Kerr介质中宽带激光脉冲时空演化研究和测量

【摘要】：随着超短脉冲激光技术的发展需要,激光脉冲的脉宽已经进入到阿秒领域,从而使得激光的光谱宽度变得越来越宽。光束质量(时空特性)是衡量激光系统性能的一个重要指标。由于宽带激光脉冲具有“尖锐”的时间特性(飞秒甚至更短)、很小的光束直径、很高的峰值功率等等特性,导致它在介质中传输时会产生各种非线性效应,其中自聚焦(尤其是小尺度自聚焦)是最主要的非线性效应,从而影响光束质量,使得输出的光束发生严重畸变。实时监测和精密测量宽带激光脉冲非线性传输过程中的时空演化特性,就是为了更好的控制输出光束质量。所以,研究和精密测量高功率宽频带激光脉冲在介质中传输时的时空演化规律,无论在理论上还是在实际应用上都具有十分重要的意义。本文在理论和实验上研究了宽带激光脉冲非线性传输过中的时空演化规律,获得如下主要成果： 第一,基于广义(3+1)维非线性薛定谔方程的解析解,理论研究了激光脉冲在非均匀介质中传输时的时空传输特性,得到了激光脉冲能够在介质中稳定传输的条件。这些结果对于激光脉冲非线性传输的扩展及控制具有一定的参考价值。 首先,综合利用奇次平衡法原理和F-展宽技术解析求解了具有分布系数的广义(3+1)维非线性薛定谔方程,并得到了一系列的时空孤子解和周期行波解。当激光脉冲在非均匀介质中传输时,由于不同阶的强度矩可以描述激光脉冲的特性,于是利用强度矩方法研究了解析解在非线性介质中的时空传输特性,并计算了解析解的束宽、脉宽、光强分布的对称性和时空K参数。然后,根据二阶强度矩详细地分析了解析解在非线性传输过程中的时空稳定性。研究发现：(1)当衍射系数和色散系数为相同的分布系数时,无初始啁啾和带有初始啁啾的时空孤子解的束宽和脉宽为恒定的常数,而无初始啁啾和带有初始啁啾的周期行波解的束宽和脉宽为周期性变化,因此解析解在非线性传输过程中是稳定的,很小的啁啾或者微扰基本上不影响解的时空传输特性。(2)当衍射系数和色散系数为其他系数时,无初始啁啾的时空孤子解的束宽和脉宽为恒定的常数,但是带有初始啁啾的时空孤子解以及无初始啁啾和带有初始啁啾的周期行波解的束宽和脉宽呈现无规律的变化,所以解析解在非线性介质中传输是不稳定的,解的时空传输特性很容易受到啁啾或者微扰影响。 第二,提出一种精密测量激光脉冲非线性传输过程中时域精细变化的方法,该方法具有操作简单、方便、测量精度高等优点。利用该测量方法在实验上得到了激光脉冲自聚焦过程中的时间变化规律。该方法对于测量中红外激光脉冲非线性传输过程中的时间演化特性具有一定的参考价值。 在大型钕玻璃激光系统中,时域上带有初始调制的激光脉冲通过非线性传输和放大,调制将会在整个钕玻璃激光系统中得到累积和增强,因此测量激光脉冲的时域精细结构是非常重要的。我们提出了一种基于同步飞秒激光脉冲测量皮秒激光脉冲在非线性传输过程中的时空演化方法,首先,从理论上分析了该方法可行性和正确性,理论结果表明该方法能够精密测量时域比较复杂的皮秒脉冲精细结构和时间脉宽,当飞秒探测脉冲的脉宽越短,测量精度就越高,并且测量误差值也就越小。然后,我们在实验上利用同步的Ti:sapphire激光器输出脉宽大约100fs的飞秒激光脉冲测量了Nd:YLF激光器输出脉宽大约为75ps的皮秒激光脉冲的时域精细结构。实验结果表明从Nd:YLF皮秒激光器输出的皮秒脉冲时域比较匀滑干净,测量的脉宽结果和自相关方法也基本一致。最后,利用该方法测量了皮秒激光脉冲经过不同长度CS2非线性介质后的时空演化。结果表明,当CS2介质长度增大时,皮秒激光脉冲在空间上出现轻微的自聚焦效应,时间脉宽有稍微变窄的趋势。 第三,提出一种精密测量超短激光脉冲非线性传输过程中不同空间位置的时间脉宽演化规律的方法。利用该测量方法在实验上揭示了小尺度自聚焦过程中局部空间强度变化对时间脉宽演化的影响,即时空耦合效应。 小尺度自聚焦会引起激光光束的局部空间强度迅速增长,从而导致光束分裂成为强度增长区和强度非增长区域,我们在实验上研究了强度增长区和强度非增长区的时空演化规律。由于激光脉冲不同空间位置的初始光强分布是不均匀的,因此不同空间位置的初始时间脉宽就是不一样的。我们提出了一种改进的互相关方法,它能够精密测量飞秒激光脉冲不同空间位置的时间脉宽。然后利用该方法实验精密测量了小尺度自聚焦过程中,飞秒激光脉冲的强度增长区和强度非增区域的时间脉宽演化规律。实验结果表明,随着入射峰值功率的增加,强度增长区域的空间峰值强度越来越大,因此该区域的小尺度自聚焦效应变得越来越强,从而导致该区域的时间脉宽变得越来越窄,当空间峰值强度达到最大时,脉宽将会变得最窄。但是当入射峰值功率的增加时,强度非增长区的空间峰值强度基本保持不变,所以该区域的小尺度自聚焦效应非常弱,从而该区域的时间脉宽也基本上保持不变。详细地研究小尺度自聚焦过程中不同空间位置的时间演化规律,有利于更好的帮助我们研究高功率激光的成丝过程。该实验方法为精密测量激光脉冲成丝之后不同细丝非线性传输过程中的时空演化规律提供了重要的参考依据。