（光学专业论文）超短激光脉冲载波包络相位的全光控制.pdf

摘要 摘要 周期量级超短脉冲的载波包络相位( c e p ) 对与瞬时电场强度相关的非线性 实验具有决定性的影响，尤为突出的是它在阿秒科学和光频标测量学领域发挥着 举足轻重的作用。随着阿秒激光脉冲的不断窄化和相关应用研究的不断深入，测 量并控制飞秒激光脉冲c e p ，已经成为当今最前沿的研究内容之一。 本工作致力于稳定周期量级超短脉冲c e p 的研究，目标是探索控制超短激 光脉冲载波包络相位的新方案与新技术，发展c e p 稳定的周期量级超短脉冲系 统。 在稳定和控制超短激光脉冲c e p 方面，我们主要着力于发展控制c e p 的新 方案。为此我们首先提出了基于级联光学参量放大( o p a ) 的c e p 稳定方案。 该方案巧妙地利用不同类型o p a 的组合使用，实现了大能量、超宽频谱、c e p 稳定的超短脉冲，同时还避免了白光注入类型的o p a 方案中由于白光中剩余泵 浦光对信号脉冲c e p 影响严重的问题。该方案是目前实现超短脉冲c e p 稳定的 有效手段之一。 我们首次在实验中发现了时空耦合调制不稳定性产生的多色锥状辐射现象。 发现时空耦合调制不稳定性作用使基波与二次谐波发生强非线性相位锁定，平衡 了二者之间的群速度色散和衍射，有效地提高了非线性转换效率。在此基础上， 我们提出了利用时空耦合调制不稳定性参与的参量过程实现超短脉冲c e p 自稳 定的方案。该方案有效地利用了时空耦合调制不稳定性参与的参量过程具有指数 增益的优点，可以实现极宽频谱范围内连续可调、高能量、c e p 稳定的超短脉冲。 使用这种极具潜力的新方案，我们在简单的o p a 装置上实现了超短激光脉冲 c e p 的自稳定。 本论文还提出并实现了利用调制上转换放大和泵浦光之间的差频实现超短 脉冲c e p 自稳定的方案。在该方案中，由于调制上转换放大的c e p 在放大过程 中保持不变并且具有能量高、光斑质量好以及宽频谱宽度等优点，所以其与泵浦 光之间的差频信号具有c e p 自稳定的特性，同时调节调制上转换放犬的中心波 长能够实现c e p 稳定的差频信号在极宽频谱范围内连续可调。 摘要 围绕着c e p 稳定的周期量级超短脉冲系统的研究，我们发展了一系列关键 性的技术。 提出了利用全光方法获得c e p 稳定的超短脉冲，随后利用光学参量啁啾脉 冲放大( o p c p a ) 实现了构建c e p 稳定的周期量级超短脉冲系统的新方案。全 光方法可以获得c e p 精确稳定的超短脉冲。o p c p a 不仅能够有效地放大激光脉 冲的能量，而且研究表明o p c p a 过程不会影响信号光的c e p 信息。该方案能够 实现c e p 稳定的周期量级强激光脉冲输出，这是目前获得c e p 稳定的周期量级 强激光源的有效方案之一。 提出并证明了获得用于8 0 0 n m 钛宝石激光器o p c p a 的精确同步的泵浦源的 新技术。这项技术是基于连续光注入的非共线o p a 技术在参量作用时间内， 连续光能够提供足够的光子有效抑制了荧光的参量放大从而获得大能量、光斑质 量较好的信号输出。在此基础上，我们分别发展了基于1 0 6 4 n m 的连续光、6 3 2 8 r i m 连续光以及氦氖激光腔内放大等新技术。这些新技术能够有效地产生与8 0 0 n m 钛宝石激光器精确同步的泵浦光脉冲，二者之间的时间抖动不超过1 0 t s 。实验获 得的无连续光背景的1 0 6 4 n m 超短脉冲能量可以通过再生放大或者多通放大的手 段获得进一步的提高，其5 3 2 n m 的倍频光可以为同源钛宝石激光器的o p c p a 装 置提供精确同步的高强度泵浦源。 关键词： 载波包络相位、光学参量放大、光学参量啁啾脉冲放大、调制不稳定性、调制 上转换放大、f - 2 f 频谱干涉。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep h a s eo f t h ec a r r i e rf r e q u e n c yw i t hr e s p e c tt ot h ep u l s ee n v e l o p ei nf e w - c y c l e l a s e rp u l s e s , w h i c hc a l lb ed e s c r i b e db yt h ec o n c e p to fc a r r i e r - e n v e l o p ep h a s e ( c e p ) p l a y sac r u c i a lr o l ei nm a n yn o n l i n e a re x p e r i m e n t sc o r r e l a t e dw i t he l e c t r i c f i e l d i n t e n s i t y , s u c ha sa r o s e c o n ds c i e n c ea n do p t i c a lf r e q u e n c ym e t r o l o g y a sa r o s e c o n d l a