（物理电子学专业论文）bbo晶体近红外宽带飞秒光参量放大的研究.pdf

中文摘要 飞秒光参量放大作为可调谐光源，因具有高的单程增益和大的增益带宽， 成为产生可调谐的几个飞秒光脉冲的一种重要技术手段。目前，通过4 0 0 r i m 泵 浦的b b o 晶体非共线l 类相位匹配光参量放大获取的最窄脉冲已达4 f s 。但小于 1 0 f s 的光脉冲都是用可见光作为信号光产生的。本文，将多色相位匹配技术应用 于飞秒光参量放大，对实现用近红外光作种子光的宽带运转进行研究，从而为 实现从可见光到近红外光整个调谐范围内的窄脉冲运转创造条件。 本论文的主要内容包括： 一、系统阐述飞秒光参量放大的原理。推导了光参量放大的耦合波方程，给出 了参量放大过程中信号光强度近似解及小信号增益的表达式。对b b o 晶体 的材料特性，有效非线性系数，以及b b o 晶体的走离角与空间走离效应， 群速度失配与时间走离效应进行了讨论。 二、对飞秒光参量放大的宽带运转进行的理论研究。推导出非共线相位匹配 o p a 在可见光和近红外光域的宽带运转条件。系统地研究了4 0 0 n m 泵浦的 非共线l 类相位匹配飞秒光参量放大，非共线角和角色散对相位失配，增益 谱和参量带宽的影响。对小于8 0 0 n m 的信号光，分析了非共线角对带宽的 影响，以及通过改变非共线角对带宽的改善。把多色相位匹配技术用于光参 量放大中，给出了近红外波段在信号光中加入角色散实现宽带相位匹配的 方法，及参数选取的方法。找出b b o 晶体非共线i 类相位匹配飞秒光参量 放大在近红外波段实现宽带相位匹配的最佳参数。 三、对近红外飞秒光参量放大进行实验研究。分析对近红外飞秒光参量放大的 泵浦光产生、种子光的产生、参量超荧光的产生以及实验设计和实验结果。 在b b o 晶体非共线l 类相位匹配飞秒光参量放大中，获得了8 0 0 n m 到 1 0 5 0 r i m 连续可调的近红外信号光。获取的最大信号光增益带宽大于4 2 n m 。 获取的信号光带宽可支持最小为1 9 2 f s 的光脉冲，其单脉冲能量为o 3pj ， 转换效率大于2 。 四、对近红外飞秒o p a 系统进行进一步的优化设计。设计了通过双棱镜实现宽 带近红外光参量放大的实验装置及两级放大的近红外飞秒光参量放大进一 步提高信号光能量的方案。 关键词：飞秒脉冲；近红外宽带参量放大；多色相位匹配；角色散；参量带宽； a b s t r a c t f e m t o s e c e n do p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n ( o p a ) i sa ni m p o r t a n tt u n a b l e d e v i c ef o rp r o d u c i n gu l t a s h o r tp u l s e sf o ri t si a r g eg a i na n db r o a dg a i nb a n d w i d t h r e c e n t l y ，p u l s e sw i t h4 f sd u r a t i o nh a v eb e e ng e n e r a t e db yn o n c o l l i n e a rp h a s e - m a t c h e d o p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i e rp u m p e db y4 0 0 n mi nb b oc r y s t a li nt h ev i s i b l es p e c t r a l r a n g e h o w e v e r , i ti si m p o s s i b l et oo b t a i na na m p l i f i e dn e a r - i n f r a r e ds i g n a lw i t h s u b l o f sd u r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eu s a g eo fa c h r o m a t i cp h a s em a t c h i n gi n f e m t o s e c e = i l do p af o ro b t a i n i n ga m p l i f i e dn e a r - i n f r a r e ds i g n a lp u l s e sw i mb r o a d b a n d w i d t hi ss t u d i e d , w h i c hf o u n dab a s et op r o d u c ep u l s e sw i t l ls u b - l o f sd u r a t i o ni n t h ew h o r es p e c t r a lr a n g ef r o mt h ev i s i b l et ot h en e a r - i n f r a r e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e