（光学专业论文）超短脉冲激光倍频技术研究.pdf

四川大学硕士学位论文超短脉冲激光倍频技术研究光学专业研究生：韩耀锋指导老师：蔡邦维张彬大多数超短脉冲激光器输出波长范围均集中在近红外和中红外波段，丽短波长宽频带超短脉冲激光具有更大的应用潜力。目前，获得短波长超短脉冲激光行之有效的方法是对输出超短脉冲激光进行频率转换，而超短脉冲倍频技术作为实现短波长超短脉冲激光的关键技术得到了人们广泛的关注。在超短脉冲激光倍频技术研究中，倍频转换效率和倍频光的光束质量这两个问题一直是研究的核心内容。为了改善倍频光光束质量和提高倍频转换效率，对影响倍频转换效率和光束质量的物理因素进行深入研究是十分必要的。本文围绕超短脉冲激光倍频技术的f 丙个核心问题转换效率和光束质量开展研究工作，主要内容包括以下几个方面：1 建立了完整的超短脉冲激光二倍频和单块晶体三阶非线性效应产生三倍频的物理模型，主要考虑了群速度失配、群速度色散、自相位调制和交叉相位调制、晶体吸收等多种物理因素，编制了超短脉冲倍频数值模拟程序，并验证了所编制程序的正确性和可靠性。2 研究了超短脉冲激光在k d p 晶体中的二倍频过程，详细分析了入射基频光脉冲宽度、功率密度、倍频晶体厚度、三阶非线性效应等因素对二倍频过程中光脉冲波形、频谱分布以及倍频转换效率的影响。3 研究了由单块b b o 晶体三阶非线性效应产生三倍频的物理过程，分析了在超强超短脉冲激光输入条件下，群速度失配、群速度色散、三阶非线性效应等物理因素对三倍频转换效率和光束质量的影响。4 提出了利用初始角度失谐和基频光频率啁啾的方法来补偿倍频过程中由三阶非线性效应引起的位相失配，改善输出光脉冲形状，提高倍频转换效率。叫川人学瑚i 学位论丈5 在中国工程物理研究院s l l e x i 超强超短脉冲钛宝石激光装置上丌展了超短脉冲激光辐照下k d p 晶体的损伤实验以及超短脉冲激光二倍频实验，并对实验结果进行了分析和讨论。关键词：超短脉冲激光频率转换光束质肇转换效率n阴川尺学颂i 。学位论文s t u d yo nt e c h n o l o g yo fh a r m o n i c sg e n e r a t i o no fu l t r a - s h o r tl a s e rm a j o ro p t i c sp o s t g r a d u a t ey a of e n gh a nd i r e c t o rb a n gw e ic a ib i nz h a n gm o s to fw a v e b a n do fu l t r a - s h o r tl a s e ri sc o n c e n t r a t e0 1 1m i d - i n f r a r e da n di n f r a r e d ，b u tt h e r ea r em o l ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fs h o r t - w a v e l e n g t ha n db r o a d b a n df r e q u e n c yl a s e r a tp r e s e n t ，t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ni sa l la c c e s s i b l ew a yt oo b t a i ns h o r t - w a v e l e n g t hu l t r a s h o r tl a s e r t h e r e f o r e ，h a r m o n i cg e n e r a t i o nh a sb e e ns t u d i e dw i d e l ya sac r i t i c a lt e c h n o l o g yi nt h er e s e a r c ho fs h o r t - w a v e l e n g t hu l t r a - s h o r tl a s e r t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dt h eb e a mq u a l i t ya r ct w om a i nc o n t e n t si nr e s e a r c ho fh 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 tl a s e r i no r d e rt om c r e a s ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n di m p r