中紅外飛秒光參量放大過程中閑頻光相移研究.pdf

1、本文總結(jié)了現(xiàn)階段飛秒中紅外光參量放大過程中,新產(chǎn)生的中紅外飛秒脈沖頻域相位及載波-包絡(luò)相位的研究成果。光參量產(chǎn)生及光參量放大屬于二階非線性光學(xué)范疇,可以在非中心對(duì)稱的二階非線性晶體中產(chǎn)生,它可以拓展飛秒脈沖的波長(zhǎng)覆蓋范圍。通常,將兩束高頻光(稱為泵浦光及信號(hào)光)注入到二階非線性晶體,選擇恰當(dāng)?shù)南辔黄ヅ浣且詽M足動(dòng)量守恒條件,首先會(huì)發(fā)生差頻過程產(chǎn)生中紅外閑頻光,然后通過參量放大的方式對(duì)信號(hào)光及閑頻光進(jìn)行放大。目前,工作在中紅外波段的寬帶激光

2、增益介質(zhì)數(shù)量有限,并且調(diào)諧能力受限于增益帶寬,因此光參量放大是產(chǎn)生寬帶可調(diào)諧中紅外飛秒脈沖的主要手段。鑒于中紅外飛秒脈沖在光譜學(xué)方面的重要應(yīng)用,以及在產(chǎn)生孤立阿秒脈沖方面的潛在應(yīng)用,通過光參量放大產(chǎn)生中紅外飛秒脈沖引起了人們的廣泛關(guān)注。研究方向主要集中于產(chǎn)生脈寬更短、能量更高的中紅外飛秒脈沖。
　　通過光參量放大產(chǎn)生可調(diào)諧中紅外飛秒脈沖的問題在于:中紅外波段的二階非線性晶體通常具有較大的反常色散值,因此通過光參量放大過程產(chǎn)生的中紅

3、外飛秒脈沖通常具有負(fù)啁啾,脈寬偏離傅氏變換極限。為了獲得最短脈寬以提高泵浦-探測(cè)等實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間分辨率,需要對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償以獲得最短的飛秒脈沖。鑒于中紅外波段反常材料色散及脈沖負(fù)啁啾的性質(zhì),目前主要采用兩種方式對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償:(1)讓脈沖通過在中紅外波段具有正常色散的介質(zhì),例如硅、鍺等;(2)利用提供正常色散的光柵展寬器對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償。然而,要想進(jìn)行色散補(bǔ)償,前提是確切知道脈沖的頻域相位,特別是二次相位。該值決定了補(bǔ)償用色散量的大小(在實(shí)

4、際中體現(xiàn)為正常色散介質(zhì)的長(zhǎng)度或者光柵間距)。目前,人們對(duì)該頻域相位的研究較為匱乏,并不清楚它受何種因素影響、影響程度多大等問題。由于該相移對(duì)于后續(xù)的脈沖壓縮過程起決定影響,因此有必要進(jìn)行深入的理論研究及分析,以期為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。
　　光參量放大過程的另一優(yōu)點(diǎn)在于可以產(chǎn)生載波-包絡(luò)相位穩(wěn)定的中紅外飛秒脈沖序列。眾所周知,光脈沖由脈沖包絡(luò)以及光載波描述。當(dāng)(包絡(luò))脈寬很短以至于僅包含幾個(gè)光載波周期時(shí),對(duì)應(yīng)的光脈沖稱為周期量級(jí)脈沖。

5、此時(shí),對(duì)脈沖的完備描述需要第三個(gè)物理量,即包絡(luò)最大值與載波最大值之間的相對(duì)相差,稱之為載波-包絡(luò)相位(CEP)。如果該值為0,對(duì)應(yīng)余弦脈沖,該值為π/2對(duì)應(yīng)止弦脈沖。周期量級(jí)脈沖的一個(gè)重要應(yīng)用在于阿秒脈沖產(chǎn)生。理論及實(shí)驗(yàn)表明:余弦周期量級(jí)脈沖可以導(dǎo)致單個(gè)孤立阿秒脈沖產(chǎn)生,而正弦脈沖將導(dǎo)致多阿秒脈沌產(chǎn)生。后者對(duì)于研究阿秒時(shí)間尺度的超快過程(例如電子的遲豫過程)不利,因?yàn)樗鼘?dǎo)致時(shí)間分辨率下降。因此人們的研究主要集中于產(chǎn)生波形可重復(fù)、不存在脈

6、沖間載波-包絡(luò)相位起伏的周期量級(jí)脈沖序列。光參量放大過程中,泵浦光脈沖序列存在脈沖間的載波-包絡(luò)相位起伏的條件下,如果采用泵浦光在三階非線性介質(zhì)中通過空時(shí)自聚焦、自相位調(diào)制、四波混頻以及更高階非線性效應(yīng)產(chǎn)生超連續(xù)白光作為信號(hào)光脈沖序列,則信號(hào)光脈沖序列的載波-包絡(luò)相位起伏與泵浦光完全一致。通過差頻及參量放大過程產(chǎn)生的飛秒中紅外脈沖正比于泵浦光與信號(hào)光共軛的乘積,因此相位相減導(dǎo)致產(chǎn)生的中紅外脈沖不存在載波-包絡(luò)相位起伏。這是一種被動(dòng)的載波

