高峰值功率可調(diào)諧中紅外激光的產(chǎn)生研究.pdf

1、中紅外波段是非常重要的電磁輻射波段，在很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。典型的中紅外波段為3μm到5μm，這個(gè)頻率范圍對(duì)應(yīng)著多數(shù)重要分子的振轉(zhuǎn)能級(jí)。另外，由于地球大氣層的兩個(gè)透過(guò)率“窗口”為3μm-5μm和8μm-13μm，中紅外激光在大氣層中有更高的透過(guò)率。因此，高功率中紅外激光在光譜學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、生物分子學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)物理、遠(yuǎn)程遙感、通訊和國(guó)家防御等領(lǐng)域都有重大的應(yīng)用潛力。
　　近二十年來(lái)，可見(jiàn)光和近紅外波段的超短強(qiáng)脈沖技術(shù)已經(jīng)

2、發(fā)展得相當(dāng)成熟，出現(xiàn)了一些商品化的高功率超快激光器，比如常見(jiàn)的鈦寶石再生放大器系統(tǒng)。相對(duì)而言，由于中紅外能級(jí)型增益介質(zhì)的嚴(yán)重匱乏，目前尚不具備搭建中紅外波段的啁啾脈沖放大器(CPA)系統(tǒng)的條件。因此，高峰值功率的中紅外波段激光技術(shù)遠(yuǎn)落后于可見(jiàn)光和近紅外波段。近十幾年來(lái)蓬勃發(fā)展光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)也可以對(duì)超短脈沖進(jìn)行放大。與CPA技術(shù)相比，OPCPA技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，比如可以提供更高的增益、更大的增益帶寬和更高的信噪比。而

3、且，OPCPA放大的信號(hào)光的中心波長(zhǎng)更加靈活。因此，將OPCPA技術(shù)拓展到中紅外波段是發(fā)展高峰值功率中紅外激光的一個(gè)可行的方案。但是，目前中紅外波段OPCPA的發(fā)展仍然存在很多困難，比如中紅外光柵衍射效率低、大口徑非線性晶體的匱乏、性能良好的可調(diào)諧種子源產(chǎn)生困難等等。
　　本論文針對(duì)中紅外高功率激光的發(fā)展需求，以中紅外OPCPA為技術(shù)基礎(chǔ)，探討了高功率可調(diào)諧中紅外飛秒脈沖激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了“中紅外飛秒OPA注入結(jié)合中紅外非共線

4、OPCPA放大”的新方案。建立了高功率可調(diào)諧中紅外超快激光的技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，產(chǎn)生了120 GW的高峰值功率中紅外飛秒脈沖，高于至今為止國(guó)內(nèi)外報(bào)道的功率指標(biāo)，同時(shí)在高功率狀態(tài)下(＞10GW)，首次實(shí)現(xiàn)了中紅外飛秒激光的波長(zhǎng)可調(diào)諧（3.3μm-3.95μm）。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下;
　　一、提出了一種新型的基于寬帶、窄帶激光相互作用的寬帶頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，可用于產(chǎn)生寬帶中紅外波段種子激光或者寬帶藍(lán)光、紫外波段激光。
　　相對(duì)于傳

5、統(tǒng)的寬帶飛秒激光脈沖之間的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程，在相互作用的三波之中引入一束窄帶脈沖激光，可以減小脈沖之間群速度走離(GVM)的影響，獲得更大的位相匹配帶寬，因此可以得到更高的轉(zhuǎn)化效率。為了驗(yàn)證這種全新的寬帶頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，我們進(jìn)行了基于和頻過(guò)程(SFG)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了相對(duì)于傳統(tǒng)的寬帶脈沖作用方式，這種基于寬帶、窄帶脈沖相互作用的頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)確實(shí)具有顯著的寬帶位相匹配優(yōu)勢(shì)。
　　二、為產(chǎn)生高峰值功率(＞100 GW)可調(diào)諧中紅外脈沖激

6、光，提出了“中紅外飛秒OPA注入結(jié)合中紅外非共線OPCPA放大”的新方案。
　　系統(tǒng)前級(jí)使用中紅外可調(diào)諧飛秒OPA作為性能良好的種子源;放大級(jí)采用基于LiNbO3的非共線OPCPA，既保證了足夠的位相匹配帶寬，又保證了最終輸出波長(zhǎng)的可調(diào)諧;并且為完全抵消高階色散，采用同波長(zhǎng)的光柵展寬器/壓縮器。按照總體實(shí)驗(yàn)方案，完成了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，包括中紅外飛秒OPA、光柵展寬器、OPCPA放大級(jí)、光柵壓縮器等單元。特別地，通過(guò)對(duì)Li

7、NbO3、KTA、LiIO3、KNbO3、PPLN等多種中紅外非線性晶體的分析及理論研究，表明LiNbO3晶體具備有效非線性系數(shù)大、位相匹配帶寬大、晶體尺寸大等多種優(yōu)點(diǎn)，有潛力實(shí)現(xiàn)峰值功率為數(shù)TW的可調(diào)諧中紅外脈沖輸出。
　　三、建立了高功率可調(diào)諧中紅外超快激光的技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，產(chǎn)生了120GW的高峰功率中紅外飛秒脈沖，高于至今為止國(guó)內(nèi)外報(bào)道的功率指標(biāo)，并在高功率狀態(tài)下(＞10GW)，首次實(shí)現(xiàn)了中紅外飛秒激光的波長(zhǎng)可調(diào)諧(3.3μm

8、-3.95μm)。
　　實(shí)驗(yàn)中采用可調(diào)諧的飛秒OPA來(lái)產(chǎn)生OPCPA的中紅外信號(hào)注入光。由于OPCPA采用非共線位相匹配，通過(guò)改變非共線角和位相匹配角，首次實(shí)現(xiàn)了在高功率狀態(tài)下(＞10GW)的中紅外飛秒激光的波長(zhǎng)可調(diào)諧，激光系統(tǒng)可在3.3μm到3.95μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。OPCPA系統(tǒng)采用LiNbO3晶體單級(jí)放大，最高輸出啁啾脈沖能量達(dá)到29.5 mJ，對(duì)應(yīng)飽和增益超過(guò)4000倍，比基于體塊晶體的增益報(bào)道結(jié)果高1-2個(gè)量級(jí)。