db e l o w ： 1 t h et h e o r yo ff e m t o s e c e n do p ai sr e v i e w e d t h ec o u p l e de q u a t i o n sa r ed e r i v e d f r o mm a x w e l l se q u a t i o n s t h es i g n a la n di d l e ri n t e n s i t i e s ，t h ep a r a m e t r i cg a i na r e s o l v e d t h ep r o p e r t i e so f n o n l i n e a rc r y s t a lb b oi sp r e s e n t e d t h ew a l k o f f a n g l e a n dt h es p a t i a lw a l k o f fe f f e c t ，t h eg r o u pv e l o c i t ym i s m a t c ha n dt h et e m p o r a l w a l k o f fe f f e c ta r ed i s c u s s e d 2 t h es p e c t r a lb a n d w i d t ho fn o n c o l l i n e a rp h a s e - m a t c h e do p t i c a lp a r a m e t r i c a m p l i f i c a t i o n ( n o p mi s t h e o r e t i c a ls t u d i e d b r o a d b a n d p h a s em a t c h i n g c o n d i t i o n so ft h en o p ah a v eb e e ng i v e nb o t hi nt h ev i s i b l ea n dt h ei n f r a r e d s p e c t r a lr a n g e t h ee f f e c t so f n o n c o l l i n e a ra n g l ea n da n g u l a r l yd i s p e r s i o no f s i g u a l p u l s eo nt h ep h a s e - m i s m a t c h ，t h eg a i na n dt h ep a r a m e t r i cb a n d w i d t ha r es t u d i e d a n e wm e t h o di sp r e s e n t e dt oc h o o s et h eo p t i m i z e dn o n c o l l i n e a ra n g l ea n da n g u l a r l y d i s p e r s i o nf o rv i s i b l ea n dn e a r - i n f r a r e do p a a sa l le x a m p l e ，t h eo p t i m i z e d p a r a m e t e r st oo b t a i nt h eb r o a d e s tb a n d w i d t hi nt h en o p ap u m p e db yt h eb l u e l i g h to f4 0 0 n mi nb b oc r y s t a la r ef o u n db o t hi nt h eh ev i s i b l ea n dn e a r - i n f r a r e d s p e c t r a lr a n g e 3 1 1 1 ee x p e r i e n c eo fn e a r i n f r a r e dt y p e - lp h a s e - m a t c h e df e m t o s e c o n dn o p ai s s t u d m d t h ep a r a m e t r i cs u p e r f l u o r e s c e n c ei so b t a i n e d t h ea m p l i f i e dn e a r - i n f r a r e d s i g n a lb e a mc o n t i n u o u s l yt u n a b l ef r o m8 0 0n mt o 10 5 0n mi so b t a i n e d t h e b r o a d e s tg a i nb a n d w i d t ho f t h es i g n a li s4 2n n - ia n da l s ot h ed u r a t i o no f t h ep u l s e s s u p p o r t e db ys o m e b a n d w i d t hc a nb el e s st h a n2 0 f s