超短激光脉冲二倍频理论分析

采用快速傅里叶变换（FFT）算法和Rung-Kutta法对KDP晶体中超短激光脉冲二倍频过程作了研究。详细讨论了群速度失配、群速度色散和三阶非线性相位调制效应对倍频光脉冲波形、光谱及转换效率的影响。研究结果表明：在超短激光脉冲二倍频中，三阶非线性相位调制效应可使二倍频光脉冲形状发生畸变，光谱明显展宽且转换效率降低；当入射基频光功率密度大于100GW/cm2时，三阶非线性效应是影响倍频过程的主要因素。     

参变过程中的群速延迟对晶体匹配长度的影响

基于能量守恒和三波耦合波方程,建立了超短脉冲在参变过程中二次谐波产生时的I类和II类相位匹配条件、基波与谐波之间的群速延迟时间、以及群速失配对晶体长度限制的理论基础。以负单轴非线性光学晶体CsLiB6O10为例,分析和数值计算了超短脉冲宽度为100fs时,谐波的群速匹配长度随基波波长变化的规律。研究结果表明在I类相位匹配条件下,基波波长为642nm时,群速延迟最小,相应的群速匹配晶体长度最长为19.1mm;在II类相位匹配条件下,基波波长为767nm,群速延迟最小,群速匹配长度最长为0.89mm。     

光强对短脉冲在准周期光学超晶格中传输的影响

 在考虑自相位调制和高阶群速色散的情况下，分析了超短脉冲在准周期Fibonacci超晶格中传输时，入射光强对脉冲传输特性的影响。结果表明：入射光强度对脉冲传输特性影响很大，不但使频谱展宽，而且限制超晶格的有效长度，是超短脉冲进行频率转换的主要考虑因素之一。     

超短激光脉冲在不同色散参量光子晶体光纤中传输的数值模拟

为了使得数值模拟更为精确,采用广义非线性薛定谔方程(GNSE)描述超短激光脉冲在光子晶体光纤中的传输演化过程,并利用二阶分步傅里叶方法通过求解方程,数值计算了相同脉宽和能量的超短脉冲在不同色散参量的光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生。比较了超短脉冲在光纤不同色散区传输时,高阶色散和非线性效应对超连续谱的产生以及对脉冲波形演化的影响。结果表明,相对于超短脉冲中心波长位于光子晶体光纤的正常和反常色散区,可以相应获得短波波段和长波波段的超连续谱输出,当超短脉冲中心波长位于零色散波长点时,通过色散和非线性效应的联合作用,更易于产生全波长段的平坦超连续谱。     

宽带光学参变啁啾脉冲放大系统的色散控制

在设计宽带光学参变啁啾脉冲放大系统时,对色散源进行了理论分析和讨论。对光学参变啁啾脉冲放大系统的色散量以及各个过程中的高阶色散对脉冲时域和频域特性的影响进行了计算。结果表明展宽器引入了非常大的色散,放大器中信号光相位变化产生的色散较大,参量晶体本身引入的色散相对较小可以忽略不计。输出脉冲宽度主要受二阶色散影响,而三阶和四阶色散主要影响脉冲的波形和信噪比,对频域影响很小。     

超短脉冲高斯光束通过透镜的聚焦特性

利用傅里叶积分变换法研究了超短脉冲高斯光束通过透镜的聚焦特性,给出了透镜焦平面上光强的空间、时间分布,以及能量密度分布。在所用数学处理中未使用缓变包络近似,结果对于包括单周期超短脉冲情况都是成立的。数值计算结果和物理分析表明,不考虑色散时,焦点附近的脉冲宽度相对于初始脉冲几乎不变。对于色散透镜,研究了透镜色差和群速度色散影响。透镜色差使焦点附近的脉冲(特别是脉冲前沿)显著展宽,能量密度分布展宽,峰值功率降低。群速度色散会进一步使脉冲展宽,脉冲前沿出现振荡,峰值功率降低,但它对脉冲光束的能量密度分布影响很小。更高阶的色散效应影响较小。     

超短脉冲激光经透射型体Bragg光栅的时域特性

利用Kogelnik耦合波理论对超短脉冲激光经透射型体Bragg光栅的时域衍射特性进行了研究,讨论了透射型体Bragg光栅的群延迟色散和光栅结构参数之间的关系,分析了群延迟色散和频谱剪切对衍射脉冲时域强度分布的影响.结果表明:当入射超短脉冲脉宽为100fs时,经透射型体Bragg光栅衍射后的脉冲展宽主要源自光栅对入射脉冲的频谱剪切,当入射超短脉冲脉宽为10fs时,衍射脉冲的展宽量不仅受频谱剪切的影响,而且与光栅的群延迟色散密切相关.     