o v et h eb e a mq u a l i t y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h ep h y s i c a lf a c t o 硌a f f e c t i n gt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fh a r m o n i cg e n e r a t i o na n dt h eb e a mq u a l i t yo fh a r m o n i cg e n e r a t i o nf i e l d f o rt h e s er e a s o n s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n db e a mq u a l i t y t h em a i nr e s u l t so b t a i n e dh e r ec a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：1 t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ef r e q u e n c yd o u b l i n ga n dt r i p l i n gi nas i n g l ec r y s t a lo fu l t r a s h o r tl a s e r , w h i c hi n c l u d e sg r o u p - v e l o c i t ym i s m a t c ha n dd i s p e r s i o n ，s e l f - a n dc r o s s p h a s em o d u l a t i o n s ，a n dt h ea b s o r p t i o no fc r y s t a le t c ，h a sb e e nb u i l tu p t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nc o d eo fh a r m o n i cc o n v e r s i o no fu l t r a s h o r tl a s e rh a sb e e ng i v e na n dv e r i f i e dt os h o wt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo u rc o d e 2 s 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 tl a s e ri nk d pc r y s t a lh a sb e e ns t u d i e d t h ee f f e c t so ft h ep u l s ew i d t h a n di n t e n s i t yo ff u n d a m e n t a lf i e l d ，t h e1 1 1f l f l 大学硕 学位论文t h i c k n e s so fc r y s t a l ，t h i r d o r d e rn o n l i n e a re f f e c to np u l s es h a p ea n ds p e c t r u md i s t r i b u t i o no fs e c o n dh a r m o n i cf i e l d ，a sw e l la sc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw e r ed i s c u s s e d 3 t l l i r d h 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 tp u l s ei nas i n g l eb b oc r y s t a lh a sb e e ns t u d i e d n ee f f e c t so fg r o u p - v e l o c i t ym i s m a t c h ，g r o u p - v e l o c i t yd i s p e r s i o na n dt h k d o r d e rn o n l i n e a re f f e c to nc o n v e r s i o ne f f i d e n c ya n db e a mq u a l i t yh a v eb