a n dt h es i g n a lp u l s ee n e r g yi s 0 3uja n dt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sg r e a t e rt h a n2 4 t h ei m p r o v e dd e s i g no fn e a r i n f r a r e df e m t o s e c e n do p ai sr e p o r t e dt h et w o p n s i l l si sd e s i g n e dt oo b t a i nt h eb r o a d - b a n d w i d t h n e a r - i n f r a r e df e m t o s e e e n do p a a n dt h es c h e m eo f t w os t a g ef e m t o s e c e n do p ai sd e s i g n e dt of u r t h e rp r o m o t et h e e n e r g yo f n e a r - i n f r a r e ds i g n a lp u l s e s k e y w o r d s ：f e m t o s e c o n dp u l s e s ，n e a r - i rb r o a d b a n dp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n , a n g u l a r l yd i s p e r s i o n ，a c h r o m a t i cp h a s em a t c h i n g ，p a r a m e t r i cb a n d w i d t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吏l 傅 签字日期：王口口6 年1 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 复i i 博 导师躲专甍沫 签字日期：2 口以年1 月，目签字日期：t vo 年1 月1 日 第一章绪论 1 1 飞秒脉冲激光概述 第一章绪论 指南针、造纸术、火药、印刷术中国古代的”四大发明”，为世界科技的 进步谱写了光辉的篇章。20 世纪的”新四大发明”原子能、半导体、计算机、 激光器，又彻底改写了世界科技发展的历史。 】9 1 7 年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，实际上己为激光器的发明奠定了 理论基础。1 9 5 8 年1 2 月，肖洛和汤斯在美国物理评论杂志上发表文章1 1 1 ，讨论 了谐振腔、工作物质和泵浦方式等一系列问题，对他们所提出的在光波波段工作 的量子放大器设计方案进行了详细的理论分析，预言了采用法布里珀罗干涉仪 作为开式谐振腔的选模作用，以及激光的相干性、方向性、线宽和噪声等性质。 至此，把微波量子放大器扩展到光波波段的理论基础和技术已基本完备，激光器 这个现代科技的宠儿，即将临产了。1 9 6 0 年7 月，休斯研究所的一个从事红宝 石微波量子放大器研制工作的年轻人梅曼，大体上按照肖洛和汤斯的设计构思， 用一种装有被氙放电管泵浦红宝石棒非常简单的装置，成功地制造并运转了第一 台激光器红宝石脉冲激光器【2 l 。从此，小说家们所幻想的“死光”，在科学 理论的指导和助产下，终于奇迹般地出现了。 激光器出现以后不久发展起来的激光锁模技术便成为激光科学的重要发展 方向之一。六十年代中后期建立各种锁模理论并实验探索了各种锁模方法。到七 十年代，各种锁模方法和理论，如主动锁模，被动锁模，同步泵浦锁模等渐趋于 成熟，并开展了皮秒( p s ，1 0 - 1 2 s ) 初步应用。1 9 8 1 年美国贝尔实验室的f o r k 等人 根据被动锁模的原理，采用有机染料r h o d a m i n e6 g 作为增益介质，成功地研制 了碰撞脉冲锁模( c p m ) 环形染料激光器，首次获得脉宽在飞秒( f s ，1 0 0 5 s ) 量 级的激光脉冲1 3 l 。这标志着飞秒激光的诞生。1 9 8 5 年美国的v a l d m a n i s 等人同样 采用有机染料r h o d a m i n e 6 g ( r h 6 g ) 为增益介质，在腔内加入低损耗布儒斯特 棱镜对来补偿色散，输出中心波长6 2 0 n m ，脉冲宽度2 7 f s 的超短脉冲 4 i 。1 9 8 7 年f o r k 等人用单模保偏石英光纤展宽光谱，再用光栅和棱镜组补偿色散，最后 获得了6 f s 的超短脉冲p j ，这是当时得到的脉冲宽度最窄的激光脉冲。但是染料 第章绪论 激光器的增益介质是液体，需要采用喷流方式，结构复杂，难以调试，而且染料 有毒，不便于使用和携带，难以小型化和实用化。 八十年代中期以前用固体激光器产生飞秒光脉冲一直受到限制，这是因为它 的荧光带宽窄、效率低、热传导性差等问题，使得飞秒固体激光器未取得突破性 进展。