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。     

群速失配对CsLiB6O10晶体谐波脉冲展宽的影响

对超短强激光脉冲在CsLiB6O10晶体中的群速失配进行了理论分析,采用傅里叶变换法推导超短脉冲二次谐波的耦合波方程。在Ⅰ类相位匹配下数值计算了脉冲宽度50fs的基波532nm,在CsLiB6O10晶体长度为0．5mm时产生二次谐波(266nm)的群速延迟量约100fs,并且随着晶体长度的增长,二次谐波的脉冲宽度几乎线性展宽。并得到了群速失配量△β1^（2）226．243fs／mm,低阶和二阶群速色散系数分别为β2^（3）=210．120fs^2／mm,β2^(3)=65．587fs^3／mm。其结果表明由于群速延迟和群速色散导致了谐波脉宽展宽和形变。     

超短光脉冲在双折射光子晶体光纤中产生超连续谱的偏振特性数值分析

采用矢量耦合非线性薛定谔方程描述了超短光脉冲在双折射光子晶体光纤中的传输过程,并利用分步傅里叶方法求解该方程。数值模拟了中心波长为1550nm的超短光脉冲在不同色散参量的双折射光子晶体光纤中超连续谱的产生及其偏振特性。分析了光纤在不同色散区时,高阶色散和非线性效应对超连续谱及其偏振态的影响。结果表明,当超短光脉冲波长位于近光纤零色散点的反常色散区时,比其在光纤正常色散区和远离光纤零色散点的反常色散区更容易产生宽且平坦的超连续谱,所得到的光谱显示出了复杂的偏振态特性。     

Ultrashort Gaussian pulse-width expansion and shape deformation induced by group velocity dispersion

Pulse-width expansion and pulse-shape deformation of an ultrashort Gaussian pulse induced by both low and high order group velocity dispersion were theoretically analyzed in terms of energy conservation and coupled equations for three wave radiations. As an example, the optical parametric interaction processes in a negative uniaxial crystal of CsLiB₆O₁₀ with 50 fs of ultrashort Gaussian pulse were simulated. The results indicate that the degree of the pulse expansion induced by low and high order group velocity dispersion is determined by both the wavelength of the incident wave and the crystal length. A pulse could be expanded to 1.41 times its initial value as a crystal length equals the dispersion length and further heavily expanded with decreasing wave-length and increasing crystal length. The pulse expansion induced by high order group velocity dispersion using an incident wavelength of 213 nm is 1.6 times that when using 532 nm in a 50 fs pulse width without chirp modulation, and the symmetry deformation and the frequency pushing phenomena of the ultrashort pulse shape are also found. The text was submitted by the authors in English.     

啁啾补偿的折返点匹配二倍频

提出了一种啁啾补偿群速色散的倍频方法,通过向入射基频光引入合适的初始啁啾,让其与色散相互作用,以实现对基频光脉冲宽度的主动控制,提高转换效率。研究结果表明,这种方法能显著地提高倍频转换效率,以氘含量12.6%(摩尔百分比)的KD*P晶体对脉宽30fs,中心波长为1.053μm的宽带基频光的折返点匹配宽带二倍频过程为例,当基频光转换极限位置处于晶体中心时,能取得最佳的啁啾补偿效果,转换效率可提高近22%。进一步研究了转换效率和转换带宽与晶体长度的关系。     

