光子晶体光纤飞秒激光泵浦的高功率宽调谐光学参量振荡器的研究

摘要

以光子晶体光纤放大系统输出的高平均功率、高重复频率的飞秒激光脉冲为光源,采用非线性光学参量转化技术,将波长拓展到紫外、可见光以及中红外波段,并搭建以非线性技术为基础的相位测量装置对飞秒脉冲位相和强度进行测量。本论文主要围绕二阶非线性过程,主要应用于两个方面:
　　1.以宽调谐波长范围,高功率,窄脉冲飞秒脉冲输出为目的,对基于掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体的光学参量振荡器进行了理论和实验的研究;
　　2.基于二阶非线性倍频效应的飞秒脉冲测量装置——极为简化的频率分辨开关法的理论和实验研究。
　　论文的主要工作概括如下:
　　一、基于三波耦合非线性方程组和光学参量振荡器腔内元件建模,对实验中的光学参量振荡器的动力学过程进行了模拟,得到光学参量振荡器从噪声起振到自洽的数值模型。
　　二、搭建了基于光纤激光放大系统泵浦的,以掺氧化镁的周期极化铌酸锂晶体为非线性晶体的光学参量振荡器。结合腔内和频和倍频技术,得到了高功率的从红光到中红外连续可调的飞秒激光光源。进一步,结合腔外倍频技术,得到了高功率的紫外可调谐飞秒光源。
　　三、对光学参量振荡器的脉冲自压缩机制在亚50飞秒的短脉冲域进行了理论分析和数值模拟,搭建了直接输出40.6fs,脉冲变换极限为30.6fs,平均功率为865mW的信号光脉冲的掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡器,这是光纤激光器泵浦或者基于掺氧化镁的周期极化铌酸锂晶体的光学参量振荡器输出的最短脉冲记录,也是光学参量振荡器输出的最高峰值功率记录。
　　四、设计并搭建了基于四棱镜系统泵浦的,不需要镀膜介质镜的飞秒OPO。基于这种新的腔型,消除了OPO对特定宽带镀膜双色镜的依赖,减小了OPO实验的复杂操作和成本,这种新型的腔型能在可见光到中红外的信号光和闲频光实现腔内振荡。实验利用同一套系统实现了以近红外信号光和中红外闲频光为振荡光的OPO。
　　五、设计并搭建了极简化的频率分辨开关法(GRENOUILLE)装置,用于测量超短脉冲的强度和相位。在频域内建立紧聚焦高斯脉冲倍频理论的基础上,对GRENOUILLE的动力学机制进行了详细的分析,建立了GRENOUILLE的数学模型,通过理论指导,得到了GRENOUILLE参数的优化设计。

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第1章 绪论

1. 1 飞秒激光概述

1. 2 非线性光学技术概述

1. 3 光学参量振荡器概述

1. 4 非线性技术在脉冲测量方面的运用

1. 5 课题意义主要研究内容及创新点

第2章 非线性频率变换理论

2. 1 非线性光学基础理论

2. 2 二阶非线性频率变换理论

2. 3 非线性张量理论

2. 4 二阶非线性过程的耦合波方程

2. 5 相位匹配理论

2. 6 光学参量振荡器

2. 7 本章小节

第3章 高功率紫外到中红外可调谐输出飞秒OPO

3. 1 高功率红光到中红外可调谐飞秒OP O

3.2 飞秒OPO的数值模型

3. 3 高功率红光至中红外可调谐O PO

3. 4 高功率非共线腔内和频紫外可调谐O PO

3. 5 本章小结

第4章 高功率宽带短脉冲飞秒OPO

4. 1 非线性过程中的脉冲压缩效应

4.2 亚50 fs脉冲自压缩过程的数值模拟

4. 3 实验装置

4. 4 实验结果和分析

4.5 OPO中脉冲压缩的极限

4. 6 本章小结

第5章 四棱镜泵浦的无介质镜OPO

5. 1 棱镜对的特性

5. 2 四棱镜无介质镜O PO实验

5. 3 四棱镜系统无介质镜O PO在中红外波长振荡的实验

5. 4 本章小结

第6章 极为简化频率分辨光学开关法的优化设计

6. 1 基本原理

6.2 GRENOUILLE的理论模型

6.3 GRENOUILLE迹的数学表达式

6. 4 调制函数的直接测量

6.5 调制函数的间接测量和GRENOUILLE迹的解调

6.6 GRENOUILLE的优化设计

6. 7 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