e e na n a l y z e d 4 i no r d e rt oi m p r o v et h ep u l s es h a p ea n di n c r e a s et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ,t w om e t h o d s ，i e ，i n i t i a lp h a s e - m i s m a t c ha n dc h i r p e dp u l s e ，w h i c hc a nc o m p e n s a t ef o rt h et h i r d o r d e rn o n l i n e a re f f e c t s ，h a v eb e e np r o p o s e d 5 t h ee x p e r i m e n t so ft h es 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 tl a s e ra n dt h ed a m a g et h r e s h o l do fl pc r y s t a lh a v eb e e na c c o m p l i s h e do ns i l e x il a s e rd e v i c e t h ee x p e r i m e n t mr e s u l t sh a v eb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d u l t r a - s h o r tl a s e lf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，b e a mq u a l i t y ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y四川犬学项十学 c ，论文第一章：引言1 1 超短脉冲激光的应用激光技术自产生以来，就一直朝着高功率、短脉宽，宽波长调谐范围、小型化及全固化的方向发展。超短脉冲激光是近年柬激光技术发展为人类提供用于科学研究最强有力的新工具之一。超短脉冲激光是指脉冲宽度在皮秒到飞秒乃至阿秒范围内的脉冲激光。超短脉冲激光技术通常是指脉冲宽度为皮秒( 1 0 1 2 s ) 、飞秒( 1 0 。1 5 s ) 【1 1 姗( i o - 1 8 s ) t 1 。1 4 1 级的激光脉冲的产生、放大及测量等相关技术。超短脉冲激光技术以其自身特殊的特点及其广泛的应用得到了飞速的发展，使得越来越多的研究工作都要以它作为研究工具和手段。其应用主要体现在以下几个方面：由于超短脉冲激光提供了极高的时间分辨率和极宽的光谱分布范围，使人们提高了对物质瞬间变化过程的认识。人们将其作为光源形成了多种时日j 分辨光谱技术和泵浦探测技术，将其应用于物理、生物、医学、化学、超精密机械加工以及大容量信息存储与记录等领域的研究。例如，物质是由原子或是分子组成，而原子又包括原子核及绕核高速旋转的电子，这足物质组成的基本结构。长久以来，商分辨率技术虽然有了较大的发展，但在很长一段时间内，由于缺乏有效的物理手段，使人们无法对构成物质的微观粒子的高速运动过程及超快过程进行研究。飞秒超短脉冲激光的出现，才使得这一状况发生了根本变化。人们借助于飞秒激光技术能够俘获到原子的、电子层面上的超快过程，使得人们对物质的微观结构有了更为直观的认识。飞秒超短脉冲激光技术发展的同时也导致了一些新兴学科的出现，诸如飞秒x 射线，飞秒光电子学，飞秒半导体物理及飞秒光谱全息学，飞秒激光的谐波转换、飞秒等离子体物理等等。短脉冲激光的获得不仅是在时间上的压缩，而且，其能量也被压缩到极窄的脉宽内，因此，超短脉冲激光具有高能量、高峰值功率的特点。其聚焦后产生的光场强度可商达l o 那w c r a 2 ，甚至1 0 z 哳，c m 2 量级，使得激光电场数百倍甚至数百万倍于原子内电场，从而能够产生极端的物理条件，这就给强场物理的研究提供了许多可以实现的极端研究条件 1 5 , l 6 】。同时，还衍生出了诸如实验州川人学唢i 学位论文室天体物理学1 1 7 1 、x 射线波段的超高次谐波【1 “1 0 1 、商能量密度物理学、重元素在强场下的快速电离、x 射线激光【1 1 1 小1 2 1 ，新型粒子加速器f 1 1 3 1 等新兴学科。在超强超短激光所创造的极端物理条件下，人们观察到了许多奇特的现象，例如，气念、液态、固体物质瞬息间变为等离子体，等离子体辐射出短至软x 射线等各种频率的激光可以在几十米内将电子柬加速到世界上最大的加速器所能达到的能量。激光核聚变研究对解决未来能源问题具有重大意义，因此。