中红外飞秒光参量放大技术研究

【摘要】： 高峰功率、短脉冲的中红外光源(3-10μm)是科学研究领域的重要工具和手段，它可以研究从半导体纳米结构到蛋白质结构众多物质的时间分辨光谱；由于量子级联激光器和量子喷泉激光器的最新发展，掺杂的量子阱中的带间跃迁已经成为热门的科学研究课题。在气相和软凝聚态物质中，分子的振动跃迁对应着中红外波段，因而中红外光源可以对这些跃迁进行选择性激发和检测，从而可以正确地认识其复杂的动力学问题，包括化学反应的催化过程和生命的酵素起源等。它也是环境检测和遥感的重要光源。中红外激光与宽波段光探测器的相互作用效应，则是国防军工的重要研究课题。 由于缺乏合适的增益介质以及光学诊断本身的困难性，目前中红外光源，特别是高峰值功率中红外激光技术，远远落后于可见光或近红外波段。如何提升中红外波段激光技术的水准，发展有效的创新技术，将成为今后若干年国际上激光技术发展的重要方向之一。 本学位论文着重研究中红外飞秒光参量放大的理论与技术，着眼于发掘飞秒光参量放大(OPA)的性能优势，研究在中红外波段实现高增益、宽调谐范围的创新技术，设计并成功研制出实用化样机，获得2.0～4.5μm高峰功率激光输出。论文的主要工作和成绩如下： 1．对飞秒OPA进行了系统的理论研究和分析。 基于慢变振幅近似条件的非线性耦合波方程组，建立了数值模拟的计算程序编码。对光波非线性耦合过程起关键作用的相位匹配、群速度失配、群速度色散以及非共线相位匹配等问题作了较系统的分析和数值模拟。同时，还讨论了利用OPA、倍频(SHG)等非线性过程发展常规波段(1μm)飞秒激光技术的应用研究。 2．提出并实现了一种创新型的宽范围调谐技术。 利用铌酸锂晶体特殊的OPA相匹配特性，采用共线和小角度非共线相位匹配相结合的联合调谐方式，设计出一种有特色的中红外飞秒OPA系统。在单种晶体、单套器件上，对闲频光实现了2.0-4.5μm左右大范围调谐，超过了目前国外文献报道的数据。 3．研制成功铌酸锂晶体宽调谐中红外飞秒OPA实用化样机。 该系统采用商品化的飞秒钛宝石激光器作为泵浦光源，超连续白光中的近红外光谱成份(0.9-1.3μm)作为注入信号光，通过两级OPA放大系统，实现宽光谱范围调谐和放大。输出脉冲宽度约100 fs(带宽在百纳米量级)，闲频光脉冲最大能量(对应波长约3.5μm)超过30μJ，能量不稳定性仅约±5％，信号光与闲频光的总转换效率超过15％。实用化样机实现了高效、稳定、紧凑的器件目标，具有对环境和泵浦激光相对不敏感的突出优点，开机即能正常工作，已成功应用于中科院上海技物所、上海光机所和国防科技大学等单位的军工课题研究工作。 4．为进一步提高中红外飞秒激光脉冲能量，提出和研究了一种新的飞秒光参量放大器。 它采用较高能量的皮秒脉冲(10～100 ps)泵浦，利用GVM效应的有利作用，高效地对飞秒脉冲进行直接放大。泵浦脉冲脉宽尽管远大于信号光，但是其群速度慢于飞秒光(GVM)，其传输时间差被设计正好等于泵浦脉宽，因此在OPA晶体内，所有时间次序上的泵浦脉冲均对飞秒脉冲放大有贡献。该方案综合了啁啾脉冲OPA放大(OPCPA)和传统飞秒OPA放大的优点，可期待获得与OPCPA方式相仿的高能量，而又具有传统OPA方式相似的结构简单和高信噪比性能。据此，具体研究了一种放大器，它可采用1.5μm波长附近的Cr∶YAG锁模皮秒激光脉冲作为泵浦，应用较大口径的PPLN非线性晶体，对3μm波长附近的中红外飞秒激光进行直接放大。模拟计算的结果表明，可获得转换效率约30％，单级放大倍率～10~4，信噪比大于10~6的飞秒输出脉冲。