当时的固体激光物质n d ：y a g 、n d ：g l a s s 等荧光带宽窄，而且n d ：g l a s s 热 传导性能差，不具备产生飞秒脉冲激光的条件。八十年代后期，晶体生长技术迅 速发展，出现了宽荧光带宽和导热性好的材料。其中最有代表性的为掺钛蓝宝石 ( t i ：s a p p h i r e ，简称钛宝石) 。钛宝石具有很宽的吸收光谱( 4 0 0 n m 一6 0 0 r i m ) ， 所以可选择氩离子激光器、铜蒸汽激光器、倍频钒酸钇激光器、倍频n d ：y a g 激光器以及倍频n d ：y l f 激光器等作为钛宝石激光器的泵浦源。钛宝石具有非常 宽的荧光光谱( 6 6 0 h m 1 2 0 0 n m ) ，这是迄今为止发现的所有激光增益介质中最 宽的。其超宽的荧光谱使获得脉宽更窄的激光脉冲成为可能。钛宝石除了具有优 越的光谱和激光特性外，还具有其它优良物理和化学性能优势，如具有较高的热 导率和熔点，硬度大，化学性质稳定等。由于这些优良的性质，钛宝石成为飞秒 激光器最理想的增益介质，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础。 1 9 9 1 年，英国人斯潘塞( d e s p e n c e ) 等人把s f l 4 棱镜插入谐振腔，补偿 钛宝石激光器的腔内色散，不依赖于任何外加的锁模元件，仅利用钛宝石自身的 克尔效应导致的克尔透镜锁模( k l m ) ，获得了6 0 f s 的激光脉冲1 6 1 ，从此固体 飞秒k l m 激光器飞速发展。这是超快激光技术发展的一个里程碑。随后美国 m i t 的h a u s 于1 9 9 2 提出了克尔透镜锁模( k e r rl e n sm o d e l o c k i n g ，kl m ) 理论， 揭示了掺钛蓝宝石激光器中的克尔透镜锁模机制l ”。克尔透镜锁模理论认为，当 激光束通过激光晶体时，由于克尔非线性效应产生自聚焦现象，其与激光腔内的 光阑结合等价于一个类似快饱和吸收体的自振幅调制器。同时，激光腔内的棱镜 对引入净负色散，补偿腔内其他器件带来的正色散，使得腔内多个纵模之间的相 位锁定，从而实现锁模，获得脉宽极窄的超短脉冲。自从克尔透镜锁模现象被发 现后，引起了广泛试验和理论研究。从此，以钛宝石激光器为代表的固体k l m 激光器，以其简单的结构、较宽的调谐范围以及可以获得极窄的脉冲宽度等优点， 逐渐取代了染料激光器。在随后的几年里，各种色散补偿技术的研究及完善，使 得飞秒脉冲激光技术得到蓬勃发展，利用k l m 钛宝石激光器获得的飞秒脉冲的 宽度也逐年地缩短，最窄脉冲的记录被多次刷新。1 9 9 2 年h u a n g 等人采用9 m m 长的钛宝石晶体作为增益介质，分别用l a f n 2 8 和l a k l 2 1 玻璃棱镜对进行腔内 色散补偿，先后获得了3 2 f s 和1 7 f s 的激光脉冲 8 , 9 1 。1 9 9 3 年初m t a s a k i 等人 在掺钛蓝宝石激光器中采用高掺杂浓度的短钛宝石晶体并改用石英棱镜对进行 色敝补偿，在7 8 0 一n l n 处获得了1 1 一f s 的激光脉冲0 1 。1 9 9 4 年z h o u 等人采用2 r a m 2 第一章绪论 长的钛宝石晶体和石英棱镜对获得了8 5 f s 的激光脉冲j 。1 9 9 5 年a s t i n g l 等 人利用啁啾介质反射镜作为钛宝石激光器的腔镜来补偿色散，获得了8 f s 的脉冲 输出1 1 2 1 。1 9 9 6 年l i n x u 等人改用四镜环形腔结构同时利用啁啾镜补偿色散，获 得7 5 f s 的锁模脉冲i l ”。1 9 9 7 年j u n g 等人利用同时使用石英棱镜对和双啁啾镜 来补偿钛宝石激光器腔内的色散，获得了6 5 f s 的超短脉冲1 1 4 】。同年( 1 9 9 7 ) ， 瑞士联邦工业大学的u k e l l e r 等人将s e s a m 应用于钛宝石激光器中来启动 k l m 锁模，并用双啁啾镜补偿色散得到了小于6 5 f s 的自启动飞秒锁模脉冲输 出1 1 5 1 1 9 9 9 年，u m o r g n e r 等人利用2 - m m 晶体，并采用低色散棱镜对和双啁啾 镜补偿色散的方法获得了5 4 f s 的激光脉冲输出l 】6 】。2 0 0 1 年e 1 l 等人利用b k 7 玻璃片产生自相位调制效应将光谱展宽，并且利用c a f 2 棱镜对和特别设计的啁 啾镜对进行腔内色散补偿，获得了光谱宽度为一个倍频程，脉冲宽度为5 f s 的超 短脉冲1 1 7 1 。 此外，为获得更窄的飞秒脉冲，人们还在腔外对脉冲进行压缩。1 9 9 7 年 b a l m k a 等人利用光纤一光栅一棱镜展宽和压缩放大的飞秒脉冲分别获得了 4 9 f s 和5 5 f s 的超短脉冲1 1 8 1 。1 9 9 7 年n i s o l i 等人分别用填充氪气和氩气的石英中 空光纤展宽光谱，用小顶角的双石英棱镜对和啁啾镜进行色散补偿，获得了4 5 f s 、 2 0 和5 f s 、7 0 山的超短脉冲f 1 9 1 。同年s a r t a n i a 等人利用填充有氩气的石英中空 光纤和双啁啾镜展宽及压缩获得了5 f s 、0 5 m j 的超短脉冲i “。