基于平衡光学互相关方法的超短脉冲激光相干合成技术

相干合成技术是超快光学领域的重要研究方向之一.当单路脉冲激光的连续谱超过一个倍频程时,精确控制其光谱相位(色散管理)是获得亚周期超短脉冲激光的关键.由于常见的脉冲压缩系统存在光谱带宽限制,因此多通道相干合成技术受到了广泛的关注.本文将充气空心光纤展宽后的超倍频程连续光谱分波段独立压缩,并利用平衡光学互相关方法锁定子脉冲之间的相位延迟,获得了4.1 fs的合成脉冲.实验结果表明相干合成技术在高能量亚周期超快光场调控中存在优势.     

掺镱硼酸钙氧钇飞秒激光器及在拉锥光纤中产生跨倍频程超连续光

跨倍频程超连续光谱的产生是光学频率梳系统中测量载波包络相移频率的关键.本文采用拉锥单模光纤作为非线性光谱展宽介质, 将半导体激光(LD)抽运的掺镱硼酸钙氧钇(Yb:YCOB)振荡器输出的飞秒激光耦合到该拉锥光纤中, 通过飞秒激光在光纤中发生的相位调制、四波混频等非线性效应将光谱展宽至超过倍频程的范围.振荡器输出的飞秒激光脉冲宽度为130 fs, 中心波长为1052 nm, 重复频率为76.8 MHz, 平均功率为620 mW, 耦合进单模拉锥光纤后获得了光谱覆盖范围从550 nm至1350 nm的跨倍频程超连续光谱, 最大输出平均功率为323 mW, 耦合效率达到52%.为进一步实现全固态飞秒激光光学频率梳提供了重要基础.     

基于掺镱激光器的近单周期脉冲后压缩理论研究

单周期的激光脉冲是通过高次谐波方法产生孤立阿秒脉冲的理想驱动源。基于空芯光纤的脉冲后压缩法是获得高时空质量单周期飞秒脉冲的重要途径。本文开展基于充气空芯光纤的脉冲后压缩理论研究，模拟并优化了空芯光纤中纤芯半径，传输长度，气体压强等参数，在充有氩气或氪气的空芯光纤中将光谱展宽达到一个倍频程，并通过色散补偿将掺镱激光器倍频的515 nm脉冲的脉宽压缩至近单周期，其压缩比达到100。该研究结果为基于高功率长脉冲的掺镱激光脉冲的高压缩比实验提供理论指导，为高亮度阿秒激光产生提供高性能驱动光源。     

负曲率空芯光纤对飞秒超短脉冲光的压缩研究

为了实现对飞秒激光器产生的超短脉冲的进一步压缩,对近年来出现的一种新型负曲率空芯光纤展开了研究,并基于该光纤对800 nm飞秒激光进行了压缩实验。首先介绍了一种圆形玻璃管包层结构的负曲率空芯光纤,通过有限元方法对光纤的损耗特性进行计算,并与实验测试结果进行对比。然后利用广义非线性薛定谔方程对脉冲在光纤中的传输进行了模拟仿真。最后利用该光纤进行了超短脉冲压缩实验,将脉冲宽度为160 fs的钛宝石飞秒激光耦合进一段充高压氩气的圆形玻璃管包层结构的负曲率空芯光纤,通过光纤内反常色散和自相位调制的共同作用,得到84 fs的输出,实现脉冲的压缩,实验结果与仿真计算一致。这种新型的负曲率空芯光纤损伤阈值高、色散、非线性系数小且灵活可调,非常适用于超快领域研究。     

飞秒激光在光子晶体光纤中产生超连续光谱机制的实验研究

报道了利用零色散在780nm处的光子晶体光纤与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用的实验结果.实验使用35fs，中心波长810—840nm，单脉冲能量可达14nJ的飞秒激光光源获得了超过一个倍频程的平坦超连续光谱（500—1100nm）.在不同功率、不同中心波长、不同啁啾和有无直流成分的多种飞秒脉冲激光的条件下，研究了超连续光谱的产生情况.并对一系列现象进行了对比，分析了超连续光谱产生的机制. 关键词： 光子晶体光纤 飞秒脉冲激光 超连续光谱     

