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     

高能量无波分裂超短脉冲自相似传输的理论研究和数值模拟

从非线性薛定谔方程出发，对SPM作用引起传输脉冲的相位作了合理近似，引入了频谱展宽因子，发现在存在增益时正色散光纤的SPM作用加剧了脉冲频谱展宽幅度，并且脉冲中心和两翼部分的频谱展宽差异很大.给出了存在增益的正色散光纤中高斯型脉冲自相似传输的时域演化，揭示了脉冲展宽的中心部分对边翼部分挤压和覆盖及最终形成自相似脉冲的过程，提出了自相似传输现象的一种合理解释.并通过数值模拟三种不同形状初始脉冲的自相似演化过程对提出的理论进行了验证.     

具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲

从麦克斯韦方程组出发 ,推导出了具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲在非线性光纤中传输的方程和非线性光纤的折射率。给出了描述具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲在非线性光纤中传输方程的解。研究了在非线性光纤中自相位调制导致具有几个光振荡周期的飞秒激光脉冲频谱展宽 (脉宽压缩 )的详细物理过程。研究了非线性光纤中飞秒光孤子产生的条件     

光子晶体光纤中自相位调制效应对超高斯脉冲传输的影响

为了研究光子晶体光纤的微结构对其非线性光传输特性的影响,利用超格子法和光子晶体光纤中的光传输方程,计算了光子晶体光纤中的高斯光脉冲和超高斯脉冲的自相位调制谱.计算结果表明：高斯光脉冲和超高斯光脉冲的高频端比低频端均有较大的频谱展宽,而高斯光脉冲的频谱比超高斯光脉冲的频谱具有更大的中心峰值；超高斯光脉冲较高斯光脉冲有较广的频谱范围,它们的自相位调制展宽范围均随着传输距离的增加而增大.这些现象均可以利用自陡峭效应的理论加以解释.与传统光纤相比,高斯光脉冲在传统光纤中所受自相位调制效应的影响较小.     

变形镜对千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光频谱相位补偿

尝试用光谱展宽的方法从频谱相位(而非时域相位)的角度利用变形反射镜来补偿1kHz飞秒激光系统输出光路的频谱相位畸变,从而提高飞秒激光脉冲的时域强度衬比度,改善其光束质量。频谱相位补偿实验是在一台1kHz掺钛蓝宝石飞秒激光系统输出光路中,针对超短脉冲光束通过传输介质后的频谱相位畸变,引入变形反射镜进行补偿。应用频谱相位干涉直接电场重构(SPIDER)方法和仪器作为测量手段,建立了一套相位测量补偿系统。实验结果表明用变形反射镜可使激光脉冲的相位畸变得到较好的补偿,脉冲的光束质量得到改善。这种方法的主要思想就是将相位补偿转换为空问的光程控制,控制简单且损耗很低,是自适应光学中具有应用前景的一种补偿方法。     

初始啁啾对双曲正割光脉冲线性传输特性的影响

采用分步傅里叶方法数值研究了初始线性啁啾和非线性啁啾双曲正割光脉冲在单模光纤反常色散区的线性传输特性，并与啁啾高斯脉冲的线性传输特性作了比较.给出了双曲正割光脉冲频谱宽度和时间带宽积随初始线性啁啾变化的表达式.结果表明，双曲正割脉冲在线性啁啾|C|>0.1时随传输距离的增加逐渐演化成近高斯型，在0≤|C|≤0.1时最后将演化为近双曲正割脉冲.|C|越小，脉冲时域波形越趋近双曲正割曲线.负啁啾对脉冲时域展宽的影响比正啁啾要大得多.当|C|≥0.5时，初始啁啾对双曲正割光脉冲展宽的影响比对高斯脉冲的影响更大.非线性啁啾双曲正割光脉冲在线性传输过程中会出现时域波形分裂现象，比具有相同啁啾的高斯脉冲时域波形分裂严重. 关键词： 频率啁啾 双曲正割光脉冲 线性传输 时域波形分裂     

