（光学专业论文）超短脉冲激光在二阶非线性介质中的时空调制及其应用.pdf

论文摘要 超短激光脉冲在正常色散的二阶非线性介质中传输过程中，在级联二阶非 线性效应以及衍射、色散等线性效应的相互作用下，输入脉冲的波包能自发转 化为x 光子弹。所谓“光子弹”即输出脉冲在时自j 和空间维度被极大的压缩且在 传输过程中能保持脉冲包络的形状不变。而) ( 是指其时空频谱的特征曲线为 一系列双曲线。x 光子弹可以广泛的应用于光激发粒子加速、光信息存储、光 信息传输以及紫外阿秒脉冲产生等领域。此外，x 光子弹的优良的可调谐性使 得它有可能成为在量子相干控制技术中理想的光源。 本论文主要围绕二阶非线性介质中x 光子弹的产生条件以及光强、相位失 匹、群速度失匹、衍射不对称等参数对x 光子弹的调制作用展开了详细讨论。 论文的主要内容包括： 1 以正常色散的b b o 倍频晶体为原型，建立了超短脉冲激光传输的三维理论 模型。综合考虑了衍射、色散、群速度失匹等线性效应和二阶非线性效 应。编写了能够数值求解三维激光脉冲传输模型的软件。数值模拟显示入 射的高斯型光束能够自发的转化为x 光子弹。并得出了x 波产生的必要条 件：1 入射激光能量足够大。2 入射脉宽足够短。3 合适大小的自聚焦类型 的相位失匹。 2 研究了x 光子弹在不对称衍射情况下的稳定性。发现了在输入椭圆光束导 致的衍射不对称情况下，选择合适的相位失匹以及光强等参数，x 光子弹 仍能稳定存在而不发生分裂。输入的椭圆高斯光束演化为椭圆的x 光子 弹。并提出稳定传输的机制：脉冲传播过程中产生类似于波导功能的虚拟 光纤通道能够对光脉冲起到束缚的作用。 3 研究了谐波间群速度失匹对x 光子弹的调制作用。发现了在合适的相位失 匹和入射光强等参数条件下，基波和一部分二次谐波能够克服群速度失匹 而形成移动的x 光子弹。群速度失匹的调制作用使基波和二次谐波的频谱 都发生了显著的频移，频移方向决定于相位失匹类型以及群速度失匹的符 号。数值模拟结果显示，移动x 光子弹形成过程中能够自发产生倾斜的波 阵面，可以抵消两个谐波波包之间由于群速度不同而导致的相互吸引作 用，使得x 光子弹能够静止的在以基波群速度移动的坐标系中运动。 4 实验中观察到了x 波的产生。在合适的参数下，输出脉冲最短可被压缩到 1 5 f s 。空间上形成了与数值模拟一致的峰结构能量分布。自制的时空频谱仪 显示x 波的时空频谱具有明显的双曲线型特征。实验结果验证了数值模拟 有关椭圆x 光子弹和移动x 光子弹的结论。 5 数值模拟了光稠密三能级系统中选择性共振激发。由于光稠密介质中的偶 极一偶极相互作用，入射光场与介质相互作用时可以产生跃迁频率的移 动。频移量的大小是可以通过调节输入脉冲的包络、相位以及粒子数密度 等参数加以控制的，进而使得我们能够控制三能级系统的跃迁途径，实现 选择性激发。 关键词：级联二阶非线性效应，时空调制不稳定性，x 光子弹，不对称衍射， 群速度失匹，偶极偶极相互作用，共振选择性跃迁 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o p a g a t i o no fu l t r a - s h o r tl a s e rp u l s ei nn o r m a ld i s p e r s i v eq u a d r a t i c n o n l i n e a rm e d i a , t h ei n p u tw a v e p a c k e tc a nb es p o n t a n e o u s l yc o n v e r t e di n t ox - s h a p e dl i g h tb u l l e t s , w h e r e l i g h tb u l l e t i sak i n do fp r o p a g a t i o ni n v a r i a n tw a v e - p a c k e ta n dl o c a l i z e db o t h i n s p a c ea n dt i m e a n d ? r r e f e r st ot h eh y p e r b o l i c s t r u c t u r e ds p a t i o t e m p o r a ls p 戗2 t r u l n x s h a p e dl i g h tb u l l e tc a nb eu s e d ，f o re x a m p l e ， l i g h ti n d u c e dp a r t i c l ea c c e l e r a t i o n , o p t i c a li n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o na n d u l t r a - v i o l e n ta t t o s e c e n dp u l s eg e n e r a t i o n , e t c i na d d i t i o n , t h et u n a b i l i t yo fx - s h a p e d