高能量掺镱飞秒激光多薄片非线性压缩的数值模拟

对高能量掺镱激光器进行腔外压缩,是获得高能量少数周期脉冲的重要方式。通过数值模拟研究了单脉冲能量为250 mJ,波长为1 030 nm的高能量掺镱激光器通过固体多薄片介质进行非线性脉冲压缩的过程,及介质周期、厚度对频谱展宽的影响。在优化频谱展宽条件的过程中发现,不超过介质损伤阈值的情况下,固体薄片组的周期和厚度对频谱展宽具有正向影响。通过选取合适的介质厚度及周期,激光频谱通过熔融石英介质进行展宽,最终输出的光谱带宽达229 nm,补偿色散后,激光脉冲由500 fs压缩至16.2 fs,压缩比达到30。研究结果为实现高能量激光脉冲的非线性压缩提供了理论参考。     

基于光子晶体光纤和拉锥式单模光纤的超连续光谱产生的实验研究

本文使用重复频率为250 MHz、脉冲宽度为135 fs、最大功率为2.2 W的锁模掺镱光纤激光作为种子源,利用光子晶体光纤和自制的拉锥式单模光纤两种高非线性光纤研究了超连续光谱的产生特性,通过对比两种光纤的结构、色散等特性,分析了拉曼孤子、色散波及其他非线性效应对产生的超连续谱形状的影响,并均得到了大于一个倍频程的超连续光谱,特别是拉锥式单模光纤产生的超连续光谱,耦合效率达到60%,这为众多研究领域,尤其是光学频率梳的建立提供了实用的超连续光源.     

1040nm泵浦的光子晶体光纤超连续光谱产生性能退化研究

光子晶体光纤已经被广泛应用于由飞秒脉冲激光源产生超连续光谱。当激光源的重复频率较低时,由光子晶体光纤产生的超连续光谱随时间的变化过程较为缓慢,通常不被注意到。而在天文光谱仪定标等应用中,需要使用GHz至几十GHz量级的高重复频率激光源。此时,可观察到光子晶体光纤的超连续光谱产生性能在有限时间内产生显著的退化。在1 040 nm飞秒激光泵浦条件下,通过测试三种不同气孔占空比的光子晶体光纤的超连续光谱产生性能演化,发现超连续光谱的退化进程随光纤气孔占空比的增大而加速。观察发生光谱退化后的光子晶体光纤样品,发现在光纤上超连续光被产生的区段出现多个不同颜色的亮点,呈现有方向性的光泄露现象。针对光泄露现象,通过测量光纤的吸收光谱线,证实了实验中超连续光谱退化的主因并非是光纤熔融石英材料中大量非桥氧色心产生。针对光泄露具有方向性这一特征,提出了经由多光子吸收作用在光纤纤芯中形成长周期光栅的理论。为探究影响光子晶体光纤超连续光谱产生性能的退化的因素,以达到光谱退化抑制的目的,首先通过改变了光纤的拉锥参数,期望增强光纤熔融石英材料的光子耐受性。实验结果证实了该方法的有效性较为有限。其次,从保持激光源的平均功率,降低激光脉冲的峰值功率和保持激光脉冲的峰值功率,降低激光源平均功率两个方面入手,对激光源进行调制。实验结果证明,光纤单位时间内接受的高峰值功率脉冲总量是影响其超连续光谱产生性能的最重要因素。在天文光谱仪定标的应用中,对超连续光谱光功率的需求并不高,使用斩波器降低光子晶体光纤入射光的平均功率是减缓超连续光谱产生性能退化过程的有效且简单可行的方法。     

饱和功率密度下线性啁啾对交叉偏振波输出特性的影响

交叉偏振波(XPW)技术是一种基于具有各向异性特征的三阶非线性晶体的非线性滤波技术,由于结构简单,稳定可靠,是超强超快激光领域提高时域对比度、压缩脉宽的有效手段之一.在实验中发现,XPW的输出特性受驱动脉冲特性的直接影响,通过理论计算得到了XPW的脉宽和光谱宽度与驱动脉冲的啁啾特性关系,同时利用声光可编程色散滤波器设计实验对理论计算进行了验证.结果表明:实验结果很好地反映了理论计算得出的结论,同时在饱和功率密度条件下,还表现出了一些理论计算没有反映出的新现象,即XPW的光谱展宽突破了驱动脉冲宽度√3倍的限制,最终脉宽也能够压缩至小于入射脉宽的1/√3;此外对于相反线性啁啾的驱动脉冲所产生的XPW信号,其在光谱形状上有明显的偏移差异,同时输出效率也有所不同.最后对这些新现象进行了进一步的分析和理论解释.     