光纤型变角度太赫兹时域光谱测量系统研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种非常有效的相干光谱探测技术,被广泛应用于材料特性分析、爆炸物探测、医学诊断以及气体检测等众多领域。传统THz-TDS系统采用钛宝石飞秒激光器作为光源,体积大、成本高,限制了THz-TDS的大规模应用。光纤激光技术近年来发展迅速,光纤飞秒激光器近年来已实现商用,尤其是掺铒光纤飞秒激光器,具有成本低、体积小、稳定性好等优点。采用全光纤的设计方案, THz-TDS系统可设计的非常紧凑和灵活,同时由于飞秒激光在光纤中传输,大大提高了系统的抗环境干扰能力,在工业和现场测量方面具有巨大的应用潜力。但另一方面,由于色散展宽、偏振方向不匹配等效应的影响,会对THz-TDS系统的性能造成严重影响,需要在系统设计时充分考虑。本文设计研制了光纤型THz-TDS系统,对光学、电学和软件三个子系统分别进行了简要介绍。通过插入色散补偿光纤进行色散管理实现了飞秒脉冲宽度的控制,使得到达太赫兹光电导天线的飞秒脉冲宽度保持在50 fs左右,从而消除了因飞秒脉冲展宽导致的太赫兹时域脉冲展宽。通过对飞秒激光偏振态的精确控制,使泵浦激光和探测激光偏振方向与保偏光纤的快轴或慢轴保持平行,避免飞秒脉冲同时沿快慢轴传输导致到达太赫兹天线的时间存在先后,从而消除了太赫兹时域脉冲的分裂现象,获得了信噪比优于12 000的单脉冲太赫兹时域波形。采用变角度光路结构设计,实现了太赫兹透、反射光谱测量的便捷切换,以及变角度太赫兹光谱的测量,给THz-TDS系统的应用带来了很大的方便。     

光子晶体光纤中飞秒激光脉冲传输研究

为更精细地描绘飞秒光脉冲在光子晶体光纤中的传输和演化,用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程(GNSE)的基础上,研究了光纤参量随脉冲峰值频移的变化.模拟了飞秒光脉冲在光子晶体光纤中传输和演化的过程.研究发现：光纤色散和强非线性对飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输、演化以及超连续谱的展宽有很大影响.     

百皮秒脉冲放大中自相位调制效应实验研究

利用掺镱双包层光纤放大器对百皮秒单脉冲(重复频率1 Hz)进行了放大实验,分析了其放大过程中自相位调制对脉冲时域和频域特性的影响.采用小芯径(纤芯直径6.5tμm)掺镱双包层光纤作为增益介质,研究了放大器中从小信号增益到增益深度饱和整个变化过程中自相位调制引起的频谱展宽效应,并分析了SPM引起的脉冲波形和频谱光强分布的...     

少周期脉冲激光在稠密的Λ型三能级原子介质中传播时的频谱分析

利用由预估校正法和时域有限差分法求解全波Maxwell-Bloch方程得到的数值解,研究了超短脉冲激光在稠密的三能级原子系统中的频谱演化规律.研究发现:不管是在稀疏介质中还是在稠密介质中,由于自相位调制作用,频谱均被展宽,而在稠密介质中频谱的宽度要远大于稀疏介质中的情况,这主要是由于近偶极-偶极作用导致的.在稠密介质中...     

Transmission Properties of the Femtosecond Pulse Through a Near-field Optical Fiber probe

The experimental results are given on the broadening characteristics of the time and frequency profile of the femtosecond pulse passed through a SNOM fiber probe. The power threshold for the spectral and temporal broadening was 158 μw for pulses with 250 fs width and the repetition rate of 250 kHz at 830 nm wavelength. The time broadening reached lps for 250 fs incident pulse of 500 μw. A finite-difference time-domain (FDTD) simulation was carried out to illuminate the transmission properties of ultrafast pulse through the SNOM probe. The broadening influence on temporal resolution spectrum and near-field fluorescence excited by two-photon technique are discussed.     

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。     

Transmission Properties of the Femtosecond Pulse Through a Near-field Optical Fiber probe

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｕｌｔｒａｆａｓｔｐｕｌｓｅｓｃａｎｎｉｎｇｎｅａｒ ｆｉｅｌｄｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｎｅａｒ ｆｉｅｌｄｓｐｅｃｔｒａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,ｗｈｉｃｈｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｎｅａｒ ｆｉｅｌｄｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ (ＳＮＯＭ )ａｎｄｔｈｅｕｌｔｒａｆａｓｔｐｕｌｓｅ,ｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｅｓｔ[1～ 3] .Ｔｈｅｓｅｔｅｃｈ…     

双色场下紫外超短脉冲的频谱展宽

当共线传输的双色强激光脉冲满足时间重叠时,其等离子体通道间将出现强烈的耦合作用,由此引起的交叉相位调制可产生强烈的非线性效应,使紫外超短脉冲的频谱展宽效应得到增强.将由钛宝石激光系统经三倍频得到的能量为045 mJ、带宽为15 nm的紫外脉冲和能量为71 mJ的近红外脉冲共线聚焦后,在氩气样品池中分别诱导产生等离子体通道,发现紫外脉冲光谱受到明显调制.调制后的光谱半高全宽增至64 nm,为聚焦前谱宽的4倍,是单束紫外脉冲成丝时谱宽的25倍.实验着重研究在不同时间延迟、耦合位置和气体压强情况下,双 关键词： 紫外超快脉冲 双色光丝 非线性效应 光谱展宽     

