脉宽对超快激光平衡光学互相关测距影响的研究

采用基于平衡光学互相关的超快激光绝对距离测量方法对大气中一段15m的空间距离进行了测量。仿真了不同脉冲宽度、不同光强损耗对平衡互相关信号的影响,理论分析表明脉宽展宽对平衡互相关信号影响较大。采用中心波长为1037nm、重复频率为260MHz的超快激光器光源,搭建了测距系统。实验验证了在脉宽分别为1.44ps、132fs时,对平衡互相关信号的影响,实验结果符合理论分析。研究了不同脉冲宽度对测量分辨力的影响,结果显示,采样时间为5ms,脉宽为1.44ps,测量分辨力不低于50μm;而当脉宽为132fs时,测量分辨力优于5μm。     

相干光学声子的操控以及对能量输运过程的影响

利用脉冲整形器生成双脉冲泵浦光,通过调整双脉冲的间隔时间,在不改变泵浦光能量密度的前提下,实现了相干光学声子的增强和完全消除,进而研究了相干光学声子对半导体能量输运过程的影响。实验直接验证了光学声子在超快能量输运过程的重要作用。相干光学声子增强时测量得到的热电子冷却以及晶格加热的特征时间均减小,因此激发相干光学声子可提高超快能量输运效率。当电子与晶格处于热平衡状态时,相干光学声子增强和消除前后反射信号的下降趋势相同,因此光学声子对热量输运没有显著影响。     

金属纳米薄膜微尺度热输运过程实验研究

本文应用飞秒激光泵浦-探测技术对金属纳米薄膜微尺度能量输运过程进行了研究.在此系统中,我们采用低能量密度泵浦光进行加热,测量了纳米金膜在一个脉宽为140fs的激光脉冲作用后,其非平衡电子温度在几个皮秒内随时间的变化.分别用一步抛物模型、两步抛物模型以及双相滞模型和实验结果进行了对比.结果表明,实验结果和两步抛物模型数值模拟结果吻合良好.     

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景,同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源。介绍了国内外飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试方法,比较了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法的优缺点。自相关法具有脉宽测量范围广、结构简单等特点,但不具备脉冲波形测试能力。光谱相位相干直接电场重构法对待测激光光束质量要求较高, 不适合大量程范围激光脉宽快速测量。为满足10 fs~5 ps大量程范围超短激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求,采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪,时间分辨率优于2 fs。     

Fe/Si薄膜中相干声学声子的光激发研究

本文通过抽运-探测技术, 利用飞秒激光脉冲激发并探测了Fe/Si薄膜中的高频相干声学声子. 通过经典的阻尼谐振函数, 对声学声子的动力学行为进行了拟合. 实验及拟合结果表明, 该声学声子的共振频率约为0.25 THz, 其退相时间约为12 ps, 且都与激发光的波长和能量密度无关. 声学声子的振幅随着激发光能量密度的增加而线性地增强. 临界参数12_τe-ph/T约为0.6, 表明相干声学声子的驱动力主要来源于电子热应力的贡献. 最后, 结合薄膜的厚度和质量密度, 可以得到室温下垂直于该Fe/Si薄膜表面(out of plane) 的弹性常数C_⊥约为283 GPa.     

铝纳米薄膜热导率的实验研究

金属纳米薄膜作为一种典型的纳米材料,已广泛应用于信息技术领域。研究表明,随着金属薄膜特征尺寸的减小,金属薄膜体现出与常规不同的热输运特性。本文采用飞秒激光泵浦-探测实验方法,结合抛物两步模型和修正的抛物两步模型,对铝纳米薄膜热导率进行研究。结果表明,考虑了声子热导率修正的抛物两步模型比抛物两步模型更能准确描述热反射信号。拟合得到铝膜热导率分别为98 W·m~(-1)·K~(-1)和94 W.m~(-1)·K~(-1),小于铝的体材料热导率,铝纳米薄膜热导率具有尺度效应,同时拟合得到声子热导率为2.8 W·m~(-1)·K~(-1),提出一种利用飞秒激光泵浦-探测测量声子热导率的方法。     

晶格振动的超快光谱调控

采用飞秒激光抽运脉冲激发了Bi_2Te_3薄膜频率为1.856 THz的声子相干振动,并用探测光测量得到了其阻尼振动信号.结合Raman光谱,确定该振动为A~1_(1g)对称振动模式的相干光学声子.为了实现该模式振动的调控,在抽运光路上安装了脉冲整形器,进而控制生成具有不同时间间隔和能量比的两束脉冲激光.研究表明,当两束脉冲的间隔时间为相干光学声子振动半周期的奇数倍时,调整两束脉冲的能量比值,可以实现A~1_(1g)模式振动的完全消除.继而将两束脉冲的能量比值保持不变,得到了振幅随间隔时间的变化曲线,与理论分析符合.结果进一步证实了用超快光谱调控特定晶格振动的可行性,从而为研究材料内部超快能量传递过程提供了有效手段.     