s e rp u l s e sb e c o m em o r ea n dm o r en a r r o wa n di t s c h a l l e n g i n ga p p l i c a t i o n s , c o n t r o l l i n ga n dm e a s u r i n gt h ec e p o ff e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e sh a v en o wt o mt oo n e o f t h em o s tf a s c i n a t e dr e s e a r c h t h em a i np u r p o s eo ft h i sw o r ki st o e x p l o r en o v e ls c h e m e sa n dt e c h n i q u e sf o r s t a b i l i z i n gt h ec e po fu l t r a s h o r t l a s e r p u l s e s a n dt h ee x p e r i m e n t a lw o r ki s c o n c e n t r a t e do nb u i l d i n gu pac e p t s t a b i l i z e di n t e n s ef e w - c y c l el a s e rs y s t e m i no r d e rt os t a b i l i z et h ec e po fu l t r a s h o r tl a s e rp u l s e s ，w eh a v ep r o p o s e ds e v e r a l i n n o v a t i v es e t u p s t h ef h s to n ei sb a s e do nc a s c a d e do p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r ( o p a ) t h ec o m b i n a t i o no f d i f f e r e n tt y p eo p a sn o to n l yr e a l i z et h eo u t p u to f i n t e n s e ， b r o a d b a n ds p e c t r u m ，c e p - s t a b i l i z e du l t r a s h o r tl a s e r p u l s e s 。b u ta l s o a v o i dt h e d e t r i m e n t a le f f e c t so nt h ec e po fs i g n a lp u l s e si nw h i t e l i g h ts e e d e do p a i ti so n eo f t h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rs t a b i l i z i n gt h ec e po f u l t r a s h o r tl a s e rp u l s e s w eh a v eo b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m ec o l o r e dc o n i c a ie m i s s i o nd u et ot i l e s p a t i o t e m p o r a lm o d u l a t i o n a li n s t a b i l i t yi ns e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o no fu l t r a s h o r t l a s e rp u s e s a sac o n s e q u e n c e , t h es t r o n gn o n l i n e a r i t yb e t w e e nf u n d a m e n t a lw a v e s a n ds e c o n dh a r m o n i ch a sb a l a n c e dt h e i rg r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o na n dd i f f r a c t i o n ， w h i c hl e a dt ot h eg r e a ti m p r o v e m e n to fe n e r g yc o n v e r s i o n t h e r e f o r e , w eh a v e p r o p o s e ds t a b i l i z i n gt h ec e po fu l t r a s h o r tp u l s e sb yu s eo fm