸時會產(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)時監(jiān)測和精密測量寬帶激光脈沖非線性傳輸過程中

2、的時空演化特性，就是為了更好的控制輸出光束質(zhì)量。所以，研究和精密測量高功率寬頻帶激光脈沖在介質(zhì)中傳輸時的時空演化規(guī)律，無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中的時空演化規(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)中傳輸時的時空傳輸特性，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，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)分布的對稱性和時空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程中的時空

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，無初始啁啾和帶有初始啁啾的時空孤子解的束寬和脈寬為恒定的常數(shù)，而無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，無初始啁啾的時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空孤子解以及無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，提出一種精密測量激光脈沖非線性傳輸過程中時域精細(xì)變化的方法，該方法具有操作簡單、方便、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。利用該測量方法在實(shí)驗(yàn)上得到了激光脈沖自聚焦過程中的時間變化規(guī)律。該方法對于測量中紅外激光脈沖非線性傳輸過程中的時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，時域上帶有初始調(diào)制的激光脈沖通過非

6、線性傳輸和放大，調(diào)制將會在整個釹玻璃激光系統(tǒng)中得到累積和增強(qiáng)，因此測量激光脈沖的時域精細(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量皮秒激光脈沖在非線性傳輸過程中的時空演化方法，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量時域比較復(fù)雜的皮秒脈沖精細(xì)結(jié)構(gòu)和時間脈寬，當(dāng)飛秒探測脈沖的脈寬越短，測量精度就越高，并且測量誤差值也就越小。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、的飛秒激光脈沖測量了Nd：YLF激光器輸出脈寬大約為75ps的皮秒激光脈沖的時域精細(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域比較勻滑干凈，測量的脈寬結(jié)果和自相關(guān)方法也基本一致。最后，利用該方法測量了皮秒激光脈沖經(jīng)過不同長度CS2非線性介質(zhì)后的時空演化。結(jié)果表明，當(dāng)CS2介質(zhì)長度增大時，皮秒激光脈沖在空間上出現(xiàn)輕微的自聚焦效應(yīng)，時間脈寬有稍微變窄的趨勢。
　　第三，提出一種精密測量超短激光脈沖非線性傳輸過程中不同

8、空間位置的時間脈寬演化規(guī)律的方法。利用該測量方法在實(shí)驗(yàn)上揭示了小尺度自聚焦過程中局部空間強(qiáng)度變化對時間脈寬演化的影響，即時空耦合效應(yīng)。
　　小尺度自聚焦會引起激光光束的局部空間強(qiáng)度迅速增長，從而導(dǎo)致光束分裂成為強(qiáng)度增長區(qū)和強(qiáng)度非增長區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)上研究了強(qiáng)度增長區(qū)和強(qiáng)度非增長區(qū)的時空演化規(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，它能夠精密測量飛秒激

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