超短脉冲激光技术的飞速发展还主要得益于激光核聚变快点火研究的需求。美国劳仑兹一利弗奠尔国家实验室( l l n l ) 于1 9 9 3 年提出了“快点火”概念 1 1 4 , 1 1 5 】，即当靶丸燃料被均匀压缩到一定的密度时【1 6 1 ，用一束短脉冲强激光打靶，产生一个穿越等离子体冕区的通道，随后，再用一束超短脉冲激光通过前面产生的通道直达压缩燃料的附近，并在此产生兆电子伏量级的高能电子，这些电子穿过压缩气体进入中心，使温度很快升高点火并燃烧。“快点火”有着预压缩度低，对流体力学不稳定性不敏感，所需能量少，增益更高的特点，是聚变点火的有效途径之一。激光核聚变快点火新方案作为一种极其重要的聚变点火方案，在国际上受到广泛重视，从而也大大促进了超短脉冲激光的飞速发展。短脉冲激光的另一个重要的应用是在工业超精细加工和在医学中的使用。在医学上，由于超短脉冲激光对人体组织损伤较小，不会产尘手术后遗症，因此，可以用束做成精密手术刀，用于视力矫正手术和肿瘤切割手术中。在精密机械工业中，超短脉冲激光具有独特的材料加工特性，可使加工孔径的熔融区很小甚至没有，从而可用于半导体、会属、生物组织等微机械加工和雕刻中。综上所述，超短脉冲激光技术的发展不仅为人类提供了认识自然探索微观世界的重要手段，州时也将光与物质相互作用所呈现的 # 线性效应带到了前所未有的领域。它以其广泛的应用备受人们青睐，并不断促使各国的科学家们采用各种方法和手段柬实现脉冲更短、峰值功率更高、频带更宽、体积更小的激光光源。1 2 超短脉冲激光技术发展历程超短脉冲激光技术的发展主要经历了三个阶段的技术革新：调0 激光技术2州川1 人学硕i 。学位论文阶段、锁模激光技术阶段、啁啾脉冲放大( c p a ) 技术阶段7 1 。1 9 6 1 年，仅在世界上第一台红宝石激光器问世后的一年，人们就通过凋q技术将激光脉宽从最仞的1 0 。s 量级降到了1 0 。8 s 量级，并获得了峰值功率为1 0 6 w c m 2 的激光输出。此后，调q 技术的不断改进使得激光脉宽继续得到压缩，这一阶段激光脉冲脉宽已达到纳秒量级( 1 0 r 9 1 0 1 0 s ) ，属于超短脉冲激光技术的初始阶段。1 9 6 4 年产生了世界上第一台锁模激光器。随后，锁摸技术进一步使输出脉冲宽度得以减小，同时，激光峰值功率得以提高，从而使超短脉冲激光研究得到了迅速发展。到了7 0 年代，锁模技术的应用使脉冲宽度又缩短了近三个量级( 1 f f l l 1 0 _ 1 2 s ) ，峰值功率提高到了1 0 9 w c n l 2 ，进入了超短脉冲范围。7 0 年代中后期出现了对撞锁模环形染料激光器，使激光脉冲的宽度进入飞秒范围。到了8 0 年代，对掩锁模环形染料激光器的脉宽达到了2 7 f s l l 一a l 。8 0 年代中期，我国西安光机所的陈国夫研究员利用染料激光器获得了1 9 f s 的激光脉冲输出，创造了当时的世界纪录。9 0 年代初，随着掺钛蓝宝石晶体的研制成功，丌始出现自锁模钛宝石激光器，利用g r ：y a g 产尘了6 0 f $ 的超短脉冲1 1 9 1 ，极大地促进了超短脉冲激光技术的进展。在这一时期，除钛宝石外，人们还丌发了许多新的固体激光材料，如c r ：f o r s t e 、c r ：l i s a f ，c r ：y a g 、和c r ：l i s g a f 等，这些材料均具有极宽的光谱发射范围，能够用于产生飞秒激光脉冲。在这一阶段，各种锁模方法和理论( 如主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等) 也均逐步趋向成熟，并在物理、化学、生物等领域得到了初步的应用。在锁模激光技术使激光脉宽和峰值功率分别达到了p s 量级和g w c m 2 水平之后的很长一段时日j 内，脉冲峰值功率的提高主要依靠增加光束工作口径和光束合成的方法，输出脉冲峰值功率未能得到显著提高，激光技术也一直没有重大进展。这是由于当激光强度达到g w c m 2 时，光学介质的非线性折射率系数n 2 引起了b 积分效应，导致激光发生全口径自聚焦和小尺度自聚焦，并最终损坏光学介质，从而阻碍了激光峰值功率向更高水平发展。针对上述问题，gm o u r o u l l 。2 0 l 及其合作者于1 9 8 5 年提出了啁啾脉冲放大技术( c p a ：c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 的概念，c p a 技术的应用，成功地实现了t w 量级的激光脉冲输出，其光强可以达到1 0 2 0 w c m 2 。使用c p a 技术，不仅能有效地避免强光作3四川人学颂 。学位论文用下的非线性效应，而且，还可以有效提取能量并获得最大的能鼍密度。