o d u l a t i o n a li n s t a b i l i t y a s s i s t e do p a t h i sm e t h o dt a k ef u l l a d v a n t a g eo fm o d u l a t i o n a li n s t a b i l i t ya s s i s t e d o p a ，f a c i l i t a t i n gt h eg e n e r a t i o no fw i d e l yt u n a b l e ，c e p s t a b i l i z e di n t e n s eu l t r a s h o r t p u l s e s a n dw ea l s op r o p o s e dc e ps e l f - s t a b i l i z a t i o n b yu s eo fd i f f e r e n c ef r e q u e n c y g e n e r a t i o nb e t w e e nm u d u l a t i o n a lu p - c o n v e r s i o na m p l i f i c a t i o na n dp u m pp u l s e s d u e t ot h ew h i t e - l i g h ts e e d e da m p l i f i c a t i o no fc o l o r e dc o n i c a l e m i s s i o n ，m u d u l a t i o n a l i i i a b s t r a c t u p - c o n v e r s i o na m p l i f i c a t i o nh a sv e r yg o o db e a mq u a l i t ya n db r o a d b a n ds p e c t r u m w i t ht h es a m ec e p i sp u m pp u l s e s b yt u n i n gt h ec e n t r a lw a v e l e n g t ho f m u d u l a t i o n a l u p - c o n v e r s i o na m p l i f i c a t i o n ，w i d e l y t u n a b l eo ft h ec e p - s t a b i l i z e dd i f f e r e n c e f r e q u e n c ys i g n a li sr e a l i z e d w h e ns t e p p i n gt o w a r dt h eg o a lo fb u i l d i n gu pac e p - s t a b i l i z e di n t e n s ef e w - c y c l e l a s e rs y s t e m ，w eh a v ed e v e l o p e dm a n yk e yt e c h n i q u e sf o ri t w eh a v ep r o p o s e dan o v e ls c h e m ef o rb u i l d i n gc e p s t a b i l i z e di n t e n s ef e w - c y c l e l a s e rs y s t e mb yu s eo f a l l o p t i c a lc e p - s t a b i l i z e ra n do p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e dp u l s e a m p l i f i e r ( o p c p a ) a l l - o p t i c a lc e p - s t a b i l i z e ra c h i e v e da b s o l u t es t a b i l i z eo fc e po f u l t r a s g o r tp u l s e s o p c p ac a l ln o to n l yb o o s tt h ee n e r g yo fl a s e rp u l s e s ，b u ta l s o p r e s e r v ei t sc e p i nt h ew h o l ep r o c e s s i ti so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d sf o r u i l d i n gc e p - s t a b i l i z e di n t e n s ef e w - c y c l el a s e rs y s t e m a n dw eh a v ea l s op r o p o s e dg e n e r a t i o no fa c c u r a t es y n