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超宽带中红外光参量放大技术及其应用研究

陈列尊  
【摘要】:中红外光参量放大的闲频光与信号光的波长差别很大,且一个在正常色散区,一个在反常色散区,使中红外光参量放大的增益带宽“瓶颈”问题更加严重,极大地限制了其输出带宽、转换效率和可调谐性。本文紧密结合国家自科基金重大项目“高峰功率可调谐中红外激光技术的基础问题研究”的关键科学与技术问题开展研究,重点完成了以下几个方面的工作,并取得了一些具有创新性的结果: 1.为了解决中红外光参量放大器的种子源与抽运源高精度同步问题,我们提出一种基于“全局时钟+电子锁相环伺服”的改进型主动同步技术,消除了两个激光系统不同时基之间的误差与抖动带来的影响,实现了两个独立低重复率飞秒与皮秒激光再生放大系统输出脉冲的高精度、长时间稳定同步,构建了高精度飞秒与皮秒激光同步系统,不仅为中红外光参量放大系统的构建打下了实验基础,还可广泛应用于基于同步激光技术的抽运-探针检测等各种实验研究; 2.提出并运用“误差传递关系+两点互相关测量”的新型相对时间抖动测量方法对该同步系统的相对时间抖动进行了精确测量,结果表明,其相对时间抖动方均值仅为0.66皮秒,为已报道同类同步系统的最高水平。所提出的新型同步激光相对时间抖动测量技术,解决了同步测量领域高精度、高可信度低重复率飞秒皮秒同步脉冲相对时间抖动的测量问题,可广泛应用于各种同步激光系统的相对时间抖动的测量; 3.为克服中红外光参量放大的增益带宽“瓶颈”问题,提出并研究了一种基于“扇形周期极化晶体+空间色散”的新型光参量放大器结构,它充分发挥扇形周期极化晶体的全二维结构特性,增加利用了一个扩展带宽的空间维度,从理论上来说,它扩展带宽时只需增加晶体的横向宽度,同时保持晶体长度不变,从而突破了当前各种光参量放大器只能在带宽与增益之间进行平衡的“瓶颈”,而且还可以非常方便地与空间幅度、相位和增益调节技术相结合,实现光谱特性、波形的调控,加之,由于充分利用了晶体的横向空间,特别适用于大功率甚至超大功率的光参量放大和非线性频率变换; 4.结合多抽运源技术,比较研究了不同晶体结构、不同抽运条件下的3300nm中红外啁啾脉冲光参量放大器的增益带宽与光谱特性,数值计算结果表明,基于扇形周期极化晶体与空间色散技术的中红外光参量啁啾脉冲放大器的增益带宽达到了320nm且还可以进一步扩展,此外,还可根据需要调节抽运源位置与强度对输出光谱曲线进行补偿。这种新型宽带参量放大结构还可广泛运用于和频、差频等各种二阶非线性光学参量过程; 5.借鉴新型超宽带光参量放大光路结构,提出并研究了一种新型超宽带二次谐波产生系统,该系统克服了当前各种二次谐波转换方案的缺点,不但具有很宽的转换带宽和较大的转换效率,且调校方便、晶体选择灵活;同时,利用准相位匹配晶体的极化周期与结构可运用平版印刷制造工艺方便地进行设计制作的特点,研究了具有平顶光谱输出和平坦转换效率超宽带输出的两种改进型二次谐波产生器,结果表明,该新型二次谐波产生器不但可以极大地扩展转换带宽,而且具有几乎任意的输出光谱整形能力,可望发展成一种新型的宽带二次谐波转换解决方案。


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