l i g h tb u l l e tm a k e si tb e c o m e sap o s s i b l ep u m ps o u r c ef o rq u a n t u mc o n t r 0 1 t h i sa r t i c l ef o c u s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ec o n d i t i o n su n d e rw h i c hx - s h a p e d l i g h tb u l l e t sf o r m s t o g e t h e rw i mt h em o d u l a t i o n so nt h eo u t p u tw a v e - p a c k e ti n d u c e d b yi n p u tp a r a m e t e r s ，s u c h a s p u m pi n t e n s i t y , p h a s em i s m a t c h , g r o u pv e l o c i t y m i s m a t c h ，a n da n i s o t r o p i cd i f f r a e t i o ne t c t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e db e l o w ： 1 w ee s t a b l i s h3 - dm o d e lo fu l t r a - s h o r tp u l s ep r o p a g a t i n gi nn o r m a ld i s p e r s i v e q u a d r a t i cn o n l i n e a rm e d i aw h o s ep r o t o t y p ei st y p e ib b oc r y s t a l ，a n dt h i s3 - d m o d e lc a nb en u m e r i c a l l yr e s o l v e db yo u rh o m e - m a d es o f t w a r e t h en u m e r i c a l s i m u l m i o nr e v e a l st h a tt h ei n p u tg a u s s i a nw a v e p a c k e tc a nb ec o n v e r t e di n t o x s h a p e dl i g h tb u l l e t su n d e rt h ec o n d i t i o n so f ( 1 ) l a r g ee n o u g hi n p u ti n t e n s i t y , ( 2 ) s h o r te n o u g hi n p u tp u l s ew i d t h ，a n d ( 3 ) s e l f - f o c u s i n gt y p ep h a s em i s m a t c h 晰t lp r o p e rv a l u e 2 n u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t yo fx - s h a p e dl i g h tb u l l e tw i t ha n i s o t r o p i c d i f f r a c t i o n ，w h e r ew ef i n dt h ei n p u te l l i p t i cg a u s s i a nb e a mc a nb ec o n v e r t e di n t o s t a b l ee l l i p t i cx - s h a p e dl i g h tb u l l e ta n dn ob e a ms p l i t t i n go c c u r s t h i so r i g i n a t e s f r o mt h ev i r t u a lw a v e g u i d ew h i c hf o r m sa c c o m p a n yw i t he l l i p t i cx - s h a p o dl i g h t b u l l e ta n dp r e v e n t st h ew a v e - p a c k e t sf r o ms p l i t t i n gd u r i n g p r o p a g a t i o n 3 n u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t et h em o d u l a t i o ne f f e c t so fg r o u pv e l o c i t ym i s m a t c h w e f i n dt h a tw i t hu n v a n i s h i n g g r o u