c h r o n i z e dp u m pp u l s e sf o r o p c p a o p e r a t e do n8 0 0a mt i ：s a p p h i r el a s e r sb yu s eo f c o n t i n u e s - w a v e ( c 聊s e e d e d n o p a t h ec o n t i n u e s w a v ep r o v i d e ss u f f i c i e n tp h o t o n si nt h ep a r a m e t r i ci n t e r a c t i o n t i m e ，w h i c hg r e a t l yr e s t r a i nt h ef l u o r e s c e n c ea m p l i f i c a t i o n d u et ot h eg o o db e a m q u a l i t yo f t h ec w l a s e rb e a m ，t h eo u t p u ts i g n a le x h i b i t sl a r g es i n g l ep u l s ee n e r g ya n d g o o db e a mq u a l i t y w eh a v ed e v e l o p e d1 0 6 4a mc wl a s e r , 6 3 2 8n ml a s e ra n d i n t r a c a v i t yo fh e - n el a s e ra st h es e e dp u l s ef o rn o p a ，r e s p e c t i v e l y t h e s es c h e m e c a l lg e n e r a t ea c c u r a t es y n c h r o n i z e dp u m pp u l s e sw i t h8 0 0a mt i ：s a p p h i r el a s e r s t h e t i m ej i t t e ro ft h eg e n e r a t e dp u m pp u l s ew i t hr e s p e c tt ot h e8 0 0m np u l s ew a s m e a s u r e da b o u t1 0f si naf e ws e c o n d s t h eg e n e r a t e db a c k g r o u n d - f r e e1 0 6 4n mp u l s e c a nb ef u r t h e ra m p l i f i e t e da n dt h ef r e q u e n c yd o u b l e dt op r o d u c ea na c c u r a t e l y s y n c h r o n i z e dp u m ps o u r c ef o ro p c p a f o rt h es a m et i ：s a p p h i r el a s e r k e y w o r d s ： c a r r i e r - e n v e l o p ep h a s e ；o p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e r ；o p t i c a lp a r a m e t r i cc h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ；m o d u l a t i o n a l i n s t a b i l i t y ；m o d u l a t i o n a lu p c o n v e r s i o n a m p l i f i c a t i o n ；f - 2 f s p e t r c a li n t e r f e r e n c e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：羔盘日期：丝盈苎! ! 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名是比 导师签名： 第一章引言 第一章引言 1 1 超快激光技术的最新进展 飞秒激光在最近几十年时间里的快速发展，为人类充分探索微观超快现象 及研究强场物理提供了前所未见的实用手段和发展机遇。例如，利用它极短的 持续时n ( 1 f s = t 0 ”s ) ，人们可以观察到极快的化学反应过程，包括分子键的断 裂与重组，分子与原子的振动过程等；利用它极高的峰值功率( 聚焦后的强度可 达到1 0 2 1 w c m 2 ) ，人们可以开展极端条件下强场物理的研究，包括激光等离子 体，x 射线辐射源，热核反应快速点火等。