基于自衍射效应的自参考光谱干涉方法的研究

研究一种基于非线性透明光学介质中的自衍射和自参考光谱干涉的新方法来进行飞秒激光脉冲测量. 实验中, 基于此新方法设计一种简单装置, 对800 nm 中心波长, 约40 fs 近无啁啾飞秒激光脉冲进行测量, 并与自参考光谱相干电场重建法测量结果进行比较, 得到了一致的结果. 此新方法与相应的装置结构简单, 可以对深紫外到中红外光谱范围的飞秒脉冲进行测量. 关键词： 飞秒激光脉冲 自参考光谱干涉 自衍射 脉冲测量     

声光偏转器扫描飞秒激光的时间色散补偿

研究了声光偏转器(AOD)扫描飞秒激光的时间色散效应及补偿方案.在800nm波长处，单个AOD引入的群延时色散(GDD)可达～9300fs².在深入分析AOD和棱镜角色散原理的基础上，提出了用色散棱镜预补偿AOD对飞秒脉冲的时间色散，并进行了实验证实.在AOD中心频率处(70MHz)，将398fs的脉冲压缩到122fs，且整个带宽范围内(50MHz—90MHz)脉宽变化范围为120fs—180fs.这表明该方案用于AOD扫描飞秒激光时进行时间色散补偿是非常有效的. 关键词： 飞秒激光 声光偏转器 时间色散 脉冲压缩     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关法测量飞秒脉冲的研究

超宽光谱的飞秒脉冲测量一直是超快激光领域的重要研究方向之一.常规的飞秒脉冲自相关方法是通过测量自相关倍频信号来获得,而倍频信号具有波长选择性,不同中心波长的飞秒脉冲测量需要更换不同的倍频晶体,十分不方便.因此,提出了一种改进型的瞬态光栅频率分辨光学开关(TG-FROG)方法用于测量飞秒脉冲.该方法结合四波混频和频率分辨光学开关方法,其基本过程是将待测脉冲分为三束,其中两束脉冲经过精密的延时控制并聚焦在光学介质上达到时空重合,利用三阶非线性效应产生稳定的瞬态光栅作为开关光;另一束脉冲作为探测光与产生的瞬态光栅进行相互作用产生一个信号光,使用光谱仪对该信号光的光谱与延迟时间进行测量,并通过反演迭代算法处理而获取待测飞秒脉冲的光谱与电场信息.该方法只需要待测光的功率密度达到三阶非线性效应就可以实现测量,因此可以应用于任意中心波长的飞秒脉冲测量.利用该方法对中心波长分别为800 nm, 400 nm的飞秒脉冲,以及超连续亚10 fs的周期量级超宽光谱飞秒脉冲进行了测量,并与常规的干涉自相关仪器测量结果进行了比较,所得测量结果基本一致.实验结果表明,建立的基于TG-FROG方法对不同中心波长,不同脉冲宽度的飞秒脉冲测量是十分有效的.     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

飞秒激光成丝过程中由等离子体光栅引起的超连续谱增强与转移

在飞秒宽带激光脉冲成丝过程中, 由于双光束干涉效应而形成的空间等离子体光栅, 研究了空气中飞秒宽带激光脉冲成丝所产生的超连续谱增强效应, 并进一步观测到泵浦光脉冲成丝产生的超连续谱能量向较弱的未成丝的探测光脉冲转移, 有效拓展探测光脉冲带宽的新现象. 通过基于布拉格衍射特性的理论计算较好地解释了实验结果.     

基于旋转相干光谱的整形飞秒激光转动动力学调控

我们实验上发展了基于飞秒激光旋转相干光谱的整形飞秒激光转动动力学调控方法，通过脉冲整形技术调控激发脉冲的光谱相位，从而实现对飞秒激光作用下转动态相干激发过程中复原信号及转动布居数的调控. 研究了飞秒激光旋转相干光谱对激光频谱相位的响应机制，突出了飞秒激光频谱相位在气相分子转动态相干激发中的重要作用. 为飞秒激光作用下生物大分子和团簇鉴别及结构探测研究提供了新的参考.     

CS_2飞秒超快非线性特性的实验研究

采用中心波长800 nm、脉宽30 fs的超短激光脉冲,通过飞秒光开关技术对CS_2的飞秒超快非线性特性进行了实验研究.在探测光强与抽运光强比为1∶10时,得到了较理想的光克尔时间分辨曲线.通过实验测定的光克尔信号强度与激发光和探测光偏振方向夹角的依赖关系表明:30 fs的超短激光脉冲激发CS_2的克尔信号主要是源于光诱导双折射效应,而非用200 fs的超短激光脉冲时来自瞬态栅的自衍射效应.     