在此后的几年里， 人们利用腔外压缩以及各种色散补偿方法多次得到了4 5 f s 的超短光脉冲【2 卜2 4 1 。 人们通过利用s p i d e r 测量技术和液晶空间位相调制器( s l m ) 相结合来补偿位 相，使得脉宽压缩进一步的发展。2 0 0 3 年，s c h e n k e l 等人利用中间带有啁啾镜 压缩器的两根填充氩气的中空光纤展宽光谱，利用s p i d e r 测量位相并反馈给 s l m 进行位相补偿，将2 5 f s 的光脉冲压缩到了3 8 f s i ”1 。随后y a m a n e 等人利用 填充氩气的中空光纤展宽光谱，利用改进的m s p i d e r 测量位相，结合s l m 进 行位相补偿，经过两次位相反馈，将脉宽小于3 0 f s 的光脉冲压缩到了3 4 f s l 2 6 1 。 2 0 0 4 年y a m a n e 等人在原有实验的基础上继续改进，最终获得了近单周期的2 8 f s 的超短脉冲1 “j 。 飞秒激光的很多应用和实验研究，如激光受控核聚变、半导体载流子的动力 学过程的研究等要求激光脉冲具有极高的峰值功率，这是普通飞秒振荡级激光器 输出的脉冲所无法直接获取的，所以需要对振荡级输出的飞秒脉冲进行放大。然 而，飞秒激光不能像皮秒和纳秒激光那样直接进行放大，因为飞秒激光的脉冲宽 度太窄，直接放大飞秒脉冲往往会使脉冲的能量还很低时就具有很高的峰值功 率，这会导致增益饱和效应，使激光脉冲从增益介质中抽取能量的效率降低。同 时使激光脉冲的光束质量下降，甚至对放大器中的增益介质、光学元件及镀膜造 第一章绪论 成永久性的损坏。1 9 8 5 年，m i c h i g a n 大学的s t r i c k l a n d 和m o u r o u 提出了啁啾脉 冲放大的设想1 2 s - 3 9 1 ，即将一个低能量超短脉冲在放大前利用脉冲展宽器在时域上 展宽，经放大后利用脉冲压缩器再将其压窄，这样就避免了直接放大飞秒激光脉 冲容易因为脉冲的峰值功率高于激光晶体的损伤阈值而破坏激光晶体的缺点，同 时又使长脉冲在放大过程中可以充分利用晶体中的反转粒子来抽取能量，使得整 个放大系统的效率有极大的提高。随着激光啁啾脉冲放大技术的快速发展，激光 脉冲的峰值功率在不断地提高。1 9 9 1 年，美国加利福尼亚大学的a s u l l i v a n 等 人采用四级t i ：s a p p h i r e 激光放大器，获得了9 5 f s ，3 t w ( 1 t w = 1 0 1 2w ) 的峰值功 率输8 1 t 3 m 。1 9 9 5 年，c p j b a r r y 等人采用再生放大脉冲整形和高阶色散补偿技 术，获得了脉宽1 8 f s ，峰值功率4 4 t w ，重复频率5 0 h z 的超短脉冲输出 3 1 1 。1 9 9 8 年，日本的k y a m a k a w a 等人采用三级t i ：s a p p h i r e 激光放大器，获得脉宽1 9 f s ， 峰值功率1 0 0 t w ，重复频率1 0 h z 的脉冲输出旧。近几年，己有p w ( 1 p w = 1 0 1 5 w ) 量级的高功率激光放大器研制成功，并有多个更高峰值功率的激光放大器正在设 计和建造当中。 飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛 应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早 期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特 的优点和不可替代的作用。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息 储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从 而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的 灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千 倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激 光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。 1 2 飞秒光参量放大概述 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器问世以来，人们就开始了可调谐激光器的研 究。1 9 6 1 年f r a n k e n 等人首先观察到了二次谐波产生i j “，此后不久k i n g s t o n ，k r o l l 和a k h m a n o v 等人理论上考虑了三波非线性作用的参量增益的可篚性1 3 4 - 3 6 j 。1 9 6 2 年，j a a r m s t r o n g ，n b l o e m b e r g e n ，j d u c u i n g 和p s p e r s h a n 提出了关于光 学参量放大( o p t i c a lp a r a m e t r i ca m p l i f i c a t i o n ，o p a ) 的珲论1 3 7 1 。