网时，c p a 技术也适用于大型装置，成为产生超短脉冲提高峰值功率的摹命性技术。它在调q 和锁模的基础上，大幅度地提高了激光器的输出峰值功率，成为目前产生超强超短激光脉冲最有效的技术手段。利用超短超强脉冲激光与惰性气体作用，产生高次谐波可获得阿秒脉冲激光输出，使得激光脉冲宽度又缩短了三个量级( 1 0 - 1 8 s ) 。来自奥地利维也纳技术大学，加拿大国家研究中心和德国比利斐尔德大学的研究人员在n a t u r e 上报道了他们产生了6 5 0 a s 的脉冲激光的实验成果1 1 2 。纵观超短脉冲技术发展的几个阶段，在短短的几十年内，已将超短脉冲宽度压缩了将近1 0 个量级。极短脉冲激光在超快化学过程、生物与强场物理研究、瞬态高速摄影、超高速通信方面的应用等领域正发生着不可替代的作用。与此相应，激光脉冲的峰值功率也变得越来越高。如果将放大后的激光束进行聚焦，其峰值功率又将提高几个数量级，具有如此商的峰值功率的激光脉冲将在受控核聚变、激光与物质相互作用、离子体物理、相对论等基础科学研究，激光精密机械加工以及其它领域中得到更广泛的应用。1 3 产生超短脉冲激光的革命性技术一啁啾脉冲放大技术啁啾脉冲放大技术是超短脉冲激光技术发展史上的一个罩程碑，它使得超短脉冲激光技术产生了革命性的飞跃。其基本原理为：先将宽频带超短激光脉冲振荡器输出的飞秒激光脉冲通过一个色散延迟元件( 展宽器) ，使之在时域上展宽成为几百皮秒或足纳秒级的长脉冲，以便于脉冲放大过程中其峰值强度低于激光介质的破坏阀值。然后，再使其经过多级放大器，啁啾脉冲经过放大介质时，充分地提取了增益介质中的储能并有效地抑制 线性效应和介质破坏。当获得足够的脉冲能量后，再让能量大幅度得以提高后的长脉冲通过一个共轭色散补偿的光学元件( 压缩器) ，将长脉冲压缩回至其初始的脉宽值。于是，可以获得大能量和高峰值功率的超短超强的激光脉冲。目前，基于啁啾脉冲放大技术原理的各种超短激光装置相继产生，其性能也得到了不断完善和改进，出现以钕玻璃作为放大介质和以钛宝石作为放大介质的两种类型的激光系统。前者主要用于快点火研究需要，后者主要用于强场4阴川人学颂 学付论文物理的研究。但无论足哪类激光系统，其c p a 系统均主要包括飞秒脉冲激光振荡器、脉冲展宽器、再生放大器、多通功率放大系统、压缩器等五个基本单元。系统原理示意如图1 4 所示。图1 4c p a 系统结构示意图飞秒激光振荡器：用于产生种子光。常用的飞秒脉冲激光振荡器主要是由氩离子或半导体激光器泵浦的自锁模钛宝石激光器。自锁模原理是基于自聚焦效应，即在足够高的泵浦强度下，使泵浦光与介质相互作用产生自聚焦效应，导致晶体内某个区域功率密度高于可饱和强度，介质呈现出可饱和吸收特性。来自外界的扰动引起振荡，当脉冲通过饱和状态的增益介质时，前后沿被消减，峰值部分得到增强，从而使脉冲静后沿受到有效拟制，峰值部分变得越来越强，最终，输出一个脉宽极窄的超短脉冲。脉冲展宽器：主要是对超短脉冲起到色散延迟的作用。目i ；i ，展宽器普遍采用m a r t i n e z 型光栅一望远镜系统，采用此结构的展宽光栅对与压缩光栅对提供的色散完全匹配，展宽倍数可以达到1 0 5 ，是一种较为理想的展宽系统。再生放大器：由两个端镜构成的谐振腔以及腔内的偏振片、激光头和两个普克尔盒构成。其作用是让待放大的种子光多次通过增益介质，充分提取介质中的储能，它很适合于放大弱信号光而获得高增益，通常用来作为i j 置激光放大器。多通功率放大器：主要用来对脉冲进行多通放大，进一步提商脉冲的能量。为了避免再生放大器谐振腔引起的种子脉冲泄漏现象，提高脉冲的信噪比，功率放大系统一般采用非共线多通放大结构型。为了提高激光增益和避免光学介5叫川人学颂1 学位论史质损伤，一般采用双面泵浦的方式。压缩器：将放大后的脉冲压缩使其脉冲恢复到初始宽度。压缩器一般由两个平行放霞的光栅对构成。其基本的原理与展宽器相同，不同的足压缩器需提供的色散与展宽器相反( 展宽器提供正色散、压缩器提供负色散) 。目静，c p a 系统在集成创新上已经有了很多突破，在关键技术上也有诸多创新其相关技术只趋成熟。表1 2 列出了世界上已建和在建的百太瓦级激光装胃。表1 2 世界各国的超短激光装置“捌圈家实验室装置脉宽( f s )功率( t w )密度( w ，2 )运行年限l l n lj a n u s p7 5 8 02 0 02 x 1 0 2 12 0 ( ) o美国l l n lf a l c o n3 01 0 0在建u c s d2 2 2 56 05 x 1 0 1 91 9 9 9r 本j a e r lp w3 2 95 5 01 0 2 l撇法国l o a2 51 0 01 0 2 02 0 0 2德国m b i4 01 0 0在建中国c a e p4 0 - 6 0 1 0 01 0 2 02 0 0 3我国在研究极端物理状态的超强超短激光装置领域已经取得了一些成果。