pv e l o c i t y m i s m a l c i l w a v e - p a c k e t s o f f u n d a m e n t a lw a v ea n dap a r to fs e c o n dh a r m o n i cw a v ec a l ls t i l lc o m b i n et o g e t h e r i nt h ef o r mo fw a l k i n gx - s h a p e dl i g h tb u l l e t s a n dt h eo u t p u ts p e c t r u mi s s t r o n g l ym o d u l a t e d ，w h e r et h ed i r e c t i o no fs p e c t r u ms h i f t i n gi sg o v e r n e db yt h e s i g no fp h a s em i s m a t c ha n dg r o u pv e l o c i t ym i s m a t c h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n d i c a t et h a tt h es p o n t a n e o u s l yg e n e r a t e dp h a s ef r o n tt i l t i n gc a r lb a l a n c et h e a t t r a c t i n gf o r c eb e t w e c oh a r m o n i c si n d u c e db yg r o u pv e l o s i t ym i s m a t c ha n d l e a d t oz e r o v e l o c i t y ( v i e wi nr e t a r d e df r a m e ) w a l k i n gx - s h a p e dl i g h tb u l l e t s 4 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fx - s h a p e dl i g h tb u l l e t w eo b s e r v et h ec o m p r e s s i o no f o u t p u tp u l s eb o t hi nt i m ea n ds p a c ew i t hp r o p e rs e l e c t e dp a r a m e t e r s a n dt h e h y p e r b o l i cs t r u c t u r e ds p a t i o t e m p o r a ls p e c t n n no fo u t p u tw a v e - p a c k e ti s a l s o o b s e r v e dv i ah o m e - m a d es p a t i o t e m p o r a ls p e c t r o m e t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a g r e ew e l lw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ne l l i p t i ca n dw a l k i n gx - s h a p e dl i g h t b u l l e t s 5 s e l e c t i v er e s o n a n te x c i t a t i o n sc a nb er e a l i z e dw i t hu l t r a s h o r tp u l s ei na no p t i c a l d e n s ec o l l e c t i o no ft h r e e - l e v e li n d i v i d u a la t o m s ，w h e r et h en e a rd i p o l e d i p o l e i n t e r a c t i o n si n d u c ei n t r i n s i c 岫u c o c ys h i f t so ft h ea t o m i cr e s o n a n c e t h e i n t r i n s i c 呐u e n c ys h i f t i n gc a nb ec o n t r o l l e db ym o d u l a t i n gt h ew a v e p a c k e t p r o f i l ea n dp h a s eo fe x c i t a t i o np u l s e so rv a r y i n gt h ed e n s i t yo fo p t i c a lm e d i a , w h i c hw i l ll e a dt