1 9 9 9 年诺贝尔化学奖得主a h m e d z e w a i l 教授就是利用飞秒激光泵浦探测技术成功地控制了化学键的成键与断 裂，他的研究成果可以让人们通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子 与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。+ z e w a i l 通过 对“基础化学反应的先驱性研究”，使人类得以研究和预测重要的化学反应，给 化学以及相关科学领域带来了一场革命，从而获得诺贝尔化学奖【l 】。人类探索 自然界无穷奥秘的热情驱动着科学家要找到比飞秒更短的闪光脉冲来帮助自己 看到更快的反应过程。在上世纪8 0 年代末，染料激光器的输出脉冲宽度就可以 达到2 7 f s 2 ，后来又迸一步压缩到6 f s 3 。其中心波长为6 0 0 n m ，在脉冲的强 度包络下只有三个电场振动周期。由于钛宝石激光器技术的飞速发展，人们已 经获得了约5 f s 的周期量级脉冲【4 7 】。钛宝石激光器的输出中心波长在8 0 0 r i m 附近，5 f s 的周期量级脉冲包络下只有不到两个的电场振动周期。这样的脉冲是 探测物质动力学的有力工具，例如分子原子的运动状态和化学反应的动力学过 程，单周期脉冲光可以高精度的探测这些皮秒( 1 0 - 1 2 s ) 或飞秒( 1 0 0 5 s ) 水平的 动力学过程。高能量的单周期脉冲与物质相互作用可以产生几十甚至几百阶的 高次谐波，而用来泵浦的脉冲光达到周期量级时，可以输出的高次谐波是连续 的，连续谱的高次谐波压缩后可以得到单个阿秒( 1 0 博s ) 脉冲输出，它可以帮 助人们探测更快的物质动力学过程，如原子内部电子的运动。阿秒脉冲是开拓 阿秒光谱学、阿秒物理学及阿秒科学技术等全新学科与未来高新科技领域的重 要工具。阿秒尺度的时间分辨率与原子尺度的空问分辨率相结合可以帮助人类 更好的把握微观世界的规律。除了阿秒科学，周期量级的脉冲光还是频标测量 第一章引言 学必不可少的光源。它是利用飞秒激光在频域上的超宽频谱，通过稳定腔长和 载波包络相位( c e p ) 从而得到超稳定的飞秒激光频率梳，这一频率梳可以实 现射频与光频的直接链接。研制高稳定宽带飞秒激光频率梳对于建立起我国独 立的微波频标与激光频标的直接对比系统具有重大战略意义，从而可以为我国 的频率计量、卫星定位、国防、通讯、导航以及基础科学研究等领域提供新一 代的高精度时间频率标准。 周期量级脉冲中描述脉冲的参数载波包络相位( c e p ) 对与瞬时电场 强度相关的非线性实验具有决定性的影响，例如：高次谐波和阿秒脉冲的产生 【8 l o 】、光学合成【l l ，1 2 1 以及相干控制【1 3 ，1 4 。c e p 指的是周期量级脉冲包络最 大值和包络下电场振荡最大值之间的相对相位，它决定了脉冲的瞬时电场强度。 随着频标测量学和阿秒科学研究的不断深入，控制并测量周期量级飞秒激光脉 冲的c e p ，已经成为当今最前沿的研究内容之一。高次谐波作为产生阿秒脉冲 的有效手段，受驱动源c e p 的影响非常大。文献【l o 】首次实验研究了不同c e p 的驱动光场对高次谐波产生的影响。实验采用5 f s 、c e p 稳定的周期莹级超短激 光脉冲作为产生高次谐波的驱动源。发现在驱动激光具有不同c e p 数值情况下， 高次谐波产生的软x 射线光谱出现较大的差异。并且随着c e p 的改变，谐波的 峰值位置也随之发生移动，如果输入脉冲的c e p 没有稳定，那么所有的谐波结 构都被抹平。研究还发现，在高次谐波产生阿秒脉冲中作为泵浦光的飞秒脉冲 的c e p 不但影响到高次谐波的转换效率，而且也影响到产生的阿秒脉冲的复现 率。在频标测量学领域，飞秒激光脉冲的光谱由精密等频率间隔的频率梳组成。 这个频率梳均匀性的相对不确定度已经被证明小于l o 。1 5 。但是如果激光器的 c e p 没有稳定，这个频率梳在频域内随机抖动的，根本无法用于光频测量。只 有锁模激光器被稳定锁相后，即脉冲的c e p 被锁定，整个光频梳才能在频域上 稳定从而形成一把可以测量光频的“尺子”。 1 2 论文选题的意义、主要工作以及创新点 1 2 1 论文选题的意义 如何实际控制和测量超短激光脉冲的c e p 已是日前国际上的4 个研究热 点。由下受到腔内色散和光强浮动的影响，一般匕秒激光器输出的超短脉冲部 2 第一章引言 是c e p 随机抖动的。h a l l 等人利用电路反馈的自参考技术锁定了飞秒振荡器的 c e p 1 5 ，但是这种方法无法应用到低重复频率的飞秒放大器上。低重复频率的 周期量级超短脉冲具有较高的单脉冲能量，是多光子电离、高次谐波产生的理 想驱动源。因此，各种用于稳定低重复频率超短脉冲c e p 的方法纷纷被提出并 实验实现 1 6 1 8 。目前应用最广泛的稳定低重复频率超短脉冲源c e p 的方法是 利用啁啾脉冲放大( c p a ) 技术放大c e p 锁定的飞秒钛宝石振荡器激光输出 【l o ，l6 】。c p a 中的脉冲选择装置在振荡器输出脉冲中选出一组c e p 相同的脉冲， 放大后可以得到上百毫焦、c e p 稳定的超短脉冲。经过空心光纤和啁啾镜压缩 后即获得c e p 稳定的周期量级超短脉冲。