低脉冲能量红外泵浦的宽带超连续光谱产生

以重复频率为250 MH2、脉冲宽度为140 fs的锁模掺镱光纤激光器作为泵浦源,用拉锥光子晶体光纤产生超连续光谱.优化光纤拉锥直径后,在泵浦光脉冲能量达到0.36 nJ时,产生的超连续光在—20 dB水平的光谱覆盖范围为470~1 620 nm;继续增加泵浦光脉冲能量,光谱范围在可见光区已无显著增大.超连续光谱产生的数值模拟结果与实验符合良好,且模拟中超连续光谱产生的部位为光纤靠近入射端的过渡段,与实验中观察到的现象吻合.以25 GHz高重复频率脉冲激光作为泵浦源,保持0.36 nJ脉冲能量,用优化后的光纤进行超连续光谱产生,得到光谱在—20 dB水平上覆盖可见光区的范围为450~700 nm,超过12 h的光谱演化测试表明了超连续光的长期稳定性.     

激光大气成丝中的非线性光频转换

超快强激光在光学介质（如空气）中传播时由于克尔自聚焦效应和等离体散焦效应动态平 衡会发生一种独特的非线性激光成丝现象。激光成丝过程会诱导一些独特的物理现象,如非线性 光频转换产生超连续光谱、等离子体诱导高压放电、锥形辐射等,在大气传感、天气控制等研究 领域具有重要的应用前景。本文针对飞秒激光大气成丝过程中与传输介质相互作用所诱导的非线 性发光过程,介绍了激光大气成丝所产生的超连续光谱（白光）激光、谐波产生和太赫兹波辐射 三种非线性光频转换现象,并着重探讨了太赫兹波辐射的物理机理、研究现状和应用前景。     

Infrared extension of femtosecond supercontinuum generated by filamentation in solid-state media

We carried out experimental and numerical study of the ultrafast supercontinuum generation by filamentation of 120 fs, 800 nm laser pulses in sapphire under variable focusing conditions. We demonstrate that the supercontinuum spectra produced in loose focusing conditions have much larger infrared extent, while the spectral blueshift remains fairly the same. Our numerical simulations reproduce the experimental results in great detail and disclose that the input beam focusing conditions affect only the nonlinear propagation of the leading sub-pulse, which emerges after the pulse splitting event, and which is responsible for the redshifted spectral broadening.     

Evolution of a super-broadened spectrum in a filament generated by an ultrashort intense laser pulse in fused silica

We report experimental and theoretical investigations of the evolution of super-broadened spectrum generation by intense 50-fs pulses propagating in bulk fused silica. Based on good agreement between the experimental results and numerical simulations, a mechanism of supercontinuum generation (SCG) is proposed. At first, both self-phase modulation (SPM) and stimulated Raman scattering (SRS) contribute substantially but slowly to the broadening before filament formation takes place. After filamentation, a plasma grows rapidly and asymmetric spectral broadening results in a blue-shifted spectrum extending to about 400 nm. A time-resolved experiment of the SCG was also performed using a double-pump technique. The temporal behavior suggests that the vibrational mode excited by the stimulated Raman process by the first pulse contributes to the occurrence of self-focusing. PACS 42.65.Re; 42.25.Bs     

克尔介质中超连续谱的产生与自聚焦的抑制

 从（3+1）维非线性薛定谔方程出发，理论上分析了超短脉冲频谱展宽与自聚焦的影响因素。分析得出：通过改变泵浦光的功率和光束口径，可以实现光谱的极大展宽并避免自聚焦成丝。数值模拟了小口径强泵浦光束在BK7玻璃中的传输过程并进行了实验验证。模拟结果显示在超连续谱产生的同时小尺度调制被完全抑制。实验结果表明：降低泵浦光功率，使光束不会因为全光束自聚焦而发生塌陷，同时还能控制除自聚焦外的其它非线性效应，进而改善近场光束质量。由于自相位调制是超短超强脉冲产生超连续谱的重要机制之一，需要维持传输过程中的泵浦光功率，由此最佳的入射光功率应选在全光束自聚焦功率阈值附近。     