oc o n s t r u c t i v eo rd e s t r u c t i v eq u a n t u mi n t e r f e r e n c eb e t w e e n d i l l ：r e n te x c i t a t i o np a t h w a y st o w a r d sad e s i r e ds e l e c t i v er e s o n a n te x c i t a t i o n k e yw o r d s ：c a s c a d e dq u a d r a t i c n o n l i n e a r i t y , s p a t i o t e m p r o a l m o d u l a t i o n i n s t a b i l i t y , x - s h a p e dl i g h tb u l l e t , a n i s o t r o p i cd i f f r a c t i o n , g r o u p v e l o c i t ym i s m a t c h ，n e a rd i p o l e d i p o l ee f f e c t ，s e l e c t i v er e s o n a n t e x c i t a t i o n 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：拴硷日期：墨望：堡 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：旅舱 日期：竺! ：! 卫 导师签名： 日期缈 日期：丝竺z 第一章前苦 第一章前言 1 1 光脉冲的非线性压缩的研究进展 在超快超强激光技术领域，我们为得到更高能量，更短脉冲宽度的激光脉 冲而不断地努力。高能量的超短激光脉冲在很多领域都有着非常重要的作用，它 可以提高对自然界超快过程的探测精度，利用阿秒量级的激光脉冲，甚至可以 对分子原子中电子运动进行分辨测量【1 1 。如果对超短激光脉冲的相位进行控 制，就可以控制光和物质相互作用的过程和结果，这可以使我们对复杂的化学 反应进行控f 1 l j x , 3 。还有光激发粒子加速、光信息存储、光信息传输以及紫外阿 秒脉冲产生等等1 4 - 9 1 ，这些领域都需要超快超强的激光脉冲。对更高时间分辨 率，更宽光谱脉冲的需求使得激光脉冲也不断地向少周期甚至单周期方向发 展。当激光脉冲的脉冲宽度达到几个光学周期，即在时域上一个脉冲包络里只 包含几个电场振动周期时，这样的光脉冲被称为少周期脉冲( f e w - c y c l e p u l s e ) 。实际应用中不仅要求高能量的脉冲的能量在时域上尽量局域化，直至 脉冲宽度达到单周期水平，而且对激光脉冲空间质量的要求是非常高的。最理 想的光源是，在光脉冲传输过程中能实现在空间维度上不衍射，时间维度上不 色散且脉冲能量在时间空间上高度局域化。这样的激光脉冲通常也被称为光子 弹 1 0 , 1 1 1 ( 1 i g h tb u l l e t ) ，它不仅可以保证聚焦功率可以达到很高的值，而且保证 传播过程中携带的信息能够毫无失真，相比于单纯时间一维压缩的超快光脉冲 来说，三维压缩的光子弹具有更广阔的应用f ；i 景。发展出得到光子弹的简便有 效的技术，将会极大地推动诸多的领域发展。 从测不准关系我们得知，时间和频率是一对共轭量，非常短的脉冲宽度即 意味着时间非常之确定，那么就这个脉冲就具有非常宽的频谱，即脉冲需要包 含很宽的频谱范围。所以要得到超短脉冲，首先必须拓展激光脉冲的频谱。其 次，我们还必须保证脉冲中各个频谱成分的位相关系保持一致，即所谓的转换 极限光。如果脉冲包含了复杂的啁啾结构，其脉冲宽度也会随之增加，所以通 第一章前言 常会采用色散补偿元件来补偿非线性过程或光学元件带来的色散u 2 0 1 。所以就 激光脉冲的时域上压缩而言，展宽脉冲频谱，并对展宽频谱后的脉冲进行色散 补偿是有效的手段之一。在某些非线性过程中，频谱展宽和色散补偿都可以自 发进行，即脉冲的自压缩，这种简单有效手段大大简化了压缩脉冲的装置，也 是脉冲压缩研究领域的一个重要研究方向。 迄今为止，多种脉冲的频谱展宽技术已被发展出来。例如光参量发大技 术，利用非线性介质中自相位调制效应的频谱展宽技术等。总的看来，超宽带 光谱的产生主要是通过光与物质的非线性相互作用来实现的。而非线性材料的 选择也是多种多样，如充惰性气体的空心单模光纤【2 m 6 1 ，光子晶体光纤2 o l ， 惰性气体 3 1 - 3 9 ，玻璃等三阶非线性介质，也有选择二阶非线性介质的【4 0 4 5 1 ，如 b b o ，l b o ，p p l n 等。这些材料各有特点，其中脉冲压缩的物理机制和压缩 效果也不尽相同。如本文主要讨论二阶非线性介质，由于脉冲传输过程中同时 存在基波和二次谐波，在合适的条件下，两个谐波脉冲之间可存在强烈的耦 合，输出脉冲会受到非常强烈的非线性相位调制作用。这可以很好地展宽脉冲 频谱并有可能实现色散的自补偿，使得输出脉冲直接自压缩到单周期水平。