国内第一台输出功率达3 0 0 t w 的超高功率钛尘石激光装置装置于2 0 0 4 年初在中国工程物理研究院建成，至今已为物理实验提供了多轮打靶运行，经受住了长时间高功率输出的考验，是国际上唯一能够稳定运行于百t w 输出功率的飞秒激光装置。这套激光装置总体设计精心集成了许多飞秒激光技术和高功率固体激光技术的最新研究成果，总体性能和技术指标达到国际领先水平。创建了脉冲压缩系统精确调整的新技术手段，首次将光束超高斯整形和像传递技术引入到飞秒激光系统，获得了国际同类激光装置中最好的光束聚焦特性和脉冲压缩特性。该装置具有5 t w 、3 0 t w 、3 0 0 t w 三级输出能力，每级都配有实验靶室，可以满足多种应用研究的不同需求。国际上仅有少数几个实验室具备研制输出功率达数百t w 的超高功率钛七石激光装置的技术基础与能力。这台装置6l t l r f 人学硕卜学位论文的研制成功和稳定运行，表明我国在高功率超强超短脉冲激光总体技术与工程研究方面已跨入世界前列。1 4 超短脉冲激光谐波转换技术研究现状及涉及的主要问题目前，现有的各种固体超短脉冲激光器输出波长范围大部集中在近红外和红外波段，如石榴石为1 3 6 0 n m 1 5 7 0 n m ，镁橄榄石为1 2 0 0 n n l 1 3 6 0 r i m ，钛宝石为7 0 0 n m 9 0 0 n m 等【1 2 3 】。然而，在实际应用中，超短紫外光脉冲以其短波长的特点有着更高的利用价值，而常规超短脉冲激光器输出波长已不能满足采用短波长进行研究和应用的需求。为了进一步扩展超短脉冲激光应用的波长范围，需要对现有的超短脉冲激光系统输出激光进行频率转换。对于连续波或者是长脉冲丽占，频率转换的理论和实验技术均已经相当地成熟。然而，对于超短脉冲激光，由于具有较宽的频谱范围，其频率变换过程对非线性晶体的色散效应比较敏感。色散引起的群速度走离不仅可以展宽脉冲，而且还会大大降低频率转换效率。同时，在超短脉冲较高的功率密度下，易产生诸如自相位调制、交叉相位调制以及自聚焦等一系列非线性效应，从而会恶化脉冲波形，降低频率转换效率。因此，对超短脉冲激光频率转换技术的研究显得尤为重要。超短脉冲激光倍频研究是目前激光频率转换研究热点之一。在激光频率转换研究方面，美国哈佛大学的j a a r s t r o n g 于1 9 6 2 年用量子理论分析了晶体中二、三次谐波产生的机理，给出了平面波的谐波转换耦合波方程组及其在小信号下的解析解1 1 2 4 1 。1 9 8 1 年，美国科学家r s c r a x t o n 提出了k d p 晶体三倍频的平面波数值计算模型【1 笛1 ，其数值计算结果与实验结果非常吻合，从而广泛得到使用。1 9 9 5 年，美国科学家d e i m e r l 提出了比较完整的三倍频数值计算模型，考虑了空间离散效应、近轴衍射、晶体吸收、入射激光场振幅和位相扰动等因素的影响l l 弧1 。对于超短脉冲激光频率转换，由于考虑到了其具有较宽的频谱宽度以及较高的功率密度，美国的j m a u e r b a e h 1 2 9 1 在谐波转换计算模型中进一步考虑了群速度走离、群速度色散以及三阶 e 线性效应引起的自相位调制和交叉位相调制等因素对谐波转换效率的影响。美国的psb a n k s t “3 0 j 针对由单块b b o 晶体三阶非线性效应直接产生三倍频过程丌展了理论及实验研究。psb a n k s 在实验7叫川人学硕寸学位论文研究中，利用功率密度为2 0 0 g w c m 2 的输入基频光得到了6 的三倍频转换效率。同一时期，我国长春光机所的张铁军在只本也对超短脉冲激光二倍频【1 3 n 、三倍频【1 3 2 l 、四倍频【1 。3 3 】等不同频率转换过程作了较为详细地理论分析和研究。a u d r i u s d u b i e t i s 1 矧对k d p 晶体级连形式的三倍频作了理论模拟和实验研究。i l d a rab e g i s h e v l l 3 5 针对基频光波长为8 0 0 r i m 的钛宝石超短脉冲激光二倍频作了理论和实验研究。u d a rab e g i s h e y 在输入基频光脉冲宽度为5 0 f s 、能量为3 5 0 n d 时获得了4 0 的倍频转换效率的实验结果。此外，我国的上海光机所强场激光物理国家重点实验室和中国工程物理研究院超强超短激光国家实验室也丌展了大量超短脉冲激光倍频实验研究工作。对于激光的频率转换过程，只有当满足相位匹配条件时，光参量相互作用彳能有效的发生。由于超短脉冲具有较宽的光谱范围，而各个频率成分在晶体中传输的速度不同，就会在一定程度上造成基波与谐波在时间上的延迟，从而导致频率转换效率显著下降。