但是c p a 系统对c e p 具有较大的影 响，作为种子光的振荡器输出脉冲序列中所有比选取频率高的噪声成分都被折 叠到选中的脉冲序列中去，因此c p a 过程中噪声对c e p 的影响不能被忽略。 幸运的是，瑞士的u k e l l e r 小组实验证实了光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 不 会影响信号的c e p 信息【1 9 】。而a b a l t u g k a 则发现光学参量放大( o p a ) 能实 现c e p 自稳定的闲散光输出【1 8 】。控制和测量周期量级超短脉冲的c e p 是一个 将在国家战略高科技以及众多科研领域起到重要的推动作用的科学技术领域。 国内在这方面的研究刚刚起步，但是我国在这一领域具有较好的软硬件科研基 础，很多科研单位积极参与其中，并已取得相当优秀的研究成果。中科院系统 【2 0 】报道了通过自参考技术测量并优化了飞秒钛宝石振荡器输出脉冲的载波包 络相移所引起的拍频信号。上海光机所在研究高次谐波和阿秒脉冲产生过程中 提出了利用驱动激光源与物质相互作用产生的光电子的空间分布来测量其c e p 信g 2 1 1 。 总之，控制和测量周期量级超短脉冲的c e p 以及发展高能量、c e p 稳定的 周期量级超短脉冲源是超快激光发展的必然趋势，也是产生阿秒脉冲、推动阿 秒科学发展以及实现光频精确测量的必经阶段和必要手段。据此，我们选择了 控制和测量周期量级超短脉冲的c e p 以及发展高能量、c e p 稳定的周期量级超 短脉冲源的研究作为本文的研究目标。 第一一章引言 1 2 2 论文的主要工作 我们在理论和实验研究方面都取得了一系列新的进展。提出了全光实现超 短脉冲c e p 的自稳定，用o p c p a 进一步放大脉冲能量可以实现c e p 真正稳定 的周期量级超短脉冲源，而国际上在这方面尚未有报道。具体工作包括： l 、提出并实现了产生用于8 0 0 n m 钛宝石激光器o p c p a 的精确同步泵浦源的 新技术。这种技术是基于连续光注入的非共线o p a 技术。具体实现方法将 分别采用1 0 6 4 n m 连续光注入、6 3 2 8 n m 连续光注入以及在h e n e 激光腔内 实现非共线o p a 。非共线o p a 得到1 0 6 4 n m 的超短脉冲能量可以通过再生 放大或者多通放大获得进一步的提高，然后倍频到5 3 2 n m 从而为同一个钛 宝石激光器的o p c p a 装置提供精确同步的高强度泵浦源。在此基础上提出 了建立高能量、c e p 稳定的周期量级超短脉冲激光系统的方案。 2 、发展了级联的o p a 实现c e p 自稳定的新方案。基本想法是首先用基频光泵 浦的o p a 实现c e p 的自稳定，接着用级联的o p a 放大它的能量。不同类 型o p a 之间的组合不仅能实现c e p 的自稳定，还能够有效地提高脉冲的能 量。同时避免了倍频光泵浦的o p a 中剩余基频光对信号c e p 影响严重的难 题。该方案是获得c e p 稳定超短脉冲的有效手段之一。 3 、我们首次在实验中发现了时空耦合调制不稳定性作用产生的多色锥状辐射 现象。实验中通过改变泵浦光的光强、脉冲宽度以及非线性介质的相位匹 配条件等参数详细研究了多色锥状辐射的产生原理和基本特性。在此基础 上提出了注入与倍频光相位差为常数的种子光，在种子光获得指数增益放 大的同时，可以获得高能量、c e p 稳定的闲散光输出。 4 、发展了利用调制上转换放大和基频光之间的差频实现差频信号c e p 自稳定 的新技术。调制上转换放大是超连续白光在时空耦合调制不稳定性参与的 参量波混频过程中获得指数增益而得到的放大。区别于非共线o p a 技术的 参量放大，调制上转换放大具有很多独特的优点，用它与基频光差频产生 c e p 稳定超短脉冲是极具潜力的c e p 稳定方案之一。 5 、采用了基于非共线型o p a 的f - 2 f 频谱下涉技术来检测c e p 的稳定。这种方 第一一章引言 法具有装置简单、易于操作的优点通过频谱干涉信号可以计算得到脉冲 与脉冲之间的c e p 漂移，这是验证c e p 稳定最简单的方法之一 1 2 3 论文的创新点 1 、提出了利用全光方法获得c e p 稳定的超短脉冲，紧接着用光学参量啁啾脉 冲放大( o p c p a ) 实现c e p 稳定的周期量级超短脉冲系统的新方案。全光 方法可以获得c e p 精确稳定的超短脉冲。o p c p a 不仅能够有效地放大激光 脉冲的能量，而且研究表明o p c p a 过程不会影响信号光的c e p 信息。该 方案能够实现c e p 稳定的周期量级强激光脉冲输出。是目前实现c e p 稳定 的周期量级强激光源的有效方案之一。 2 、基于连续光注入的n o p a 技术能够产生o p c p a 中与信号光精确同步的泵浦 光。成功地解决了一般o p c p a 中泵浦光与信号光之间时间抖动的问题。采 用这样的泵浦源将会极大地提高o p c p a 信号的光束质量、能量稳定性、放 大后信号的再压缩性以及放大过程的能量转化效率。 3 、级联的o p a 能够实现高能量、c e p 自稳定的超短脉冲输出。基频光泵浦的 o p a 没有剩余泵浦光无法消除的问题。