同 时，光脉冲在空间上也会发生与时域内相似的过程而被强烈压缩，最终形成了 时问空间高度局域化且传输不变的双色光子弹。目前，在二阶非线性介质中寻 找光子弹是超快光学领域研究的热点之一。 如果展宽频谱后的脉冲包含复杂的啁啾结构，一般需要使用脉冲压缩装置 进行补偿，例如棱镜对【1 2 1 3 1 ，啁啾镜1 6 1 ，光栅对【m 嘲，声光调制器1 1 9 1 ，空 间光调制器【2 0 】等等。相比而言，使用啁啾镜是一种比较简便而高效的方法，只 要根据需整形脉冲的啁啾结构设计好啁啾镜的色散量后，使用它反射需整形的 光束就能达到补偿色散的目的。而其他手段，如空间光调制器，需要搭建复杂 的光路，这样会给被补偿的脉冲带来很多能量损耗。 1 1 1 光参量放大压缩技术 光参量放大( 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 e a ) 【4 们的原理是利用不同波长的 激光，在满足一定相位匹配的关系时，在二阶非线性介质( 如b b o 晶体) 里可 2 第一章前言 以发生能量交换。这样就可以将一个强的泵浦光和一个较弱的信号光同时注入 到非线性晶体里面，通过非线性耦合，使得能量从泵光转移到信号光，放大信 号光的同时也会产生闲频光。使用o p a 技术来产生超短脉冲首先是由于它在实 现频率转换的同时，可以保持输出激光脉冲的时域特性。其次，一般注入的信 号光是具有超连续光谱的白光( s u p e rc o n t i n u u m ) ，而o p a 过程中可被放大的频 谱是非常宽的，这样就可以得到很宽频谱的放大信号光，这对于得到少周期量 级的脉冲是很有意义的。o p a 最显著的特点就是发太的信号光的中心波长可以 方便地进行调谐，仅仅通过改变种子光注入角度，即改变相位匹配条件就能实 现宽带可调谐超短激光脉冲的产生 4 7 - 5 0 】。 利用o p a 技术已经可以得到近周期量级的脉冲光。1 9 9 8 年gc e r u l l o 等人 采用全反射式光路引导超连续信号光，并利用斜劈对放大的信号光进行压缩， 最终获得了5 3 5 n m 7 9 0 h m 宽带的调谐范围，最短输出脉冲可达7 2 s ，单脉冲 能量2 z j 。而日本的丸s h i r a k a w a 小组采用石英棱镜将泵光的脉冲波阵面倾斜 到和信号光的波阵面匹配，这样可以大大能量转换效率。然后使用由棱镜对和 光栅对组成的压缩器进行压缩，可以得到了从可见至今红外波段( 5 5 0 n m 7 0 0 n m ) 的调谐范围，最短输出脉冲宽度为6 f s ，单脉冲能量提高到5 脚。不久 后，该小组在原有的实验基础上加以改经，首先用啁啾镜对超连续谱的信号光 进行预压缩，并采用棱镜对和啁瞅镜相结合的脉冲压缩装置，获得了4 6 f s ， 靴j 的输出脉冲光。2 0 0 2 年，ab a l t u s k a 等人利用石英棱镜预压缩的超连续信 号光，结合啁啾镜、光栅、变形镜进行色散补偿，可在可见至近红外波段获得 4 f s 的脉冲输出，但由于损耗过大，输出单脉冲能量仅为0 5 脚，这是利用o p a 技术得到的最短脉冲的记录。 o p a 技术也存在其缺点。首先放大的信号光脉冲与脉冲之间的稳定性并不 是很好，输出脉冲的能量、波长和脉冲宽度都会出现随即抖动，这也制约了这 种技术的实际应用。信号光脉冲的进一步压缩也受到了很多问题的制约，如更 宽频谱的相位匹配问题难以解决，以及输出脉冲有着很难补偿的高阶空间啁啾 等等。 3 第一章前言 1 1 2 充气空心光纤压缩技术 充气空心光纤( g a sf i l l e dh o l l o wf i b e r ) 压缩技术是从传统的单模光纤压缩 技术发展出来的。它将芯径在几十至几百微米的空心光纤置于充有气体的腔 内，采用极薄( 厚度约几百微米) 的石英片作为腔镜，以减少激光在石英材料 内由于自聚焦效应带来的复杂啁啾。所充气体一般选择多光子电离阈值较高的 惰性气体，如氦气( h e ) 、氖气( n e ) 、氩气( a r ) 。实验装置也相对简单。首 先使用长焦距透镜将入射激光松聚焦后注入到空心光纤内，注意保持光束腰斑 半径略小于空心光纤的芯径，充入合适气压的惰性气体后出射激光会有明显的 频谱展宽，然后再用啁啾镜或者棱镜对等压缩元件补偿色散以获得需要的超短 脉冲【2 1 也6 1 。 激光在空心光纤里传播可以看成光束在光纤内表面不断掠射的过程。我们 以贝赛尔函数为基将光束的空间分布函数展开，掠射过程对其中的高阶模的损 耗是非常厉害的，经过足够长距离的传输后，通过空心光纤的部分只能剩下基 模，即零阶贝赛尔函数( j o ) ，并且空心光纤不会改变入射激光的偏振方向。这 样，空心光纤可以看成一个空间滤波器，输出的激光是接近于衍射极限的。同 时，由于空心光纤的束缚作用，光纤内的光强在很长一段距离内都可以保持很 高，这样大大增强了非线性频谱展宽效应，有利于获得更宽的频谱。空心光纤 内的气压是可调谐的，通过控制气压，可以实现获得单一的三阶非线性效应， 即自聚焦效应，而抑制其他非线性效应，从而大大减少脉冲色散补偿的难度。 由于采用了惰性气体为非线性介质，这种技术可以支持更高能量激光脉冲的压 缩，实验中可以达到毫焦量级左右的入射光。