紫外超快激光产生及其光丝效应研究

1、紫外超快激光产生及其光丝效应研究【摘要】 ：超快强激光技术的不断发展使其在高能物理、材料科学、非线性光学、惯性约束聚变等诸多方面显示出广阔的应用前景。目前,人们对超快激光的研究多集中在可见和红外波段,而在实际应用中 ,超短紫外光脉冲以其波长短、 光子能量高、 可聚焦能力强等优势有着非常重要的应用价值。因此,对超快紫外激光光源的研究现在已经成为国内外最受人瞩目的热点之一。当前,基于近红外飞秒激光驱动下获得超快紫外光脉冲的方法主要有两种:一种是在晶体中利用非线性光学频率转换技术实现 ,该技术在长脉冲领域已经非常成熟,而在超快领域,由于飞秒脉冲宽频谱的特征使其面临着相位失配、群速度失配等不可避免的问

2、题 ,高转换效率和宽频谱获取成为产生紫外激光超强和超快两项技术指标的突破点。 另一种途径是利用近红外超快强激光在气体介质等离子体通道中传输,通过非线性效应获得宽频谱的三次谐波,它足以支持周期量级紫外激光脉冲产生的频谱,但是通常转换效率仅为 10(-4)左右,使应用受到极大限制。本文以超快紫外激光光源的产生作为目标 ,对飞秒强激光领域中高效和宽频谱紫外脉冲的获取进行了研究。设计和采用倍频 -补偿-和频共线结构 ,解决了飞秒脉冲的相位失配、群速度失配等问题,得到了高效的倍频和毫焦量级的三倍频输出;并且对新波段激光 紫外脉冲激光在氩气中的光丝效应进行研究,获得了等离子通道可使紫外半高全宽谱宽展宽至入

3、射时2.2 倍的结果;然后又利用双色激光场下双等离子体通道之间强烈的耦合效应对光谱进一步展宽 ,获得了可支持亚20fs 转换极限频谱的结果。本人主要做了以下的实际工作:第一,超短脉冲在晶体中的传输规律研究。重点关注 bbo 晶体中产生谐波的级联非线性效应相位匹配条件。发现在一定的角度失配条件下,激励波与产生波之间的位相、群速度色散能满足一定程度的匹配和补偿。第二,设计和采用倍频 -补偿-和频共线结构实现了晶体中飞秒脉冲的高效谐波转换。(1)在采用二块倍频晶体光轴反平行方法的飞秒激光脉冲倍频研究中,除得到倍频波与基频波间空间走离补偿的结果外,同时发现两倍频晶体的分别正负角度失谐有利于耦合光波相位

4、匹配的现象,使倍频效率从单块晶体时的20.9%增加为 35.7%,增长了 1.7倍,当用光阑截取基波强区部分实验时,可以得到 42%的倍频效率。(2)设计和采用了倍频 -补偿-和频共线结构实现了高效飞秒脉冲三次谐波转换。由补偿晶体的角度失谐有效补偿了倍频波与基波的时间延迟,通过互相关测量验证 ,入射至和频晶体的光波时间延迟减小了约2/3;同时改变补偿晶体的主截面,实现三倍频过程的类匹配向类匹配的转换;实验中截取约 6mj 的基波光束进行研究 ,发现三次谐波能量可从0.2mj增加到 0.32mj,提高 1.6 倍;在将18mj的系统输出光全部入射到晶体中并进一步优化后,能够得到单脉冲能量为 1.

5、1mj、谱宽约 2nm 的 270nm 紫外激光。在本小组的后续工作中 ,已经利用双光子荧光的方法测量了该紫外激光光源的脉冲宽度约为 200fs。第三,紫外飞秒脉冲在氩气中等离子通道的非线性光谱展宽效应研究。将单脉冲能量为0.58mj谱宽 1.5nm 的紫外脉冲经聚焦后注入到氩气中 .研究了在不同气体压强、聚焦长度、气体种类等条件下的光丝产生行为及伴随的紫外脉冲光谱展宽。发现压强和聚焦长度的增加有利于等离子体通道长度的增加和光谱展宽。在2.2atm氩气气压、 1000mm 焦距情况时 ,可以获得 3.3nm 的频谱宽度 ,加宽为入射紫外脉冲的 2.2 倍。 第四,紫外近红外双色激光场激发下等离

6、子通道耦合的紫外激光频谱展宽研究。 将紫外激光与近红外激光共线聚焦注入 2.0atm氩气样品池中 ,在满足时空重合条件时 ,半高全宽的紫外频谱宽度可从无相互作用时的2.6nm展宽至 6.4nm,增加 2.5倍,为进一步获取该波段小于20fs 超快脉冲提供一个重要的途径。 【关键词】：超短脉冲非线性光学三次谐波等离子体通道双色场【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009 【分类号】：tn241 【目录】 ：论文摘要 6-8abstract8-14 第一章绪论 14-20 第一节超快强激光技术的发展历史14-15第二节飞秒紫外激光光源的发展状况15-16 第三节本论

7、文的研究意义和主要安排16-18 参考文献 18-20 第二章 bbo 晶体中级联非线性效应的实验研究20-30 第一节级联二阶非线性的物理机制20-21 第二节 bbo 晶体中级联二阶非线性效应实验研究 21-28 第三节小结 28 参考文献 28-30 第三章非线性光学混频的理论分析 30-39 第一节非线性谐波转换的耦合波方程30-33 第二节相位匹配原理和类型33-34 第三节群速度匹配原理34-35 第四节非线性晶体 bbo35-37 第五节小结 37 参考文献 37-39 第四章倍频 -补偿-和频共线方法实现飞秒脉冲高效的倍频和三次谐波转换39-61第一节实验方案的确定 40-42

8、 第二节共线三次谐波获得的传统方法42-43 第三节影响频率转换效率的主要因素43-46 第四节倍频 -补偿-和频方案的优越性46-52 第五节高效倍频实验52-54 第六节高效三倍频实验54-58第七节小结 58-59参考文献 59-61第五章频谱展宽 61-66第一节频谱展宽的意义及常用方法61 第二节光丝中频谱展宽现状61-62 第三节光丝中频谱展宽的机制62-64 第四节小结 64 参考文献 64-66 第六章飞秒超强紫外激光成丝过程中的频谱展宽研究66-83第一节超短激光脉冲在气体中的传输机制及物理模型66-70第二节超短紫外激光成丝的发展状况 70-71第三节单束紫外激光成丝中频谱展宽的实