非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制

研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li：NaTb（WO₄）₂磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.     

高非线性光子晶体光纤中飞秒脉冲的传输特性和超连续谱产生机制的实验研究及模拟分析

用实验和数值模拟两种方法研究了高非线性光子晶体光纤中飞秒激光脉冲的传输特性和超连续谱的产生机理，给出了抽运脉冲在三种不同中心波长情况下输出光谱展宽并形成超连续谱的实际测量及理论模拟结果.研究表明：在零色散波长抽运时，光谱展宽以自相位调制为主，同时三阶色散的影响明显，传输脉冲在时域内出现振荡次峰.而在反常色散区抽运时，光谱展宽的初期以自相位调制为主，随后根据抽运功率的不同孤子自频移、高阶光孤子的裂变和四波混频效应会逐渐增强，进而成为光谱展宽的主要原因.与此相应，在时域中能明显看到孤子的形成和红移，飞秒传输脉 关键词： 光子晶体光纤 高非线性光子晶体光纤 飞秒脉冲激光 超连续谱     

飞秒光诱导铽镓石榴石晶体中的磁化响应研究

运用时间分辨抽运-探测光谱技术,研究了磁光晶体铽镓石榴石(TGG)在不同椭圆偏振态的飞秒激光脉冲诱导下的极化和磁化响应.研究表明,当仅存在逆法拉第效应时,探测光旋转角信号和椭圆率信号的变化方向与圆偏振抽运光的旋向相关.这是由于圆偏振光在TGG晶体中产生的瞬态有效磁场的方向依赖于圆偏振光的旋向所致.光诱导磁化过程与材料的性质有关,TGG晶体的顺磁特性决定了其自旋弛豫时间为几十飞秒.由于探测光旋转角信号和椭圆率信号的半高全宽均为500 fs左右,加之信号强度随着抽运光脉冲能量密度的增加呈线性增长,表明TGG晶 关键词： 铽镓石榴石晶体 抽运-探测光谱技术 逆法拉第效应     

Beam spot size evolution of Gaussian femtosecond pulses after angular dispersion

Beam spot size evolution of spatially Gaussian femtosecond laser pulses after angular dispersion is analyzed and verified with experiments. A general analytical expression for beam spot size at arbitrary propagation distances is obtained, which indicates that beam spot size evolution after angular dispersion is determined by the direct interaction of spectral lateral walk-off by angular dispersion and the intrinsic divergence of the Gaussian beam. This work reveals insights into the propagation of Gaussian femtosecond laser pulses and beams after angular dispersion and may be important for the generation and application of femtosecond laser pulses.     

基于光纤中超短脉冲非线性传输机理与特定光谱选择技术的多波长飞秒激光的产生

高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源在超快光谱学、量子光学及生物成像等研究与应用领域具有重要价值.如在生物多光子显微成像中,具有适中能量的宽调谐飞秒激光源不仅可满足多种生物组织荧光激发所需的峰值功率与激发波长,而且也可以显著提升非线性荧光产生效率、成像分辨率以及增大成像穿透深度.采用自主研发的高可靠性全保偏光纤飞秒激光器作为抽运源,基于低色散光纤中高峰值功率飞秒激光脉冲非线性传输引起的光谱加宽机制,本文开展了多波长全光纤飞秒激光产生技术研究.通过采用中心波长在980, 1000,1050, 1070与1100 nm的带通滤波片选择性地对单模光纤输出光谱中最左边与最右边光谱旁瓣进行滤波,在上述中心波长处分别可获得203, 195, 196, 187与194 fs的激光输出.本文提出的基于全光纤飞秒激光脉冲在单模光纤中非线性传输引起的光谱加宽机制与特定光谱选择技术的实验方案为高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源的实现提供了新的研究途径.     

Mode improvement of a femtosecond laser beam by the spatially self-focusing effect in solid material

The self-focusing effect of femtosecond pulses in a thin piece of BK7 glass is researched through experiment and calculation. The spatial-mode improvement of the femtosecond laser beam is observed. Against the incident pulse with spatial wings, a Gauss-like spatial mode is obtained due to the spatially self-focusing effect in a solid material. The femtosecond pulse propagation in the thin glass plate is analyzed by the amended propagation equation, and the theoretical result shows a qualitative agreement with the experimental result. According to the analysis, the mode improvement of the femtosecond laser beam is resulted from the combination with the self-focusing and dispersion effects in the solid material.     