大芯径空一t l , 光纤的耦合效率很 高，可达6 0 7 0 。 目前国际上很多研究, j , t f l 都利用充气空心光纤技术取得很好的脉冲压缩效 果1 9 9 6 年，m n i s o l i 等人首次采用了了充气空心光纤压缩技术。他们使用的 是芯径为1 4 0 【l m 长度7 0 e m 的空心光纤，充入了4 a i m 的氢气，经过石英棱镜对 补偿色散后，成功地将1 4 0 f s ，4 9 0 的入射脉冲压缩到1 8 f s 。而在2 a r m 的氪 气中，得到了1 0 f s ，2 4 0 u 的输出脉冲。2 0 0 1 年，m y a m a s h i t a 小组在2 8 a t m 的氩气里采用芯径1 0 0 1 a m 长度3 4 e m 的空心光纤，并利用空间光调制气补偿色 4 第一章前言 散，将3 0 f s ，1 4 0 叫的入射脉冲压缩到了5 f s 。2 0 0 2 年，m n i s o l i 首次采用级联 空心光纤的办法获得了5 1 0 t h z 的超连续光谱，并使用啁啾镜压缩后获得了 6 2 f s 的脉冲输出。2 0 0 3 年，u k e l l e r 小组使用锥形光纤和普通空心光纤级联的 方法，引入锥形光纤是为了抵消强光脉冲在传输过程中峰值功率下降造成的非 线性效应的减弱，这套方案将2 5 f s ，5 0 0 甜的入射脉冲压缩到了3 8 f s ，1 5 z j 。 2 0 0 4 年，m y a m a s h i t a 小组改经了脉冲压缩装置，得到了2 8 f s 的接近傅立叶变 换极限的脉冲。这是在可见光波段得到的最短脉冲。2 0 0 6 年。aj v e r h o e f 小组 将空心光纤与放大器相结合，将经过空心光纤与a o p d f 相结合压缩的脉冲再 次放大，得到了1 2 f s ，2 m j 的脉冲，再进入第二级空心光纤压缩装置，最终获 得了5 f s ，单脉冲能量达i m j 的脉冲输出。 充气空心光纤技术的局限性在于，因为受限于气体多光子电离闽值，光脉 冲能量只能是毫焦量级的。其次，这种技术对入射激光的空间指向的稳定性要 求非常高，入射光束的抖动将会直接影响光纤的耦合效率，从而影响到输出脉 冲的能量及压缩脉冲的质量，甚至损坏光纤。 1 1 3 光丝中频谱展宽压缩技术 光丝( f i l a m e n t ) 是高强度激光在三阶非线性介质里传输时形成的等离子通 道。它是光束由于k e r r 效应产生的自聚焦和光束本身的衍射以及等离子体中光 束自散焦这三种效应之间达到平衡时的产物。 自聚焦效应对等离子体通道的形成起到关键性的作用。由于激光在空间上 的光强分布一般呈高斯型的，而k e r r 效应产生的非线性折射率是和光强成正比 的，这样就在介质中形成中心折射率高而边缘折射率低，类似于正透镜的折射 率分布，这样在传输过程中，光束中心部分的光强会不断的增强，当光强达到 介质的电离阈值后就会引起介质的多光子电离，并随着自聚焦效应越来越强， 产生越来越多的等离子体，由于等离子体对光束是起着负透镜的作用，当光强 达到一定程度的时候，自聚焦的会聚作用和等离子体的自散焦作用达到一种动 态平衡，这种平衡会在以后的传输过程中保持下去，就形成了等离子体通道即 光丝。 5 第一章前言 由于激光在光丝中传输时，等离子通道由于其对光束的能量束缚作用，可 以等效地看成一段空心波导。这样光丝中也可达到很高的光强，其频谱展宽的 原理也和空心波导中的类似。相比于空心波导，光丝中可以容纳更高的能量， 因此也支持更高能量的压缩脉冲的产生。作为频谱展宽的新方法，光丝技术得 到了广泛重视【3 ”9 】。2 0 0 4 年，u k e l l e r 研究小组发现强激光在惰性气体中传输 可产生几十厘米长光丝，得到的输出频谱展宽可以接近一个倍频程，足以支持 单周期脉冲的产生。他们使用输出脉宽为4 3 f s ，单脉冲能量0 8 4 m j 的激光脉 冲，先在一段充有o 8 4 a t m 氩气的腔内传播，得到长约1 0 c m - 1 5 c m 的光丝，使 用啁啾镜将输出的激光压缩后再引入第二段充有o 7 a l a n 的氩气腔里，最终获得 了5 5 0 n m 9 5 0 n m 的超宽频谱，经啁啾镜压缩后得到了5 7 f s 、o 3 8 m j 单脉冲能 量的近单周期脉冲光输出。2 0 0 5 年，s a t r u s h i n 等人同样采取光丝光谱展宽 再压缩的技术，他们采用了1 5 0 c m 长的非密闭惰性气体盒，惰性气体在垂直于 光束传输的方向进行满流动并保持恒定气压，输入激光脉冲的脉冲宽度为 4 5 f s ，松聚焦后入射到气体盒中，观察到了1 0 c m 1 2 c m 长的光丝。啁啾镜压缩 后得到1 0 f s 的输出脉冲。然后他们采用光阑对入射能量进行优化选择后通过氩 气盒后得到了1 5 c m 长的光丝，展宽的光谱覆盖了2 5 0 n m 1 0 0 0 n m 以上的范 围，能量仅仅损耗4 。 惰性气体中成丝压缩脉冲技术与充气空心光纤技术相比装置更为简单，糖对 入射激光的指向的稳定性以及入射脉宽和气压等参数的要求也更低。由于没有 空心波导对光束中高阶模的损耗，具有更高的能量透射率。