针对长期以来超短脉冲谐波转换中面临的频谱宽、允许频率转换波长受限的问题，人们提出了许多解决方法，例如，角度色散补偿【1 - 3 6 1 ；啁啾匹配型三次谐波转换【1 研；采用多块晶体串接 1 3 5 j 3 9 l ；准相位匹配倍频技术【1 加l 等。同时，由于超短脉冲具有较高的峰值功率，它在晶体中传输时会产生一系列 线性效应，使其频率转换过程不仅受到群速度失配的影响，还受到三阶非线性效应的影响。三阶非线性效应引起自相位调制和交叉相位调制会严重导致相位失配，使频率转换效率明显下降，脉冲波形和光谱分布严重畸变等。近年来，随着超短激光脉冲倍频物理模型的完善以及试验手段的提高，其研究的问题主要集中在寻找好的倍频方案和手段用来提高倍频转换效率、改善倍频光束质量、实现宽频带激光倍频、准相位匹配变频技术等，理论及工程化实验研究几个方面。1 5 本论文的研究意义和内容安排超短脉冲激光频率转换技术是扩展超短脉冲激光器输出波长范围的有效途径之一。在超强超短激光脉冲频率转换过程中，影响倍频光光束质量和转换效率的因素很多。频率转换过程中存在的自相位调制、交叉相位调制、群速度8l ，i i 川人学硕i 学位论文失配、群速度色散等均对倍频光脉冲波形、频谱分布以及频率转换效率存在较大的影响。因此，寻求提高频率转换效率和改善光束质鼍的方法具有莺要的应用价值。本论文主要是针对超短脉冲激光二倍频和由单块晶体三阶非线性效应产生三倍频的物理过程作了系统的分析，详细讨论了自相位调制，交叉相位调制、群速度失配、群速度色散等诸多因素对倍频转换效率和光束质量的影响。在此基础上，提出了提高倍频转换效率和光束质璧的方法。全文内容安排如下：第一章：引言简要介绍了超短脉冲激光的应用、发展历程以及所涉及的关键技术。综合分析了超短脉冲频率转换技术的研究现状及存在的主要问题，由此得出本论文的研究意义，并给出了本论文的主要内容及安排。第二章：超短脉冲谐波转换物理模型及计算程序校核建立了超短脉冲二倍频物理模型和由单块晶体三阶非线性效应产生三倍频光的物理模型，编制了超短脉冲激光谐波转换模拟程序，并对程序进行了校核，验证了其正确性和可靠性。第三章：超短脉冲激光二次谐波转换分析计算模拟了超短脉冲激光二倍频过程，分析了影响超短脉冲二倍频转换效率的主要因素，提出了利用初始角度失谐和基频光脉冲频率啁啾的方法来改善倍频光脉冲波形和提高倍频转换效率。第四章：超短脉冲激光三次谐波转换过程分析研究了基于三阶非线性效应的单块晶体三倍频物理过程，讨论了影响谐波转换效率和光束质量主要因素，同时，给出了初始角度失谐和基频光频率啁啾对改善倍频光脉冲波形和提高倍频转换效率的定量分析结果。第五章：超短脉冲激光二倍频实验研究在中囡工程物理研究院s i l e x i 超强超短脉冲钛宝石激光装置上丌展了k d p 晶体的损伤实验以及超短脉冲激光二倍频实验研究，并对实验结果进行了分析讨论。第六章：全文总结对本论文的工作进行总结，并指出需要进一步丌展的研究工作。9叫1 1 1 人学硕f 学位论文参考文献：1 1 侯洵，瞬态光学及其进展，河南大学学报自然科学版，2 0 0 2 ，3 2 ( 1 ) 。p l1 2hn i i k u r a , rh a s b a n i ，s u b l a s e r - c y c l ee l e c t r o np u l s e sf o rp r o b i n gm o l e c u l a rd y n a m i c s ，n a t u r e ，4 1 7 ，2 0 0 2 ，9 1 7 9 2 21 3 曾志男，走向阿秒前沿的x 光脉冲，激光与光电子学进展，2 0 0 2 ，3 9 ( 1 2 )1 4 曾志男，从飞秒化学到阿秒物理学，激光与光电子学进展，2 0 0 2 ，3 9 ( 8 )l 5p e r r ymd ，t h ea m a z i n gp o w e ro ft h ep e t w a t t ，s c i e n c e & t e c h e n o l o g y , 2 0 0 0 ，41 6h e l l e r 九j a n u s po p e n sn e ww o r l do fp h y s i c sr e s e a r c h , s c i e n c e & t e e h e n o l o g y ,2 0 0 0 ，2 51 7rw a g n e r , syc h e r t , e l e c t r o na c c e l e r a t i o nb yal a s e rw a k e f i e l di nar e l a t i v i s t i c a l l ys e l f - g u i d e dc h a n n e l ，p h y s ，r e v , l e