光子晶体光纤非线性光谱特性的理论与实验研究

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性,可以产生奇异的色散特性及高非线性,为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。受多种非线性光学效应的共同作用,在不同泵浦光脉冲参数条件下,不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程,模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程,获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、泵浦光波长λ、光脉冲形状、光脉冲宽度T_FWHM)、光纤结构参数(孔间距Λ、空气填充比d/Λ、光纤长度z)、传输特性(色散、非线性系数)的关系,分析拉曼孤子、色散波、自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究,获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5 μm附近可见光波段的蓝移色散波、0.82 μm波段的剩余泵浦光、1.1 μm波段的孤子波、2 μm附近的红移宽带色散波。理论分析与实验测量结果一致,阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理,实现了对宽带光谱的可控输出,为高非线性光子晶体光纤的结构设计、制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。     

基于角色散的非共线匹配宽带三倍频技术

宽带光打靶可以有效降低激光等离子体相互作用过程中非线性效应。提出一种基于角色散的非共线匹配宽带三倍频方案,利用宽带基频与窄带二倍频的非共线和频产生宽带三倍频,和频过程中通过特殊设计的渐变光栅实现不同频率的基频光束以特定角度入射,补偿了波长差异引入的位相失配使得全波段满足位相匹配条件。理论模拟表明,采用KDP晶体Ⅱ类位相匹配,将中心波长为1058 nm、带宽10 nm的宽带基频光与526.5 nm的二倍频光进行非共线匹配和频,可以实现高效宽带三倍频转换。     

光子晶体光纤产生飞秒超连续谱的实验研究

研究了飞秒脉冲经过光子晶体光纤时超连续谱产生的物理机制。采用输出波长可调谐的钛宝石光参量放大器作为泵浦源,光纤光谱仪测量不同泵浦功率和不同泵浦波长条件下光子晶体光纤产生的超连续谱的光谱图,对进行了归一化处理后的不同泵浦功率和不同泵浦波长条件下的超连续谱进行对比,分析影响光子晶体光纤超连续谱差异的物理机制。实验结果表明,当泵浦波长不变时,随着入射泵浦脉冲平均功率的增大,波峰增多,谱宽也逐渐加宽并伴随着出现能量向短波方向集中的现象,泵浦功率到达一定强度时,超连续谱的宽度最后到达饱和,谱的包络趋于稳定;入射光功率稳定在300 mW时,超连续谱的宽度和形状皆受到泵浦波长影响,在760～840 nm范围内,泵浦波长越长,波峰数越多,泵浦脉冲波长离零色散点越近,光子晶体光纤产生的超连续谱谱宽会越宽,超连续谱的形状相对越平坦。     

Ultrafast femtosecond all-optical modulation through nondegenerate two-photon absorption in silicon-on-insulator waveguides

We present numerical investigations of ultrafast femtosecond (with time duration of 100 fs at 1/e intensity point) all-optical modulation of a pump-probe wave arrangement by using nondegenerate two-photon absorption (TPA), namely cross absorption, inside silicon-on-insulator (SOI) optical waveguides. Our results show that when a pump pulse with femtosecond duration and a continuous probe wave are co-propagating along the SOI, the probe wave can be modulated inversely by the ultrafast pump pulse, whose modulation depth depends strongly on the system parameters such as the waveguide length, the peak power and initial chirp of the pump wave, the group velocity dispersion (GVD), etc.; this means that the modulation depth can be improved by an appropriate increase of the waveguide length, the pump peak, and the initial chirp, in addition, which has a larger value for the probe wavelength in the normal dispersion regime compared with the case of abnormal dispersion when the center wavelength of the pump wave is located at the zero-dispersion wavelength.     

Polarization-dependent two-color dispersion wave generation and evolution in polarization-maintaining photonic crystal fiber

We investigate the effect of the polarization state of the input pulses on the visible emissions in the anomalous dispersion region of polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF), by using ～100 fs pump pulses whose central wavelength (1064 nm) is close to the second zero dispersion wavelength (1100 nm) of the fiber, where the soliton fission mechanisms play an important role. The experimental results show that the phase-matching two-color dispersive wave emission, one at 582 nm and the other at 600 nm, is polarization-dependent and frequency shift results from the different dispersion characteristics along the two orthogonal principal axes of PM-PCF. Furthermore, it is observed for the first time that the variation of the linear input polarization angles in 45° region almost has no influence on the output spectral profiles, and the break variation of the output spectrum exists when the angle between the polarization of the linear incident pulse and the fast-axis or the slow-axis of PM-PCF is 45°, which are attributed to the coupling between the two polarization modes in high birefringent PM-PCF.     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。