而且它还具有载波 包络位相偏移( c a r r i e r e n v e l o po f f s e t ) 自保持的效应。为简化单周期高能量且载 波包络位相稳定的脉冲开辟了新的途径，有望成为产生阿秒脉冲的理想光源。 它的缺点是，当激光功率太大，或者为增加频谱展宽而使用过大的气压时，输 入脉冲会分裂成几个光丝，在光丝之间存在随机的能量竞争。多丝的产生会降 低输出脉冲的稳定性。 1 1 4 二阶非线性介质内脉冲自压缩及x 光子弹 在二阶非线性介质中，强激光脉冲在一定条件下可以自发演化成同时在时 6 第一章前言 间和空间维度局域化并稳定传输的光子弹 4 0 - 4 5 1 。与前面的先取得展宽的频谱然 后再使用色散补偿装置压缩的方案相比，脉冲压缩是在光子弹产生过程中自发 进行，无需额外的色散补偿，所以这种压缩的方法要简便得多。关于二阶晶体 里脉冲自压缩的一种唯象的解释是，由于级联过程中脉冲的最强部分会得到更 多的参量增益，所以传播过程中能量会在时间和空间上越来越集中，进而形成 稳定的光子弹。理论分析表明，二阶介质中的可饱和等效三阶效应是形成光子 弹的主要原因。 当激光在二阶非线性介质里面传播时，在满足一定的相位匹配条件时，会 发生倍频效应。而入射激光光强足够大，二阶非线性效应足够强时，入射的基 波( f u n d e r m e n t a lw a v e ，f w ) 和产生的二次谐波( s e c o n dh a r m o n i c ，s h ) 之间 会存在较强的能量交换。激光能量由上转换过程从基波转移到二次谐波，同时 又可通过下转换过程转移回基波，这样就形成了级联的二阶过程【5 1 5 2 1 。级联的 二阶非线性过程中激光脉冲会有非线性的相位调制，这种非线性相移在数学上 等效为三阶非线性中自聚焦或自散焦的相位调制。所以级联二阶非线性效应的 看成三阶非线性效应。需要注意的是，它们之间存在着本质的不同，首先级联 二阶非线性效应引起的相移量是可饱和的。我们知道三阶非线性效应和光强成 正比关系，随着光强的增加非线性相移也会随之线性增加。这样，在大光强 下，单纯的三阶非线性效应会导致过大的相位调制，从而引起波包的分裂。而 级联二阶效应产生的非线性相移会随着光强的增加发生饱和，这种可饱和的非 线性系数的特性就保证了在二阶非线性介质中产生光子弹的可能性。其次，通 过调节基波与二次谐波的相位失匹，可以控制级联二阶过程中产生的非线性相 移的大小以及符号( 即是自聚焦类型的还是自散焦类型) 。在光子弹形成过程 中，如果进一步考虑到光束的衍射和色散效应，或者考虑基波和二次谐波的群 速度失匹，那么就会有更多更复杂的因素影响光脉冲演化的结果，同时也可以 使我们有可能利用这些因素来对输出脉冲进行可调谐。 光孤子( o p t i c a ls o l i t o n ) 是一种典型的光子弹，它可以在传输过程中由非 线性过程中产生的相移来克服 ； j 射光脉冲的自衍射导致的在窄| 日j 上：的扩散和色 散导致的脉冲在时域上的展宽，保持其时f u j 窄i - h j 包络形状稳定不变，而h 脉冲 的能肇在时间或宅i d j 维度卜 6 域化( 商度集中) 。1 9 9 0 年，光孤f 最 f i i h 第一章前言 y s i l b e r b e r g 在理论上证明在反常色散非线性介质中存在1 5 3 1 。二阶非线性介质 中的光孤子也被称为二阶非线性光孤子( q u a d r a t i cs o l i t o n ) 。由于光孤子产生需 要反常色散介质，而大多数二阶非线性介质都是正常色散的( g v d 0 ) 。所以 实验中引入了一种倾斜波技术( t i l t i n gp u l s e ) 在正常色散介质中产生等效的反 常色散1 4 1 ，驯。这种方法使我们能够在正常色散介质中研究光孤子。1 9 9 9 年，x 。 l i u 等人在厚l e m 一类相位匹配的l i l 0 3 晶体里，使用倾斜波技术将3 0 0 f s 的输 入脉冲压缩到8 0 f s 左右，并且发现光孤子产生的功率阈值在1 0 g w e m 2 到 2 0 g w c m 2 之间，在实验上证实引入适当的相位失匹可以补偿群速度失匹引起 的基波与二次谐波的走离。避免了由于耦合减弱导致的级联二阶非线性效应的 减弱【4 2 1 。2 0 0 0 年，他们又进一步在一类相位匹配的b b o 晶体中得到了二维时 空孤子【5 5 1 ，同样他们使用倾斜波技术在正常色散的b b o 晶体里得到等效的反 常色散。并用柱面镜将光束聚居到b b o 上，使得激光在x 方向上聚焦。由于 b b o 晶体厚度仅为2 5 m m ，所以光束在y 方向上可以看成平面波( 不考虑衍 射) 。通过选择合适的色散和相位失匹以及光强等参数，在时间和x 方向上的空 自j 维度得到了光孤子。脉冲宽度从入射的3 6 0 f s 压缩到了9 0 f s ，x 方向上从 l o o p m 压缩到7 0m 。并且，数值模拟的结果显示群速度失匹在合适的参数可 以导致移动孤子( w a l k i n gs o l i t o n ) 的产生，即在传播过程中，孤子的群延时会 不断增加。