不同入射脉冲强度线性啁啾对BaF2晶体交叉偏振波输出特性影响的数值模拟研究

在超短飞秒激光技术中, 基于BaF₂晶体三阶非线性效应的交叉偏振波技术是目前最重要的提高脉冲时域对比度的手段之一. 针对不同入射脉冲强度下入射脉冲的线性啁啾对BaF₂晶体交叉偏振波的输出特性, 包括转换效率、光谱加宽和时域压缩的影响进行了详细的数值模拟和讨论.特别地, 详细对比研究了非饱和及强入射脉冲情况下线性啁啾对交叉偏振波输出脉冲光谱加宽的影响. 结果表明, 在强入射脉冲情况下, 交叉偏振波的光谱加宽量从非饱和情况下相对于零点线性啁啾时的对称结构, 变得不再具有对称性, 并对产生非对称性的原因进行了详细的物理解释.     

CO2激光对熔石英表面小尺寸损伤的修复

利用10.6 μm的CO2激光对不同直径的点状损伤和不同宽度的划痕进行了修复。经过波长351 nm的紫外激光考核发现,对于直径小于80 μm的点状损伤和对于宽度小于40 μm的划痕,随着损伤点尺寸和划痕宽度的增加,修复后阈值提高程度逐渐降低。划痕的宽度在达到40 μm以后修复效果非常微弱。修复过程中,由于作用时间较短及温度分布不均产生了热应力导致样片损伤以后产生径向裂痕,后续的紫外激光会使裂痕明显扩展。当样品被置于高温退火炉内退火3 h以后,应力导致开裂的现象得到了解决。     

少周期激光脉冲与气体作用产生的离化电流和THz波辐射

本文通过理论和数值模拟,研究少周期激光脉冲电离气体原子产生的离化电流 以及相应的THz波辐射.研究表明,少周期激光脉冲离化气体后能产生较大的离化电流, 因而可以产生较强的THz辐射.不同的少周期激光脉冲相位导致电离出的 电子初始速度和电离起始时刻不同,从而产生的离化电流有所不同, 辐射的THz波随激光脉冲的相位成周期性变化.该理论得到一维PIC数值模拟的验证. 对于给定的激光脉冲相位,离化电流和THz辐射振幅并没有随入射激光振幅的增加而单调增加, 而是存在一些极值点.与均匀分布气体相比,当气体分布具有一定梯度时, 辐射表现相似的规律,但频谱会发生一定的变化.     

Low temperature enhancement of alignment-induced spectral broadening of femtosecond laser pulses

The propagation of femtosecond laser pulses in N2-filled hollow fibers is studied both theoretically and experimentally. The laser pulse aligns the N2 molecules and changes the refractive index, which meanwhile modulates the spectrum of the pulse in turn. The dependence of the spectral modulation on the gas temperature is investigated. We find that both spectral broadening and frequency red-shift are enhanced at low temperature. The degree of enhancement is found to be dependent on the pulse duration. Based on our findings, we propose a method for femtosecond pulse spectral broadening and few-cycle pulse generation via the molecular alignment.     

Femtosecond parabolic pulse nonlinear compression with gas-filled hollow-core fiber

We study theoretically the spectral intensity evolutions of the femtosecond Gaussian and parabolic pulses with different initial pulse energies and compare the nonlinear compressions of these pulses based on a meter-long hollow-core fiber filled with neon for different initial pulse durations. The pulses are first coupled into gas-filled hollow-core fiber for spectrum broadening, then compressed by the optimal chirp compensation. The parabolic pulse possesses a shorter pulse duration, larger peak power, and cleaner wings than Gaussian pulse. The properties are useful for compressing the pulses and thus generating the high-energy, short-duration pulses.     

Octave spanning supercontinuum in an As₂S₃ taper using ultralow pump pulse energy

An octave spanning spectrum is generated in an As?S? taper via 77 pJ pulses from an ultrafast fiber laser. Using a previously developed tapering method, we construct a 1.3 μm taper that has a zero-dispersion wavelength around 1.4 μm. The low two-photon absorption of sulfide-based chalcogenide fiber allows for higher input powers than previous efforts in selenium-based chalcogenide tapered fibers. This higher power handling capability combined with input pulse chirp compensation allows an octave spanning spectrum to be generated directly from the taper using the unamplified laser output.