Generation of sub-two-cycle mid-infrared pulses by four-wave mixing through filamentation in air

Generation of sub-two-cycle, microjoule pulses in the mid-infrared region is demonstrated. Fundamental and second-harmonic pulses of 25 fs Ti:sapphire amplifier output were focused into the air to produce extremely broadband mid-infrared pulses by four-wave difference-frequency generation through the filamentation. The full width at half-maximum of the spectral bandwidth reaches one octave (2.5-5.5 microm), which is sufficiently broad for sub-single-cycle pulse generation. The pulse width was estimated to be 13 fs, without any compressors, by cross-correlation frequency resolved optical gating. The output energy of more than a few microjoule is sufficient for spectroscopy.     

Supercontinuum generation under filamentation driven by intense femtosecond pulses in supercritical xenon and carbon dioxide

It is found that supercritical fluids are a unique source of multioctave supercontinuum radiation, which is generated upon filamentation of an intense femtosecond laser pulse. If the laser pulse power significantly exceeds the critical power of self-focusing, then a supercontinuum with a width of three and a half spectral octaves (from 350 to 2000 nm) is generated in supercritical xenon. The red wing of supercontinuum generated in supercritical carbon dioxide has the form of a plateau in the range from 1400 to 1900 nm, while the blue wing of the spectrum is almost completely attenuated.     

基于固体薄片超连续飞秒光源驱动的高次谐波产生实验

本文报道了采用基于熔石英薄片超连续的少周期飞秒光源驱动高次谐波产生的实验研究.实验中通过将重复频率1kHz的飞秒钛宝石激光放大器所输出的能量0.8mJ、脉宽30fs的脉冲聚焦到7片0.1mm厚的熔融石英片中,得到了覆盖带宽大于倍频程的展宽光谱.利用啁啾镜补偿色散后,经瞬态光栅频率分辨光学开关法测得脉宽为6.3fs,对应约2.3个光学周期.利用压缩后的激光脉冲聚焦作用于惰性气体,并通过调节尖劈插入量改变脉宽,分别测得了分立以及连续的高次谐波截止区信号,结果与6.3fs的脉冲宽度相符合.     

Self-transformation of a powerful femtosecond laser pulse into a white-light laser pulse in bulk optical media (or supercontinuum generation)

We present experimental and theoretical results on white-light generation in the filamentation of a high-power femtosecond laser pulse in water and atmospheric air. We have shown that the high spatio-temporal localization of the light field in the filament, which enables the supercontinuum generation, is sustained due to the dynamic transformation of the light field on the whole transverse scale of the beam, including its edges. We found that the sources of the supercontinuum blue wing are in the rings, surrounding the filament, as well as at the back of the pulse, where shock-wave formation enhanced by self-steepening takes place. We report on the first observation and demonstration of the interference of the supercontinuum spectral components arising in the course of multiple filamentation in a terawatt laser pulse. We demonstrate that the conversion efficiency of an initially narrow laser pulse spectrum into the supercontinuum depends on the length of the filament with high intensity gradients and can be increased by introducing an initial chirp. PACS 42.65.Jx; 42.65.Re; 42.25.Bs; 42.50.Hz     

飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射

实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生,并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明,使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布,成丝的起点也更为一致;尤其重要的是,相对于高斯光束,平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤,从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.     

Vortices in ultrashort laser pulses

The propagation of optical vortices nested in broadband femtosecond laser beams was studied both numerically and experimentally. Based on the nonlinear Schrödinger equation, the dynamics of different multiple-vortex configurations with varying topological charge were modelled in self-focussing and self-defocussing Kerr media. We find a similar behavior in both cases regarding the vortex–vortex interaction. However, the collapsing background beam alters the propagation for a positive nonlinearity. Regimes of regular and possibly stable multiple filamentation were identified this way. Experiments include measurements on pairs of filaments generated in a vortex beam on an astigmatic Gaussian background with argon gas as the nonlinear medium. Spectral broadening of these filaments leads to a supercontinuum which spans from the visible range into the infrared. Recompression yields <19 fs pulses. Further optimization may lead to much better recompression.