7、-包絡(luò)相位穩(wěn)定方式,僅通過單塊二階非線性晶體就可以實(shí)現(xiàn),因此成為人們研究的熱點(diǎn)。然而,該方法的問題在于:閑頻光的載波-包絡(luò)相位與增益有關(guān)。已有研究表明泵浦光10％的能量起伏將導(dǎo)致閑頻光載波-包絡(luò)相位的起伏可以達(dá)到0.6rad。目前商品化的激光器輸出脈沖能量穩(wěn)定性小于1％。因此由激光器能量起伏造成的載波-包絡(luò)相位起伏可以忽略。然而,以上分析基于平面波假定,即假設(shè)泵浦光、信號(hào)光及閑頻光均為平面波。而在實(shí)際工作中,泵浦光和信號(hào)光通常為聚焦高斯

8、光束,因此傳輸軸上點(diǎn)與軸外點(diǎn)的光強(qiáng)差別可以輕易達(dá)到50％。這種橫向增益差別必將導(dǎo)致閑頻光的載波-包絡(luò)相位存在橫向分布。目前對(duì)此問題還沒有研究報(bào)道。
　　本文分以下部分進(jìn)行論述:
　　第一章,綜述飛秒光學(xué)的發(fā)展,超短脈沖的線性傳輸性質(zhì),并介紹周期量級(jí)脈沖及載波-包絡(luò)相位。自1960年激光發(fā)明以來,超快光學(xué)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)包括:(1)以Ti:sapphire為代表的高性能寬帶固體激光工作介質(zhì)的應(yīng)用,以及克爾透鏡鎖模作為快速可飽和

9、吸收體的應(yīng)用,最終促成目前應(yīng)用最廣的商品化Ti:sapphire振蕩器的出現(xiàn);(2)最初應(yīng)用于微波放大的啁啾脈沖放大技術(shù)的引入,其中包括能夠提供正常色散的Martinez型光柵對(duì)的引入,顯著提升了超短脈沖的能量并且避免了材料及光學(xué)元件的損傷問題;(3)非線性光學(xué)、特別是頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)(例如倍頻,和頻,差頻產(chǎn)生及光參量放大等)在超快光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,拓展了能夠獲得的超短脈沖激光波長(zhǎng)范圍,并能提供顯著的波長(zhǎng)調(diào)諧能力,代表之一是超連續(xù)白光作為種子

10、光的光參量放大器。此外,光參量放大與啁啾脈沖相結(jié)合的產(chǎn)物——光參量啁啾脈沖放大是超短脈沖產(chǎn)生/放大技術(shù)發(fā)展中十分重要的進(jìn)步,它能提供高能超短脈沖并且不受常規(guī)激光器/放大器量子缺陷導(dǎo)致的熱效應(yīng)的影響。(4)載波-包絡(luò)相位穩(wěn)定的周期量級(jí)脈沖與惰性氣體相互作用能夠獲得阿秒脈沖,從而開拓了阿秒科學(xué)這一新興研究領(lǐng)域。
　　第二章,介紹二階非線性光學(xué),特別是超短脈沖二階非線性光學(xué)。由于材料色散的作用,介質(zhì)中互作用的超短脈中之間存在群速度失配。

11、隨著傳輸距離的增大,脈沖之間在時(shí)間上發(fā)生相互走離,這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降。此外,在群速度色散的作用下,單個(gè)脈沖也會(huì)發(fā)生脈沖展寬,因此峰值光強(qiáng)下降并且導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降,并且脈沖發(fā)生啁啾,偏離傅氏變換極限。這是與單色波非線性相互作用的主要差別所在。
　　第三章,介紹飛秒?yún)⒘肯罗D(zhuǎn)換過程中材料色散導(dǎo)致的頻域相移研究。在理論上研究了色散介質(zhì)中,中紅外飛秒光參量下轉(zhuǎn)換過程中的頻域相移-主要研究材料群速度色散(GVD)對(duì)頻域相移的影響,目的對(duì)中紅

12、外飛秒脈沖的壓縮給出理論指導(dǎo)。研究結(jié)果表明:通過參量下轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的中紅外飛秒脈沖的頻域相移與線性傳輸?shù)玫降慕Y(jié)果有顯著差別。主要研究?jī)煞N產(chǎn)生中紅外飛秒脈沖的方式:光參量放大以及差頻過程。頻域相移由初始注入條件、以及高頻場(chǎng)累積的相移決定。研究結(jié)果表明:差頻過程中,泵浦光消耗對(duì)中紅外飛秒脈沖頻域相移幾乎沒有影響,而在光參量放大過程中,線性GVD以及高的參量增益使中紅外飛秒脈沖的頻域相移顯著區(qū)別于線形傳輸結(jié)果:增益越大,頻域相移越小。定量來講:在

13、差頻過程中,中紅外飛秒脈沖的頻域相移接近線性傳輸值的一半,而在光參量放大過程中,相移更小。為了獲得最短的中紅外飛秒脈沖,研究結(jié)果決定了色散補(bǔ)償所需要的色散量。
　　第四章,介紹了差頻及參量放大過程中,考慮泵浦光和信號(hào)光為實(shí)際應(yīng)用中高斯光束的條件下,閑頻光橫向載波-包絡(luò)相位的非均勻分布。在實(shí)際的載波-包絡(luò)相位穩(wěn)定的差頻裝置中,泵浦光和閑頻光通常是光強(qiáng)分布不均勻的高斯光束。由于載波-包絡(luò)相位依賴于增益,因此非均勻的光強(qiáng)分布導(dǎo)致了閑頻光