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宽带三倍频不等速群速匹配规律研究

杨义胜  
【摘要】:基于二阶非线性效应的宽带三倍频是最重要的非线性光学效应之一。作为紫外超短脉冲产生、激光惯性约束聚变等系统的关键环节,宽带三倍频的转换效率和带宽等指标直接影响着系统的各项性能。然而,严重的群速失配问题,使得在宽带三倍频过程中难以兼顾效率和带宽,从而严重制约着紫外超短脉冲产生、激光惯性约束聚变等系统的整体性能。 经典理论指出,宽带三倍频的理想群速匹配条件是“三波包完全等速”。由于受到晶体色散的影响,利用现有晶体和谐波转换技术,难以实现“三波包完全等速”。本文探索在“三波包不等速”状态下,实现高效率的宽带三次谐波转换的方法。 本文分为两个部分:第一部分基于非线性三波耦合方程组,对群速度在宽带三次谐波转换中的作用进行了深入细致的研究;分别从超短脉冲、正弦相位调制脉冲和晶体折返特性等三个方面,开展不等速群速匹配规律的理论与数值模拟研究;第二部分讨论不等速群速匹配规律在实验中的应用,提出群速度主动控制技术,在“三波包不等速”条件下,基于不等速群速匹配规律实现宽带三倍频的高效谐波转换。 取得了以下五项主要结论: 一、在小信号近似下,首次从理论上得到了超短脉冲三倍频的三波包群速匹配准则——为基频、倍频脉冲脉宽的平方比122;本文称该表达式为“不等速群速匹配关系式”,并据此首次提出了“不等速群速匹配”这一广义群速匹配概念。基于离散傅立叶变换和Runge-Kutta积分法的数值模拟结果验证了理论结果的正确性。 二、理论并数值研究了正弦相位调制宽带脉冲的三次谐波转换过程;首次得到正弦相位调制脉冲的三倍频群速度匹配关系式——这一关系式与超短脉冲三倍频的不等速群速度匹配关系式具有形式上的统一性,唯一不同的是参量x所代表的物理意义不同。此时,x所表征的是倍频脉冲和基频脉冲的相位调制深度比 三、基于晶体自身的色散特性,理论研究了晶体折返特性与群速匹配之间的关系,得到晶体三倍频折返点对应的三波群速度关系为这一表达式与不等速群速匹配关系式同样具有形式上的一致性,是后者在参量时的一个特例。模拟结果表明:当晶体工作在其三倍频折返点时,对超短脉冲的三次谐波转换,可以获得最大的谐波转换效率和最大的转换带宽;对正弦相位调制脉冲的三次谐波转换,可以有效地抑制FM-to-AM效应的产生。 四、理论、数值分析了基频倍频脉冲群速度失配对超短脉冲三次谐波转换过程中的影响,得出了三次谐波振幅关于基频、倍频脉冲群速度的解析表达式。结果表明:三次谐波转换效率与基频倍频脉冲之间群速度失配量的平方呈指数衰减的关系。 五、提出利用晶体电光效应等技术实现宽带三次谐波转换的不等速群速度匹配;在控制外加电场的作用下,可以得到可调谐的三倍频折返点波长;同时,本文还提出了基于不等速群速匹配的群速度快波延迟技术,通过控制基频、倍频脉冲进入晶体的时间差,提高超短脉冲的三次谐波转换效率。 本文的工作对于揭示宽带脉冲三次谐波转换的群速度匹配内在物理规律,解决宽带三次谐波转换的群速失配问题具有重要的意义。所得研究结果为寻求补偿三倍频群速度失配的技术途径提供理论依据和支撑,对提高现有激光惯性约束聚变、紫外超短脉冲光源产生等系统中三次谐波转换器件的性能具有理论指导作用。


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