在固体透明材料中利用级联四波混频方法获得宽带多色飞秒激光脉冲的研究

飞秒激光光谱学实验研究的深入与拓展对飞秒激光脉冲的要求也越来越高.比如多色抽运探测实验需要同时用到多个不同频率的超短飞秒激光脉冲.本文设计了一个更加简单紧凑的实验装置,对两束不同中心频率的入射光引入相反啁啾,在厚度为0.5 mm的CaF2晶体中利用级联四波混频获得了光谱半高全宽近100nm,支持傅里叶转换极限脉宽小于10 fs的多色飞秒激光脉冲.这一结果将为拓展飞秒激光光谱学研究和应用发挥重要作用.     

反射式棱栅对展宽器用于啁啾脉冲放大激光的研究

在啁啾脉冲放大(CPA)系统中, 脉冲的展宽是实现安全有效放大的重要保证. 本文介绍了一种新型的由色散棱镜与光栅组合而成的反射式棱栅对展宽器. 并利用光线追迹法对色散进行了数值模拟, 测量实验结果验证了理论计算的正确性. 在此基础上, 分析了以棱栅对为展宽器和ZF7玻璃材料为压缩器的下啁啾(down-chirped)脉冲放大系统中的色散比较传统的上啁啾脉冲放大系统, 结果表明棱栅对可以同时提供负的二阶色散和三阶色散, 这样能更好地补偿放大器中材料的高阶色散, 从而获得近傅里叶变换极限的压缩脉冲. 此外以块材料作为压缩器不仅提高了传输效率, 而且简化了实验装置, 增强了系统的稳定性. 这样的展宽压缩组合在高重复频率的飞秒啁啾脉冲放大系统中具有明显优势. 关键词： 反射式棱栅对 啁啾脉冲放大 色散 飞秒脉冲     

不同偏振飞秒激光经块状材料传输后的脉宽压缩

实验研究了线偏振和圆偏振状态下的飞秒强激光脉冲在块状材料中的传输过程。不同偏振的激光脉冲在传输过程中得到了不同程度的光谱展宽,经色散补偿后,脉冲时域宽度均得到了压缩。详细分析了压缩脉冲的脉宽以及啁啾情况与入射激光脉冲能量之间的关系,比较了飞秒激光在线偏振及圆偏振情况下的不同压缩效果。在线偏振入射光情况下得到了最短21fs的压缩脉冲宽度,在圆偏振情况下得到的最短脉冲宽度为22fs。实验结果表明,这种光谱展宽与色散补偿方式对圆偏振光同样适用,而且圆偏振的入射激光将更有利于对更高能量的脉冲进行压缩。在色散补偿量相同的情况下,压缩效果随入射脉冲能量变化的规律符合理论估计。     

Talbot effect of a high-density grating under femtosecond laser illumination

The Talbot effect of a high-density grating under femtosecond laser illumination is analyzed with rigorous electromagnetic theory which is based on the Fourier decomposition and the rigorous coupled-wave analysis (RCWA). Numerical simulations show that the contrast of the Talbot images steadily decreases as the transmitted femtosecond laser pulses propagate forward and with wider spectrum width of the femtosecond laser pulses. The Talbot images of high-density gratings have much higher sensitivity of the spectrum widths of the incident laser pulses than those of the traditional low-density gratings. In experiments, the spectrums and the pulse widths of the incident pulses are measured with a frequency-resolved optical grating (FROG) apparatus. The Talbot images are detected by using a Talbot scanning near-field optical microscopy (Talbot-SNOM) technique, which are in coincidence with the numerical simulations. This effect should be useful for developing new femtosecond laser techniques and devices.     

输出能量4mJ的1kHz飞秒掺钛蓝宝石激光再生放大研究

针对高能量千赫兹重复频率飞秒激光的应用需求,设计了一套采用线性再生腔结构的高效率飞秒钛宝石激光啁啾脉冲放大系统.通过优化腔型设计,在重复频率为1 kHz、单脉冲能量为20 mJ的527 nm激光抽运下,将展宽后的800 nm啁啾脉冲激光的能量放大到5.8 mJ,对应斜效率达到30.7%.进一步通过色散补偿压缩脉冲宽度,获得了单脉冲能量为4 mJ、脉冲宽度为45.7 fs的输出,稳定性测量表明激光的能量抖动仅为0.18%(均方根值).     

Dispersion and compensation of temporal pulse width for femtosecond pulse laser ranging

We built an atmosphere dispersion model of femtosecond laser pulses that can calculate temporal pulse width travelling in air. The initial pulse duration of 100 fs can be broadened to 60 ps when propagating 200 km in the atmosphere. An experimental system has been established to compensate the large dispersion propagating 200 km in the atmosphere. The single model fiber (SMF) and the prism pairs were, respectively, used for coarse and fine compensation in the system. The pulse duration was consistently regulated 150 fs by moving the distance of prism pairs. This method can reach submicron resolution for a long distance by means of time of flight measurement.