1 9 6 5 年c c w a n g 和g w r a c e t t e r ，首次观察到三波非线性作用的参量增益p ，同年，j a g i o r d m a i n e 和r c m i l l e r ，研制成功作为光学参量放大应用的一个重要扩展一 第一章绪论 一光学参量振荡器1 3 9 1 ( o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t i o n ，o p o ) 。1 9 7 2 年，k b u m e i k a , m i g n a t a v i c h y n s 和v k a b d k a 实现了同步泵浦光参量振荡 4 0 1 。1 9 7 4 年，a l a u b e r e a u ，l g r e i t e r , 和w k a i s e r 实现了光参量放大激光器，皮秒脉冲光参量 激光的运转【4 。1 9 8 9 年，d c e d l s t e i n , e s w a c h m a n 和c l t a n g 等人实现了 飞秒脉冲光参量激光1 4 “。在九十年代之前的三十年里，虽然许多研究者对光参 量过程进行充分的研究，但光学参量装置的发展进行得十分缓慢。究其原因，主 要是参量激光对工作物质的材料特性要求十分苛刻：要实现宽调谐，必须有宽广 的透过谱和可匹配范围；要有效地产生参量激光，必须有高的有效非线性系数； 高功率密度激光要求晶体应有高的光破坏阈值；为实用化，材料要具有优良的可 加工性和抗潮，抗蚀等性能；最后这些材料还要易于生长成高质量大体积的单晶。 同时高质量的激光泵源不多。 然而，光学参量放大和光学参量振荡是产生高功率、波长宽范围可调谐激光 的重要手段。固体激光器受到激光晶体荧光特性的限制，只能够在特定的波长范 围内实现激光运转，其调谐范围十分有限。而光参量放大( o p a ) 是一个非线性 三波互作用过程，其波长调谐范围比任何固体激光器都宽得多。八十年代中期以 后，一些性能优良的新非线性晶体开始出现。1 9 8 5 年，中科院福建物构所发明 b b o 晶体。1 9 8 9 年，其又推出l b o 晶体。他们显示良好综合性能。同时固体激 光器k l m 技术和c p a 技术的迅速发展。这些进步为飞秒o p a 系统提供了实用 可靠的非线性晶体和泵浦源，使飞秒o p a 技术迅速发展。目前，人们在飞秒o p a 系统中利用不同波长的泵浦光、非线性晶体及调谐方式，在紫外、可见、近红外 及中红外光区均获得了宽调谐、窄脉冲宽度的飞秒参量激光，这对于超短脉冲的 研究和应用具有非常重要的意义。 光参量放大在原理上同微波参量放大极为相似。其利用非线性晶体的二阶非 线性极化效应，将入射的强泵浦光的能量转移到弱信号光中，同时还产生另一频 率的闲频光，从而实现对入射信号光的放大。显然，光参量放大过程本质上是一 个差频产生的三波混频过程，即当频率为的强泵浦光与频率为弛( c a , c _ o v ) 的 弱信号光同时入射到非线性晶体内时，由于二阶非线性极化的存在，在非线性晶 体内将产生一个频率为鳓尸鳓一他的差频闲频光，其振幅正比于泵浦光与信号光 振幅的乘积。新产生的闲频光又与泵浦光发生非线性耦合，并通过二阶非线性极 化的作用，辐射出频率为n 铲叻一的信号光，其振幅正比于泵浦光与闲频光振 幅的乘积。当初始泵浦光强度远大于信号光强度时，随着光波在非线性晶体中的 传播，上述非线性著频过程不断发生。这样，泵浦光的能量就不断地耦合到信号 光和闲频光中去，弱的信号光被放大，光参量放大过程持续进行。 第一章绪论 光参量放大过程作为差频过程，根据门莱一罗关系式，每湮灭一个高频光子， 同时产生两个低频光子，三个不同频率的光子必然要满足能量守恒条件，即 唧= n 矿国。当满足动量守恒条件，即k 产k + k ( k 、k 、l k 分别为泵浦光、信号光、 闲频光的波矢) 时，可获得最大的增益。虽然动量守恒条件不是必要条件，但是 当不满足动量守恒条件时，参量增益迅速减小，因此一般的光参量放大器都设计 成在动量守恒的条件下工作。 一般动量守恒条件也称之为相位匹配条件。光参量放大器的相位匹配可以通 过晶体的双折射效应、温度效应等调谐方式来实现。利用非线性晶体的双折射效 应可以方便地进行进行调谐。光参量放大器的相位匹配方式可分为共线相位匹配 和非共线相位匹配。早期的飞秒o p a 系统都采用共线相位匹配方式，其具有调节 简便、转换效率高的特点。但是，由于受相位匹配增益带宽窄的影响，采用这种 方式输出的参量光脉冲光谱宽度较窄，因此，很难获得脉冲宽度小于1 0 i s 的超短 脉冲。而为获取极窄脉冲一般采用非共线相位匹配方式的光参量放大。 1 9 9 5 年，g a l e 等人发现采用非共线相位匹配方式，即相互作用三波波矢之 间存在一定交角，在较大的波长范围内参量放大可产生很宽的增益带宽，其潜在 可支持非常短的脉冲，并且应用到光参量振荡中获得了最短为1 3 f s 的脉冲 4 3 - 4 5 l 。 其后多个研究小组把这种思想扩展应用到光参量放大中。