中紅外飛秒光參量放大過程中閑頻光相移研究.pdf

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

2、增益介質數(shù)量有限,并且調諧能力受限于增益帶寬,因此光參量放大是產生寬帶可調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方面的重要應用,以及在產生孤立阿秒脈沖方面的潛在應用,通過光參量放大產生中紅外飛秒脈沖引起了人們的廣泛關注。研究方向主要集中于產生脈寬更短、能量更高的中紅外飛秒脈沖。
　　通過光參量放大產生可調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生的中紅

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

4、際中體現(xiàn)為正常色散介質的長度或者光柵間距)。目前,人們對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。由于該相移對于后續(xù)的脈沖壓縮過程起決定影響,因此有必要進行深入的理論研究及分析,以期為實驗提供理論指導。
　　光參量放大過程的另一優(yōu)點在于可以產生載波-包絡相位穩(wěn)定的中紅外飛秒脈沖序列。眾所周知,光脈沖由脈沖包絡以及光載波描述。當(包絡)脈寬很短以至于僅包含幾個光載波周期時,對應的光脈沖稱為周期量級脈沖。

5、此時,對脈沖的完備描述需要第三個物理量,即包絡最大值與載波最大值之間的相對相差,稱之為載波-包絡相位(CEP)。如果該值為0,對應余弦脈沖,該值為π/2對應止弦脈沖。周期量級脈沖的一個重要應用在于阿秒脈沖產生。理論及實驗表明:余弦周期量級脈沖可以導致單個孤立阿秒脈沖產生,而正弦脈沖將導致多阿秒脈沌產生。后者對于研究阿秒時間尺度的超快過程(例如電子的遲豫過程)不利,因為它導致時間分辨率下降。因此人們的研究主要集中于產生波形可重復、不存在脈

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

7、-包絡相位穩(wěn)定方式,僅通過單塊二階非線性晶體就可以實現(xiàn),因此成為人們研究的熱點。然而,該方法的問題在于:閑頻光的載波-包絡相位與增益有關。已有研究表明泵浦光10％的能量起伏將導致閑頻光載波-包絡相位的起伏可以達到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-包絡相位起伏可以忽略。然而,以上分析基于平面波假定,即假設泵浦光、信號光及閑頻光均為平面波。而在實際工作中,泵浦光和信號光通常為聚焦高斯

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

9、吸收體的應用,最終促成目前應用最廣的商品化Ti:sapphire振蕩器的出現(xiàn);(2)最初應用于微波放大的啁啾脈沖放大技術的引入,其中包括能夠提供正常色散的Martinez型光柵對的引入,顯著提升了超短脈沖的能量并且避免了材料及光學元件的損傷問題;(3)非線性光學、特別是頻率轉換技術(例如倍頻,和頻,差頻產生及光參量放大等)在超快光學領域的應用,拓展了能夠獲得的超短脈沖激光波長范圍,并能提供顯著的波長調諧能力,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合的產物——光參量啁啾脈沖放大是超短脈沖產生/放大技術發(fā)展中十分重要的進步,它能提供高能超短脈沖并且不受常規(guī)激光器/放大器量子缺陷導致的熱效應的影響。(4)載波-包絡相位穩(wěn)定的周期量級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這一新興研究領域。
　　第二章,介紹二階非線性光學,特別是超短脈沖二階非線性光學。由于材料色散的作用,介質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,脈沖之間在時間上發(fā)生相互走離,這將導致轉換效率下降。此外,在群速度色散的作用下,單個脈沖也會發(fā)生脈沖展寬,因此峰值光強下降并且導致轉換效率下降,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換過程中材料色散導致的頻域相移研究。在理論上研究了色散介質中,中紅外飛秒光參量下轉換過程中的頻域相移-主要研究材料群速度色散(GVD)對頻域相移的影響,目的對中紅

12、外飛秒脈沖的壓縮給出理論指導。研究結果表明:通過參量下轉化產生的中紅外飛秒脈沖的頻域相移與線性傳輸?shù)玫降慕Y果有顯著差別。主要研究兩種產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、以及高頻場累積的相移決定。研究結果表明:差頻過程中,泵浦光消耗對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,研究結果決定了色散補償所需要的色散量。
　　第四章,介紹了差頻及參量放大過程中,考慮泵浦光和信號光為實際應用中高斯光束的條件下,閑頻光橫向載波-包絡相位的非均勻分布。在實際的載波-包絡相位穩(wěn)定的差頻裝置中,泵浦光和閑頻光通常是光強分布不均勻的高斯光束。由于載波-包絡相位依賴于增益,因此非均勻的光強分布導致了閑頻光