百飞秒级脉宽的宽带超连续谱光源的产生

实现了一种适合于相干拉曼光谱探测的宽带超连续谱光源的方法,使用1 064nm飞秒激光泵浦全正色散光子晶体光纤,并用光栅对对脉冲进行压缩,最终获得了脉宽178fs,频谱范围处于760～1 300nm的超连续谱光源.对超连续谱脉冲的时间频谱结构进行了分析,未经过压缩的超连续谱的脉冲宽度达到1.43ps,不同频率的成分之间延迟较大,但基本上呈线性平滑分布,因此可以使用光栅对进行色散补偿;此外,提高泵浦光的功率虽然能够增加光谱展宽,但会引入高阶色散,并不利于色散补偿.最后,使用该超连续谱搭建的三色相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统,测量了苯甲腈溶液的相干反斯托克斯拉曼散射信号光谱,同时获得了3 200cm~(-1)范围内的所有振动模式,验证了该超连续光谱的性能.     

皮秒短脉冲光参量啁啾脉冲放大中泵浦信号高精度同步主动控制技术研究

在皮秒短脉冲泵浦的光参量啁啾脉冲放大(ps-OPCPA)系统中,泵浦光与信号光之间的高精度时间同步是需要解决的关键问题之一.本文基于中国工程物理研究院激光聚变研究中心的全OPCPA激光装置,对用于前端ps-OPCPA中泵浦光与信号光的高精度同步主动控制技术进行了详细研究.采用大啁啾信号光窄光谱光参量放大的主动反馈方式,通过合理设计反馈光路信号光的时域展宽啁啾系数,将泵浦光与信号光的同步时间抖动从ps量级降低至百fs量级的时间范围,从而极大地改善了前端ps-OPCPA的能量和光谱不稳定性:7 min测试时间内泵浦光与信号光相对同步时间抖动的均方根值(RMS)从458 fs改善至93 fs,输出能量RMS不稳定性从30.3%改善至3.15%,且维持光谱宽度大于100 nm的稳定宽光谱输出.     

长光纤中拉曼光子时间模式的影响因素研究

在有损耗、色散和自相位调制的影响下,通过分段分析法计算了自发拉曼散射光子的二阶相关函数,研究了长光纤中脉冲光泵浦下自发拉曼散射的时间模式特性。研究结果表明：在无色散和自相位调制的情况下,自发拉曼散射光子的二阶相关函数不受泵浦光损耗的影响,仅由泵浦光脉宽和拉曼光子相干时间之间的比值决定,与自发参量下转换光子的二阶相关函数具有相同的表达式;在有色散和自相位调制的情况下,由色散和自相位调制共同引起的泵浦光脉宽变化,以及泵浦光和拉曼光子间色散致走离,使拉曼光子的时间模式发生改变。自发拉曼散射光子的二阶相关函数取决于光纤损耗系数、色散参数和初始泵浦光脉宽等因素,不再与自发参量下的转换光子相同。     

周期极化LiNbO3脉冲走离效应分析

 建立了包含高阶群速色散的OPCPA 数值模拟程序，并以准相位匹配的周期极化的LiNbO₃(PPLN)参量放大器为例，在信号光是中心波长1 053 nm，脉宽100 fs的飞秒脉冲经展宽器展宽800 ps的啁啾脉冲，输入能量约0.6 nJ，泵浦光波长527 nm，脉宽3 ns，初始输入泵浦光强300 MW/cmLiNbO²，PPLN晶体的非共线角1.49°，极化周期9.7 μm的条件下， 对OPCPA过程前级的高阶群速色散引起的走离效应对泵浦光、信号光频谱和脉冲形状的影响等具体特性进行了数值模拟。结果表明：在合适的晶体长度下，高阶群速色散对参量转换效率的影响不大，但它对输出信号光的时间波形和频谱有较大影响，会引起脉冲时间形状畸变和频谱漂移。     

利用干涉探测技术对相干声子的研究

利用带有环形回路的干涉探测装置,研究了光程差精确为零时参考光和探测光的相干振荡信号,对数据的拟合给出了相干声子诱导的折射率相关变化.由信噪比较高的反射率相位变化信号,不仅清楚地辨别出铝膜中的四种相干声子模式,还分辨出声子回波信号.     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为10³, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来. 关键词： 突破衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 非线性光学 探测极限     

