耗散孤子光參量振蕩器及高強(qiáng)度中紅外光參量放大器理論研究與設(shè)計(jì).pdf

1、超短超強(qiáng)激光的出現(xiàn)誕生了飛秒化學(xué)、飛秒頻率梳、飛秒激光加工、超快光譜學(xué)、以及強(qiáng)場激光物理等新的學(xué)科方向，極大的推動了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展。目前，已有超短超強(qiáng)激光主要集中在0.8?1.5μm的近紅外波段，它們已經(jīng)為科學(xué)研究提供了前所未有的強(qiáng)大工具。為了進(jìn)一步拓展超短超強(qiáng)激光在光譜學(xué)、高能X射線及阿秒激光物理等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，發(fā)展中紅外超短超強(qiáng)激光已經(jīng)成為國際上激光技術(shù)領(lǐng)域的一個新的前沿研究方向。中紅外波段對應(yīng)大部分

2、氣體和有機(jī)分子的振轉(zhuǎn)動能譜，覆蓋了大氣的三個主要透明窗口，以及具有強(qiáng)場物理中的長波長先天優(yōu)勢，在光譜學(xué)、醫(yī)學(xué)、國防和強(qiáng)場物理方面具有巨大的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前中紅外超短超強(qiáng)激光技術(shù)還遠(yuǎn)落后于近紅外波段激光技術(shù)。亟需發(fā)展創(chuàng)新的中紅外激光技術(shù)以大幅提升現(xiàn)有中紅外激光的技術(shù)水平，從而打開新的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本文圍繞中紅外超短脈沖激光的非線性產(chǎn)生和放大技術(shù)，在新型物理機(jī)制、中紅外激光器新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面開展了系列研究工作，主要研究工作

3、及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）本文首次發(fā)現(xiàn)了超短脈沖光參量振蕩器中存在耗散孤子現(xiàn)象，并系統(tǒng)研究了光參量振蕩器中耗散孤子形成的機(jī)制以及參量條件。本文發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光參量振蕩器腔內(nèi)的增益、損耗、色散和非線性滿足一定條件時(shí)，腔內(nèi)信號光可以演化為巨線性啁啾的耗散孤子脈沖。這種耗散孤子的形成是增益和損耗平衡的結(jié)果。泵浦光向信號光的參量轉(zhuǎn)化為耗散孤子提供了增益。信號光的增益是時(shí)間相關(guān)的，在時(shí)域上和頻域上都有一定的窗口寬度。在腔內(nèi)存在較大三階非線性條件下

4、，信號光在積累非線性相移過程中光譜會不斷的得到展寬，當(dāng)展寬到超過增益的窗口寬度時(shí)，會受到一個非線性的損耗調(diào)制。當(dāng)腔內(nèi)信號脈沖的增益和由非線性、色散決定的非線性損耗達(dá)到平衡時(shí)，就會在腔內(nèi)形成巨線性啁啾的耗散孤子。因此，通過在中紅外光參量振蕩器中設(shè)計(jì)特定的增益、損耗、非線性和色散等參量條件，就可在腔內(nèi)產(chǎn)生巨線性啁啾的信號脈沖，本文把該類光參量振蕩器稱為耗散孤子光參量振蕩器。
　?。?）本文證實(shí)利用耗散孤子光參量振蕩器可以通過高功率長脈

5、沖泵浦實(shí)現(xiàn)超短中紅外飛秒脈沖產(chǎn)生，甚至實(shí)現(xiàn)周期量級的中紅外飛秒脈沖產(chǎn)生，從而為大幅度提升現(xiàn)有超短脈沖中紅外光參量振蕩器的峰值功率水平提供了新的技術(shù)途徑。在特定的參數(shù)條件下，耗散孤子光參量振蕩器可在腔內(nèi)產(chǎn)生巨線性啁啾的信號脈沖，通過腔外的去啁啾就可壓縮得到極短的中紅外飛秒脈沖產(chǎn)生。同時(shí)，通過耗散孤子光參量振蕩器產(chǎn)生的閑頻光脈沖也是線性啁啾的，同樣可以壓縮為飛秒脈沖。本文從管理光參量振蕩器的三波耦合波方程出發(fā)，數(shù)值上系統(tǒng)研究了耗散孤子光參量

6、振蕩器的參量條件、孤子特性以及壓縮特性，發(fā)現(xiàn)不管是正色散和負(fù)色散的光參量振蕩器中，都可產(chǎn)生耗散孤子，只要滿足特定的參量條件。同時(shí)，本文證實(shí)了不管利用材料的三階非線性還是參量晶體自身的級聯(lián)二階非線性都可提供耗散孤子光參量振蕩器要求的三階非線性相移，通過參量晶體自身的級聯(lián)二階非線性可顯著簡化耗散孤子光參量振蕩器的設(shè)計(jì)。
　　（3）本文首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了超短脈沖光參量振蕩器中耗散孤子產(chǎn)生及高倍率脈沖壓縮特性。利用自主研制的高功率皮秒泵浦源系

7、統(tǒng)，通過腔內(nèi)插入高非線性的ZnSe三階非線性材料，在泵浦脈寬為2.5 ps的情況下，腔內(nèi)產(chǎn)生了巨線性啁啾的中紅外耗散孤子，通過腔外壓縮獲得了～126 fs的中紅外飛秒脈沖。同時(shí)，本文也驗(yàn)證了通過參量晶體的級聯(lián)非線性來提供非線性相移的耗散孤子光參量振蕩器。利用信號光在PPLN晶體中的自身倍頻級聯(lián)非線性過程，在泵浦脈寬為2.5 ps的情況下，實(shí)現(xiàn)了中紅外耗散孤子的產(chǎn)生，通過腔外壓縮得到了208 fs的中紅外飛秒脈沖輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和本文的理論

8、模擬結(jié)果具有很好的吻合，證明了耗散孤子光參量振蕩器理論的可靠性。
　?。?）基于已有的實(shí)驗(yàn)條件，本文設(shè)計(jì)了100 TW級中紅外光參量放大器系統(tǒng)，理論上論證了在現(xiàn)有條件下建設(shè)100 TW級中紅外強(qiáng)激光系統(tǒng)的可行性。該100 TW中紅外系統(tǒng)采用全光參量放大設(shè)計(jì)，中紅外種子脈沖由飛秒光參量放大器（OPA）產(chǎn)生，中紅外放大器由兩級光參量啁啾脈沖放大器（OPCPA）構(gòu)成?；趦杉夆壦徜嚲w的OPCPA放大，預(yù)期在2.2μm波段可實(shí)現(xiàn)100