中紅外飛秒光參量放大技術(shù)研究.pdf

1、高峰功率、短脈沖的中紅外光源(3-10 μm)是科學(xué)研究領(lǐng)域的重要工具和手段，它可以研究從半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)眾多物質(zhì)的時間分辨光譜；由于量子級聯(lián)激光器和量子噴泉激光器的最新發(fā)展，摻雜的量子阱中的帶間躍遷已經(jīng)成為熱門的科學(xué)研究課題。在氣相和軟凝聚態(tài)物質(zhì)中，分子的振動躍遷對應(yīng)著中紅外波段，因而中紅外光源可以對這些躍遷進(jìn)行選擇性激發(fā)和檢測，從而可以正確地認(rèn)識其復(fù)雜的動力學(xué)問題，包括化學(xué)反應(yīng)的催化過程和生命的酵素起源等。它也是環(huán)境檢測和

2、遙感的重要光源。中紅外激光與寬波段光探測器的相互作用效應(yīng)，則是國防軍工的重要研究課題。 由于缺乏合適的增益介質(zhì)以及光學(xué)診斷本身的困難性，目前中紅外光源，特別是高峰值功率中紅外激光技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于可見光或近紅外波段。如何提升中紅外波段激光技術(shù)的水準(zhǔn)，發(fā)展有效的創(chuàng)新技術(shù)，將成為今后若干年國際上激光技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。 本學(xué)位論文著重研究中紅外飛秒光參量放大的理論與技術(shù)，著眼于發(fā)掘飛秒光參量放大(OPA)的性能優(yōu)勢，研究在

3、中紅外波段實現(xiàn)高增益、寬調(diào)諧范圍的創(chuàng)新技術(shù)，設(shè)計并成功研制出實用化樣機(jī)，獲得2.0～4.5μm高峰功率激光輸出。論文的主要工作和成績?nèi)缦拢?1．對飛秒0PA進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究和分析。 基于慢變振幅近似條件的非線性耦合波方程組，建立了數(shù)值模擬的計算程序編碼。對光波非線性耦合過程起關(guān)鍵作用的相位匹配、群速度失配、群速度色散以及非共線相位匹配等問題作了較系統(tǒng)的分析和數(shù)值模擬。同時，還討論了利用OPA、倍頻(SHG)等非線性過

4、程發(fā)展常規(guī)波段(1μm)飛秒激光技術(shù)的應(yīng)用研究。 2．提出并實現(xiàn)了一種創(chuàng)新型的寬范圍調(diào)諧技術(shù)。 利用鈮酸鋰晶體特殊的OPA相匹配特性，采用共線和小角度非共線相位匹配相結(jié)合的聯(lián)合調(diào)諧方式，設(shè)計出一種有特色的中紅外飛秒OPA系統(tǒng)。在單種晶體、單套器件上，對閑頻光實現(xiàn)了2.0-4.5μm左右大范圍調(diào)諧，超過了目前國外文獻(xiàn)報道的數(shù)據(jù)。 3．研制成功鈮酸鋰晶體寬調(diào)諧中紅外飛秒0PA實用化樣機(jī)。 該系統(tǒng)采用商品化的飛

5、秒鈦寶石激光器作為泵浦光源，超連續(xù)白光中的近紅外光譜成份(0.9-1.3μm)作為注入信號光，通過兩級OPA放大系統(tǒng)，實現(xiàn)寬光譜范圍調(diào)諧和放大。輸出脈沖寬度約100 fs(帶寬在百納米量級)，閑頻光脈沖最大能量(對應(yīng)波長約3.5 μm)超過30μJ，能量不穩(wěn)定性僅約±5％，信號光與閑頻光的總轉(zhuǎn)換效率超過15％。實用化樣機(jī)實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定、緊湊的器件目標(biāo)，具有對環(huán)境和泵浦激光相對不敏感的突出優(yōu)點，開機(jī)即能正常工作，已成功應(yīng)用于中科院上海技

6、物所、上海光機(jī)所和國防科技大學(xué)等單位的軍工課題研究工作。 4．為進(jìn)一步提高中紅外飛秒激光脈沖能量，提出和研究了一種新的飛秒光參量放大器。 它采用較高能量的皮秒脈沖(10～100 ps)泵浦，利用GVM效應(yīng)的有利作用，高效地對飛秒脈沖進(jìn)行直接放大。泵浦脈沖脈寬盡管遠(yuǎn)大于信號光，但是其群速度慢于飛秒光(GVM)，其傳輸時間差被設(shè)計正好等于泵浦脈寬，因此在OPA晶體內(nèi)，所有時間次序上的泵浦脈沖均對飛秒脈沖放大有貢獻(xiàn)。該方案綜合

7、了啁啾脈沖OPA放大(OPCPA)和傳統(tǒng)飛秒OPA放大的優(yōu)點，可期待獲得與OPCPA方式相仿的高能量，而又具有傳統(tǒng)OPA方式卡H似的結(jié)構(gòu)簡單和高信噪比性能。據(jù)此，具體研究了一種放大器，它可采用1.5 gm波長附近的Cr：YAG鎖模皮秒激光脈沖作為泵浦，應(yīng)用較大口徑的PPLN非線性晶體，對3 μm波長附近的中紅外飛秒激光進(jìn)行直接放大。模擬計算的結(jié)果表明，可獲得轉(zhuǎn)換效率約30％，單級放大倍率～10<'4>，信噪比大于10<'6>的飛秒輸出脈