利用它实现c e p 稳定后，接着用级 联的o p a 放大其能量。整个过程避免了倍频光泵浦的o p a 中剩余泵浦光无 法消除，从而严重影响c e p 稳定的问题。不同类型o p a 的组合使用不仅能 有效地避免剩余泵浦光的影响、实现c e p 的自稳定，还能够有效地提高脉 冲的能量。 4 、在超短脉冲倍频过程中时空耦合调制不稳定性方面，我们首次在实验中发 现了时空耦合调制不稳定性作用产生的多色锥状辐射现象。超短脉冲倍频 过程中发生时空耦合的调制不稳定性。表现为一些特定频谱的光在与其相 对应的空间方向上获得指数增益而得到放大，形成多色锥状辐射。同时基 波与倍频的非线性耦合实现非线性相位锁定，形成不同载波的超短脉冲交 叉束缚传输，平衡了他们之间的群速度色散和衍射等效应，极大地提高了 能量转换效率。利用调制不稳定性参与的参量过程的优点，注入与泵浦光 相位漂移相同的白光实现了商能量、c e p 稳定的闲散光输出。同时，调节 种子光的入射角度将会得到宽带可调谐、c e p 稳定的超短激光脉冲。 第一章引言 5 、在差频实现c e p 自稳定方面，我们提出并实现了利用调制上转换放大和基 频光之间的差频实现差频信号c e p 的自稳定。调制上转换放大是超连续白 光在时空耦合调制不稳定性参与的参量波混频过程中获得指数增益而得到 的放大。它的c e p 在放大过程中保持不变并且具有能量高、光斑质量好以 及频谱范围宽等优点。它与基频光之间的差频作用实现了羞频信号c e p 的 自稳定。由于调制上转换放大具有可调谐的特性，因此它与泵浦光产生的 c e p 稳定的差频信号也将是宽带可调谐的。 6 、在检测c e p 方面，我们采用了基于非麸线o p a 的f - 2 f 频谱干涉技术。这种 方法只需要约l 的单脉冲能量通过简单的装置就能够得到光谱干涉信号。 虽然无法测量到脉冲c e p 的精确值，但是测量到的干涉信号经过计算后可 以得到脉冲与脉冲之间的c e p 漂移，这已经足以说明c e p 是否稳定。 本论文的第二章对稳定和探测c e p 做了简要的介绍；第三章则分析了现有 几种放大技术对c e p 的影响，指出o p c p a 是放大c e p 稳定脉冲的最佳方法； 在第四章我们针对o p c p a 中泵浦光和种子光时间抖动影响的问题，提出并实 验实现了与种予光精确同步的泵浦源；第五章到第七章则详细介绍了我们关于 稳定超短激光脉冲c e p 的几种新方法，包括了级联o p a 的方法、基于时空耦 合调制不稳定性的方法以及泵浦光与调制上转换放大之间的差频产生的方法； 最后在第八章对稳定超短激光脉冲c e p 工作进行了展望，并对本论文的工作进 行了总结。 参考文献 1 a h z e w a i l ，l a s e rf e m t o c h e m i s t r y ”，s c i e n c e ，2 4 2 ，1 6 4 5 ( 1 9 8 8 ) 2 j a v a l d m a n i sa n d & l f o r k , “d e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o raf e m t o s e c o n dp u l s e l a s e rb a l a n c i n gs e l fp h a s em o d u l g i o n ，g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，s a t u r a b l e a b s o r p t i o n ，a n ds a t u r a b l eg a i n ”，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n 2 2 ，l1 2 ( 1 9 8 6 ) 3 d h s u a e r ，gs t e i n m e y e r , l g a l l m a n n n m a t u s c h e lf m o f i e r - g e n o u d ，u k e l l e r ,vs c h e u e r ga n g e l o w , a n dzt s c h u d i 。s e m i c o n d u c t o r s a t u r a b l e - a b s o r b e r m i r r o r a s s i s t e d k e r r - l e n s m o d e l o c k e d t i s a p p h i r e l a s e r 6 第一章引言 p r o d u c i n gp u l s e si n t h et w o - c y c l er e g i m e ，o p t l e r 2 4 , 6 3 1 ( 1 9 9 9 ) 4 u m o r g n e r , f x k r t n e r , s h c h o ，yc h e r t ，h a h a u s ，j gf u j i m o t o , e e l p p e n 。