1 9 9 7 年s h i r a k a w a 采 用l m m 的b b o 晶体l 类相位匹配下获取了5 5 0 n m 到6 9 0 n m 连续可调的小于2 0 f s 的可见信号光，单脉冲能量2 3 u ，在信号光中心6 2 5 n m 处，最宽带宽为6 6 n m ， 用b k 7 棱镜对压缩到1 4 f s t 。1 9 9 7 年t w i l h e l m ，j p i e l 和e r i e d l e 采用2 m m 的b b o 晶体i 类相位匹配下实现从4 7 0 n m 到7 5 0 n m 连续可调的小于2 0 f s 的可 见光波段的参量放大。其中脉宽最窄为1 6 f s ，其单脉冲能量1 1 u 。转化效率为 百分之二十五【4 ”。紧接着，c e r u l l o 获取在5 0 0 n m 到7 0 0 n m 连续可调脉宽小于 1 2 f s 的放大可见光信号光。其中最窄脉冲为中心波长5 4 5 n m ，脉宽为1 0 8 f s 的脉 冲。其在5 0 0 n m 到7 0 0 n m 连续可调脉宽小于1 2 f s 的放大可见光信号光【4 耵。1 9 9 8 年c e r u l l o 等人用非共线光参量放大并且采用全反射光路和预先压缩种子光，获 取1 8 0 t h z 带宽，2 山能量的可见光。采用两对小顶角棱镜把信号光压缩大7 2 f s l 4 ”。 1 9 9 8 年其后s h i r a k a w a 等人利用石英棱镜倾斜泵浦光的脉冲波面实现泵浦光与信 号光的脉冲波面匹配，并利用棱镜对和光栅对进行压缩，获得了5 5 0 n m 一7 0 0 r i m 调谐范围的可见光脉冲，脉宽最窄为6 f s ，单脉冲能量为5 山，以及用光栅和球 面镜补偿闲频光的角色散获取了9 0 0 n m 1 3 0 0 n m 波段范围的近红外光脉冲，脉宽 最窄为9 f s ，首次实现了在可见和近红外波段连续调谐的小于1 0 f s 的飞秒光参量 放大1 5 ”。1 9 9 8 年m n i s o l i 利用中空光纤将钛宝石放大器的输出脉冲压缩到1 8 f s 直接泵浦并用参量超荧光作种子在15 0 0 n m 处得到1 4 5 f s 的输出脉冲。1 9 9 9 6 第一章绪论 年s h i r a k a w a 和k a b a y a s h i 改进了原实验，在用倾斜泵浦光的脉冲波面来实现波 面匹配的基础上，采用啁啾镜预压缩超连续种子白光，获取的信号光最大带宽 1 5 0 t h z 。并利用棱镜对和啁啾镜相结合压缩放大后的脉冲，得到脉宽最窄为 4 7 f s ，单脉冲能量为5 山的脉冲输出1 5 ”。2 0 0 0 年，j p i e l 利用超连续白光红移部 分作种子，并利用钛宝石放大器的倍频光作泵浦源，在近红外获得小于2 0 f s 的 脉冲垆“。2 0 0 1 年m z a v e t a n i r o s s i 等人实现5 1 0 n m 到7 1 0 n m 带宽大于1 7 0 t h z 的可见光参量放大，使用啁啾镜把信号光压缩到5 7 f s l 5 4 。2 0 0 2 年东京大学的 b a l t u g k a 等人利用石英块展宽泵浦光，并用一个石英棱镜引入泵浦光的角色散， 获取最大带宽3 0 0 n m 。利用石英棱镜对预压缩超连续种子自光，结会啁啾镜、光 栅和变形镜补偿色散获得了脉宽最窄为4 f s ，单脉冲能量为o 5 山的可见光脉冲 锋”，此项利用光参量放大获得的脉冲宽度最窄的脉冲的记录至今未被打破。 在飞秒光脉冲放大前沿领域飞秒o p a 具有重要地位。目前其发展方向主要有 两个，一个是将c p a 的思想用于飞秒o p a 的光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 研究。 另一个是利用飞秒o p a 来控制超短光脉冲的载波包络相位和进行光学频率合成 研究。 光参量啁啾脉冲放大( o p c p a ) 技术是在c p a 原理的基础上，利用o p a 代替 传统的激光放大器，即利用非线性晶体的非线性参量互作用过程代替激光介质的 粒子数反转与能级跃迁过程。它将c p a 和o p a 的优点集于一身，其为进一步提高超 短超强脉冲的输出功率提供了新途径。由于o p c p a 是一种非线性参量放大过 程，它具有以下显著优点：一是大的增益带宽，增益越大，增益带宽越大，避免 了c p a 线性放大过程的光谱窄化效应，可以支持脉宽极短的脉冲放大；二是非线 性过程有效抑制噪声放大，提高激光脉冲的信嗓比：三是只有很低的b 积分累积和 较小的热畸变，单通能实现高增益，结构相对简单。因此o p c p a 将完全可能替 代现有的钛宝石再生放大器和多通放大器，从而大大提高台式超短激光脉冲系统 的峰值功率和激光聚焦功率密度。 1 9 9 2 年d u b i e t i s 等人首次提出了光参量啁啾脉冲放大的思想，并利用b b o 晶 体的o p c p a 获得了脉冲宽度为7 0 f s ，单脉冲能量为6 5 山，峰值功率为0 9 g w 的脉 冲输出p “。