泵浦-探测实验影响因素的研究

结合泵浦-探测技术在材料非线性光学特性测量中的应用,介绍了影响泵浦-探测实验结果的几个因素,如样品厚度、样品距泵浦光会聚透镜焦点的距离、泵浦光强度等。通过40ps脉冲条件下的C60-甲苯溶液的实验结果证实了在满足薄样品近似条件下,使用厚一点的样品获得的泵浦-探测信号较大;样品放置距离泵浦光会聚透镜焦点较近时,泵浦-探测信号较大;在一定的泵浦光强范围内,泵浦光强度增大,泵浦-探测信号会随之增强。同时,对这几个因素影响实验结果的原因给与了简单解释。这些结论对于应用泵浦-探测技术探索材料非线性光学特性的物理本质具有实际的指导意义。     

基于改进光电振荡器结构的超短光帧时钟脉冲提取

研究了一种基于双相位调制器(PM)结构的光电振荡器(OEO)。利用OEO提取的电时钟对外加的连续光进行相位调制,再经过光带通滤波器(OBPF)进行偏移滤波,产生了脉宽为7.6ps的光脉冲。随后进入由相位调制器和单模光纤(SMF)组成的脉冲压缩器进行脉冲压缩,从而得到脉宽很窄的光帧时钟。实验中,成功实现了从4×25Gbit/s信号中同时提取出25GHz的光时钟和电时钟。光时钟的脉冲宽度为3.1ps,占空比为7.75%,时间抖动为135fs(100Hz~10MHz)。电时钟载噪比为61.7dB,时间抖动为118fs(100Hz~10MHz)。     

Ce:KNSBN晶体中超短激光脉冲二波耦合和四波混频相位共轭

脉宽为50～60ps的超短激光脉冲列在Ce:KNSBN晶体中实现二波耦合和四波混频相位共轭。环境的微振动使二波耦合和四波混频相位共轭信号变得不稳定。当泵浦光脉冲从相对于探测光脉冲早到变为迟到时,二波耦合探测光信号从缩小变到放大。四波混频相位共轭信号出现双脉冲。晶体中存在纳秒光折变效应。     

掺杂CdS超微粒的ZrO2薄膜的光学性质

研究了用溶胶凝胶方法制备的CdS超微粒 ZrO2 薄膜的发光特性 ,测量了不同退火温度处理的样品的荧光光谱、荧光激发光谱和荧光衰减曲线的变化 ,通过荧光衰减曲线研究了 14 0 ps左右的CdS的带间跃迁发射和较慢的表面态发射。还测量了这种掺有CdS超微粒的ZrO2 薄膜的飞秒光克尔效应 ,得到三阶非线性光学极化率为4 4× 10 - 1 1 esu和大约 10 0fs的响应时间。结果表明 ,这类材料具有较大的光学非线性和快速的响应时间 ,在高速光开关等方面有潜在的应用前景     

亚皮秒级时间分辨率的光取样示波器实验样机

利用自行开发的高稳定、低抖动和重复频率可调的“σ”型被动锁模光纤激光器作为高性能光学取样源,与待测的80 Gb/s光脉冲信号同时输入到100 m高非线性光纤中,通过四波混频效应实现了对被测光信号的全光采样。然后利用自行开发的数字信号处理与计算机图形显示软件,精确地重现了被测试的基于RZ码型的80 Gb/s光脉冲信号波形图。同时,还利用该光学取样示波器实验样机系统对重复频率为10 GHz、脉宽为1.8 ps的商用半导体主动锁模激光器的输出波形进行测量,所显示的脉冲宽度值为2.0 ps。这表明开发出的实验样机系统的时间分辨率优于900 fs。     

利用双光子吸收效应测量激光脉冲的相干时间

研究了利用反向泵浦－探测双光子吸收材料的方法来测量脉冲激光的相干时间，并测量量了２３ｐｓ，５３２ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ激光脉冲的相干时间。实验和理论分析表明，光束相干作用增加了双光子吸收，利用此方法可测量其它脉宽激光的相干时间。     

飞秒时间分辨离子成像研究NO2分子通道分辨超快解离动力学

本文利用飞秒激光泵浦-探测质谱和离子成像研究了NO_2分子的超快解离动力学.结果表明NO~+离子的动能释放包含两个部分,分别对应的能量是0.05和0.25 eV,并且指认了它们叫能的解离通道.NO~+离子通道分辨的瞬态测量提供了区分超快解离路径贡献的方法,不同动能释放的离子信号变化曲线可以通过双e指数函数进行拟合.其中衰减时间为0.25 ps的快速变化部分产生于里德堡态的演化.变化较慢的信号部分是山两个竞争的通道产生的,其中一个通道是吸收一个400 nm光子到A~2B_2激发态,它的衰减寿命是30 ps;另一个慢的通道是吸收三个400 nm光子到一个价电子类型的里德堡态,它的衰减寿命是短于7.2 ps.通道和时间分辨的实验测量对于区分分子复杂的超快解离动力学具有非常大的潜力.