vs c h e u e r ga n g e l o w , m a dt t s c h u d i ，“s u b - t w o - c y c l ep u l s e s f r o ma k e r r - l e n sm o d e - l o c k e dt i s a p p h i r el a s e r , o p t l e t t 2 4 ，4 11 ( 1 9 9 9 ) 5 m t a s a k i ，c h u a n g ，d g a r v e y , j z h o u , h c k a p t e y n , a n dm m m u r n a n e ， g e n e r a t i o no f11 f sp u l s e sf r o mas e l f - m o d e - l o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r ，o p t l c r 1 8 , 9 7 7 ( 1 9 9 3 ) 6 g s t e i n m e y e r , d h s u r e r , l g a l l m a n n , n m a t u s e h e k , u k e l l e r , f r o n t i e r s i nu l t r a s h o r tp u l s eg e n e r a t i o n ：p u s h i n gt h el i m i t si nl i n e a ra n dn o n l i n e a r o p t i c s , s c i e n c e2 8 6 ，1 5 0 7 ( 1 9 9 9 ) 7 s s a r t a n i a , z c h e n g ，m l e n z n e r , gt e m p e a , c h s p i e l m a n n ，f k r a u s z , a n dk f e r e n c z , g e n e r a t i o no fo 1 t w 5 - f so p t i c a lp u l s e sa ta1 - k h zr e p e t i t i o nr a t e ”。 o p t l e t t 2 2 ，1 5 6 2 ( 1 9 9 7 ) 8 a p o p p e , gt e m p e a , c s p i e l m a n n , t u d e m ，h o l z w a r t h ，t w h 1 1 n s c h ，a n d f k r a u s z , c o n t r o l l i n gt h ep h a s ee v o l u t i o no ff e w - c y c l el i g h tp u l s e s , p h y s r e v l e t t 8 5 ，7 4 0 ( 2 0 0 0 ) 9 m d r e s c h e r ，m h e n t s c h e i r k i e n b e r g e r , gt e m p e a , c ，s p i e l m a n n , ga r e i d e r , pb c o r k u m ，a n df k r a u s z ，“x r a yp u l s e sa p p r o a c h i n gt h ea t t o s e o o n d f r o n t i e r ，s c i e n c e2 9 1 ，1 9 2 3 ( 2 0 0 1 ) l o a b a l t u g k a , t u d e m ，m u i b e r a c k e r ，m h e n t s c h e l ，e g o u l i e l m a k i s , c g o h l e ， rh o l z w a r t h 。虻s y a k o v l e v , a s c d n z i ，z 彤h a n s c h ，a n dek r a u s z a r o s e c o n dc o n t r o lo f e l e c t r o n i cp r o c e s s e sb yi n t e n s el i g h tf i e l d s ，n a t u r e4 2 1 ， 6 l l ( 2 0 0 3 ) 11 j r e i c h e r t , i lh o l z w a r t h ，t u d e m ，a n dt w h i i n s c h ，“m e a s u r i n gt h e f r e q u e n c y o f l i g h t w i t h m o d e - l o c k e d l a s e r s ，o p t c o m m u n 1 7 2 ，5 9 ( 1 9 9 9 ) 1 2 r h o l z w a r t h ，t u d e m ，t wh i i n s c h ，j c k n i 曲t ，w j w a d s w o r