1 9 9 7 年r o s s 等人又对o p c p a 技术的原理进行了详细描述，并将这项 新技术向更广阔的方向推进，提出了几个能够获得1 0 p w 以上峰值功率的o p c p a 系统设计方案| 5 ”。1 9 9 7 年9 月，a g a l v a n a u s k a s 等人将飞秒信号脉冲展宽到o 3 5 n s 用5 m j o 5 n s ，7 8 6 n m 的脉冲去泵浦5 m m 长的p p l n 参量放大器，单通将1 0 0 n j 的能 量放大到1 m j ，获得了6 8 0 f s 的脉冲输出，效率达到百分之二十 5 8 1 。1 9 9 9 年4 月， 卢瑟福实验室用v u l c a n 系统的衍射光栅展宽器，将5 n j ，1 2 0 f s ，1 0 5 3 n m 的信弓脉冲 第一章绪论 展宽到0 9 n s ，用5 9 n s ，1 5 h z ，5 3 2 n m 的调q 的n d ：y a g 倍频激光脉冲去泵浦用两级 长度都为1 5 m m 的b b o 参量放大器，单通实现总增益大于1 0 6 ，获得了0 5 m j ，l p s 的脉冲输出【5 9 j 。1 9 9 9 年8 月，卢瑟福实验室把1 2 0 f s ，1 0 5 4 n m 的信号光脉冲展宽到 0 3 n s ，利用v u l c a n 激光器的一部分输出的o 6 n s 5 2 7 n m 的激光脉冲去泵浦一级 2 0 m m 长的l b o 预参量放大器和一级3 0 m m 长的k d p 主参放大器，将0 2 n j 能量放 大n o 5 j ，单通实现总增益大于1 0 ”，获得脉宽3 0 0 f s 的t w 级脉冲输出，转换效率 达到百分之二十1 6 0 1 这代表了当时世界上利用o p c p a 的最好实验结果。 近几年人们经过不断的探索和研究，o p c p a 系统已经取得了很大的进展。 2 0 0 2 年中国上海光学精密机械研究所的杨小东等人利用两级l b o 晶体的o p a 进 行前置放大，再利用大口径的k d p 晶体的o p a 进行末级放大，获得了脉冲宽度为 1 5 5 f s ，单脉冲能量为5 7 0 m j ，峰值功率为3 6 7 t w 的脉冲输出1 6 1 1 2 0 0 3 年徐至展 等人在原o p c p a 系统的基础上继续改进，利用三级l b o 晶体的o p c p a 系统，最 终获得了脉冲宽度为1 2 0 f s ，单脉冲能量为2 j ，峰值功率高达1 6 7 丁w 的脉冲输出 1 6 2 1 。 目前飞秒脉冲的脉宽己达n d , 于两个光学周期的水平，人们开始探索实现小 于一个光学周期甚至阿秒量级的脉冲的的可能性和技术手段。单独利用钛宝石激 光器或飞秒光参量放大，都很难获得倍频程以上的光谱宽度，也就很难获得单个 光学周期的超短脉冲。所以人们就进行两个甚至多个不同波段的激光光谱的合 成，即光学频率合成。其中包括其中两个独立的钛宝石激光器的光学频率合成， 钛宝石激光器与掺铬镁橄榄石激光器的光学频率合成以及飞秒光参量振荡器中 不同波长光脉冲之间的光学频率合成。对它们的研究均取得了一定的成果。而飞 秒光参量放大因为它具有丰富的波长，很宽的光谱，而且飞秒光参量放大中所具 有的特殊的载波包络相位关系，均给控制超短光脉冲的载波包络相位和进行光学 频率合成研究带来极为有利的条件。 1 3 本论文的主要工作及创新 飞秒光参量放大，作为可调谐光源，因其放大过程具有高的单程增益和大的 增益带宽，使其成为产生可调谐的几个飞秒光脉冲的一种重要技术手段。目前， 由它产生的最窄脉冲已达4 f s 【5 ”。这一指标是通过4 0 0 n m 泵浦的b b o 晶体l 类 相位匹配光参量放大获取的。由于宽带运转条件要求闲频光的群速度必须大于信 号光的群速度。因此，小于1 0 f s 的光脉冲都是用可见光作为信号光产生的。实 现宽调谐范围内的窄脉冲运转足人们所追求的目标。上个世纪几十年代， 第一章绪论 m a r t i n e z 和s z a b o 针对倍频提出了多色相位匹配方案( a c h r o m a t i cp h a s em a t c h i n g ) ， 通过角色散使不同频率的成分以接近相位匹配的非共线角传播，产生宽带的二次 谐波。在2 0 0 3 年和2 0 0 4 年，人们采用这种方案，用光栅和棱镜产生角色散实现 了宽带倍频，获得了小于1 0 f s 的紫外脉冲。同时，人们也将多色相位匹配技术 用于和频产生紫外光的过程中来改善带宽。在本论文中，我们将多色相位匹配用 于飞秒光参量放大系统，以实现用近红外光作种子光的宽带运转，从而为实现从 可见光到近红外光整个调谐范围内的窄脉冲运转创造条件。这就是该项研究的意 义。 本论文的主要内容包括： 1 系统阐述飞秒光参量放大的原理。从电磁波的麦克斯伟方程出发，推导了光 参量放大的三波相互作用耦合波方程，给出了参量放大过程中信号光强度的近似 解及出小信号增益的表达式。对b b o 晶体的材料特性，有效非线性系数，以及 b b o 晶体的走离角与空间走离效应，群速度失配与时间走离效应进行了讨论。 2 对飞秒光参量放大的宽带运转进行了的理论研究。推导出非共线相位匹配飞 秒光参量放大在可见光和近红外光波段的宽带运转条件。系统地研究了4 0 0 n m 泵浦的非共线1 类相位匹配飞秒光参量放