2 0 0 4 年，ew i s e 小组观察到b b o 晶体里面光波的自频移效应，基 波的光谱从入射的7 9 5 n m 蓝移至7 8 5 n m 左右【5 “。他们在忽略空间维而只考虑 时间维的传输模型中推导出群速度色散导致自频移可以等效看成三阶介质中经 常研究的拉曼散射效应。频移的方向和大小可以通过改变相位失匹和光强等参 数进行调谐。这一发现的意义在于可以使我们通过改变输入参数方便的对自压 缩的脉冲迸行频率调谐。2 0 0 6 年，他们在倍频晶体里的脉冲自压缩取得突破， 同样在不考虑空间效应的前提下，在2 5 m m 的b b o 晶体里，入射1 1 0 f s ，中心 波长1 2 6 0 n m ，峰值功率为5 0 g w c m 2 的脉冲光被压缩到1 2 f s 。他们的数值模拟 显示，脉冲理论上可以进一步压缩到6 f s ，即将近两个光学周期。在空自j 和时间 维度都局域化( x ，y ，0 的光脉冲被称为三维的时空孤子( t h r e ed i m e n s i o n a l s p a t i o t e m p o r a ls o l i t o n ) ，即我们想得到的理想的光子弹。虽然在理论上三维的时 空孤子已被证明存在，然而迄今为止，实验中得到较多的是两维光孤子，即空 8 第一章前言 间孤子( x ，y ) 或一维时间一维空间( x ，t ) ，以及一维时间孤子。三维的时空孤子一 直很难在实验中被找到的一个可能原因是：光孤子对衍射和色散的不对称性是 不稳定的【5 7 l 。例如在研究空间孤子的实验中，入射光波如果不符合严格的圆对 称或者二阶非线性介质对两个空间维度的衍射系数是不对称，就会导致波包在 空间上发生破裂，形成多个空间孤子这一效应是在对二维的空间孤子的研究 中被发现的。三维的时空孤子的分裂更为严重，这是因为通常使用的二阶介质 中基波和二次谐波的色散大小也是不一样的，这种时间和空间上的不对称性使 得三维的光孤子的稳定性大大降低。2 0 0 0 年，x u u 等人利用光孤子这种对不 对称的不稳定性( t r a n s v e r s ei n s t a b i l i t y ) ，提出了一种在二维时空孤子的基础上 得到三维时空孤子串的方梨5 s l ，即在某一维度上让孤子发生分裂，形成一串类 似多光丝的热点，他们的数值模拟以及实验结果都证实了这一想法。 很长一段时间里，人们认为在正常色散介质中是不会存在光子弹的。然而 光孤子并不是光子弹的唯一形式。还有一种被称为非线性圆锥波( n o n l i n e a r c o n i c a lw a v e ) 也是光子弹的一种形式1 5 9 1 。2 0 0 4 年，p d i t r a p a n i 小组第一次在 实验中发现正常色散介质中的非线性圆锥波：x 状光子弹( x s h a p e dl i g h t b u l l e t ) ，即x 波形式的光子弹l 删。x 波是由非单色，且不衍射不色散的j 0 光束 叠加而成的，其空间分布是由一些圆锥状尾波( c o n i c a lt a i l ) 环绕在很强的中心 峰( c e n t r a lh u m p ) 周围，其时空频谱呈双曲线状分布。它的形成原因是由于倍 频过程中的调制不稳定性( m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y ) 导致了这种时空频谱为双曲 线的x 波得至0 很大的参量增益，从而使初始高斯状的脉冲最终演化为x 波。 t r a p a n i 小组使用了2 2 m m 厚的l b o 倍频晶体作为脉冲压缩介质，入射激光脉 冲的中心波长为1 0 6 0 h m ，输入脉冲宽度2 0 0 f s ，输入光斑的腰斑为9 0 z m ，选择 合适的相位失匹后，得到了2 0 r s 的压缩脉冲输出，压缩比高达1 0 。为探测x 波的时空结构，他们使用一种被称为“超快非线性门”的技术，让一束超短脉冲 探测光与输出光脉冲同步入射到一块很溥的倍频晶体中，调节它们之间的延时 得到不同延时下的和频信号，将这些信号拼接在一起。由于探测光脉冲很短 ( 约l o f s ) ，可以认为使用这种方法测得的信号近似等于压缩脉冲光的时空结 构，他们的实验结果证明输出咏冲确为x 波。此外，他们也提出一种探测输出 光时窄频潜的方案束证明输出光为x 波，即测得的输 i 脉冲的时乍频谱砂示出 9 第一章前言 明显的双曲线状结构。在随后的研究中，非线性圆锥波被证明是广泛的存在于 各种非线性介质中，包括二阶和三阶非线性介质、正常和反常色散介质。例如 三阶介质中的光丝也是一种非线性圆锥波。他们的工作开辟了一块全新的科研 领域，极大的推动了非线性圆锥波以及光子弹的研究。这一领域还有很多理论 问题有待解决，如x 波在衍射和色散不对称时能否稳定，以及群速度失匹对x 波的调制作用如何等。本文就这些问题作出了一些理论和实验上的研究，提出 了一些观点和结论。这些基础问题的研究对二阶介质中脉冲自压缩的实验具有 了很好的参考价值。 x 波独特的双曲线型的时空频谱图表明，脉冲在晶体中的传播时具有很强 的时间和空间上的耦合( s p a t i o t e m p o r a lc o u p l i n g ) 。所以