t t ，1 9 9 7 ，7 8 ：3 1 2 5 - 3 1 2 81 8jw o r k m a n ，am a k s i m c h u k , xl i u ，c o n t r o lo fb r i g h tp i c o s e c o n dx r a ye m i s s i o nf r o mi n t e n s es u b p i c o s e c o n dl a s e r - p l a s m ai n t e r a c t i o n s ，p h y s ，r e v , l e t t ，1 9 9 5 ，7 5 ：2 3 2 4 2 3 2 71 9j 1m a c k l i n ，】dk m e t e c 。h i g h e ro r d e rh a r m o n i cg e n e r a t i o nu s i n gf e m t o s e c o n dp u l s e s ，p h y , r e v , l e t t ，1 9 9 3 ，7 0 ：7 6 6 7 6 9l 1 0dv o n d e rl i n d e ，g e n e r a t i o no fh i g ho r d e ro p t i c a lh a r m o n i c sf r o ms o l i ds u r f a c e s ，a p p l ，p h y , b ，1 9 9 9 ，6 8 ：3 1 5 3 1 91 1 ljdk m e t e e ，u l t r a f a s tl a s e rg e n e r a t i o no fh a r dx - 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f s e cp u l s eg e n e r a t i o nf o r mas e l f - m o d e l o c k e dt i ：s a p p h i ml a s e r o p t i t t ，1 9 9 1 ，1 6 ：4 2 - 4 41 2 0ds t r i c k l a n da n dgm o u r o u ，c o m p r e s s i o no fa l n p l i f i e dc h i r p e do p t i c a lp u l s e s ，o p t c o m m u n ，1 9 8 5 ，5 6 ，2 1 9 2 2 11 2 1rk i e n b e r g e lcs p i e m a n n ，a t t o s e c o n d ，m e t r o l o g y , n a t u r e ，2 0 0 1 ，4 1 4 ( 2 9 ) ：5 0 9 - 5 1 31 2 2 惯性约束聚变暑期班讲义，国家高技术8 6 3 8 0 4 主题专家组办公室，2 0 0 31 2 3 克希耐尔，固体激光工程，科学出版社，孙文，江泽文，程国祥等译1 2 4jaa r m s t r o n g , i n t e r a c t i o n sb e t w e e nl i g h tw a v e si nan o n l i n e a rd i e l e c t r i c ,p h y s i c sr e v i e w , v o l ，1 9 6 2 , 1 2 7 ( 6 ) ：1 9 1 81 2 5rsc r a x t o n , h i # e f f i c i e n c yf m q u e n c yt r i p l i n gs c h e m ef o rh i g h - p o w e rn d ：g l a s s ，i e e ejq e ，q e 一1 7 ，n o 9 ，s e p t ，1 9 8 1 ，p1 7 7 11 2 6d e i m e r l ，j m a u e r b a c h ，e w m i l o n n i ，p a r a x i a lw a v et h e o r yo fs e c o n da n dt h i r dh a r m o n i cg e n e r a t i o ni nu n i a x i a lc r y s t a l s i n a r r o w b a n dp u m pf i e l d s j o u r n a lo fm o d e r no p t i c s ，1 9 9 5 ，4 2 ( 5 ) ：1 0 3 7 - 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