啁啾系数对飞秒脉冲的分裂及光谱性质的影响

利用预估校正-时域有限差分法求得不含慢变包络近似和旋转波近似的全波Maxwell-Bloch方程的数值解,在Λ型三能级原子介质中研究了啁啾系数C对传播中的飞秒Gauss型脉冲分裂情况及光谱性质的影响.结果表明:面积小于等于3π的啁啾脉冲在介质中不出现分裂,但脉冲啁啾会引起脉冲频谱的震荡;对于4π面积啁啾脉冲,啁啾系数C较小时脉冲在介质中发生分裂,C较大的脉冲不再产生分裂,即分裂的子脉冲数量减少;随着C增大,脉冲中心频率附近频谱震荡愈加剧烈,高频成分的范围及强度明显减小;对于大面积8π脉冲,脉冲分裂情况与4π情况相似,但随C增大,脉冲高频成分的范围和强度没有明显变化,而高频成分中的峰值分布却显著不同.     

粒子数密度对飞秒Gauss型脉冲传播及光谱特性的影响

利用预估校正-时域有限差分(PC-FDTD)法求解全波Maxwell-Bloch方程,研究介质粒子数密度(N)对飞秒Gauss型激光脉冲在Λ型三能级原子介质中传播及光谱特性的影响.结果表明:小面积2π脉冲在不同N介质中都不发生分裂,脉冲频谱基本没有新的高频成分产生,随N增大中心频率附近光谱强度明显减小.面积4π脉冲,在N较大的稀疏介质及稠密介质中都产生分裂,在稀疏介质中随N增大频谱展宽幅度及高频成分强度增大,但在稠密介质中频谱展宽变小且远小于N较大时的稀疏介质情况.大面积8π脉冲,脉冲分裂情况与4π脉冲情况相似,但随N增大频谱展宽幅度及高频成分强度单调增大,且在稠密介质中的频谱展宽幅度及高频成分强度远大于N较小的稀疏介质情况.     

周期量级飞秒脉冲电场在非线性克尔介质中的传输

采用时间转换法研究了周期量级飞秒脉冲电场在非线性克尔介质中的传输.由于周期量级飞秒脉冲电场的脉宽小于介质拉曼响应的特征时间,在传输过程中脉冲电场会发生剧烈的变形和分裂,并在频谱上观察到了强烈的拉曼感应频移和色散波.由于周期量级脉冲电场依赖于载波包络相位,发现在脉冲电场传输过程中,主脉冲电场和色散波电场的相位线性地依赖于初始脉冲的载波包络相位.     

载波-包络相位稳定的周期量级近红外超短脉冲激光系统

利用光参量放大过程输出的闲置光载波-包络相位(CEP)被动稳定的特点,搭建了三级光参量放大(OPA)系统,获得了CEP稳定的近红外高能量超短激光脉冲(1.4 mJ/40 fs/1 kHz @ 1.8 μm),其CEP抖动为516 mrad(rms).经空心光纤展宽光谱和块体材料补偿色散,激光脉宽最终可被压缩至小于两个光学周期(<12 fs),脉冲能量达到0.54 mJ.该系统为单个阿秒脉冲的产生和其他高次谐波实验提供了优质的光源. 关键词： 光参量放大 周期量级近红外激光脉冲 载波-包络相位稳定     

稠密V型介质中双色飞秒脉冲及频谱演化的RCEP调制

利用不含慢变振幅近似和旋波近似的全波Maxwell-Bloch方程组的数值解,研究单光子共振和失谐两种条件下,相对载波包络相位(RCEP)对在稠密V型三能级原子介质中传播的双色sech型飞秒超短脉冲及频谱演化的影响.结果表明,RCEP对双色脉冲的传播形式及频谱特性的调制在失谐情况比在单光子共振情况显著,在失谐条件下调节RCEP可获得比单光子共振条件下大得多的频谱展宽,出现了最高频率达到入射脉冲中心频率18倍的超连续谱.     

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.     

傅里叶望远镜部分周期信号解调及对成像的影响

为了解决傅里叶望远镜高功率短脉宽激光只能包含部分周期信号的难题,本文提出多脉冲拼接技术并对其基本原理和应用范围进行深入研究.首先介绍高功率短脉宽激光与声光移频器移频带宽之间的矛盾,进而引出利用傅里叶望远镜传统时间解调公式进行部分周期信号解调存在的困难.然后给出多脉冲拼接技术的基本理论,推导出理想情况下移频频率、脉冲重复率和脉宽满足的拼接条件.进而详细分析移频频率稳定性和脉冲重复率稳定性对多脉冲拼接成像结果的影响,并通过计算机仿真研究一般情况下脉宽变化对多脉冲拼接成像结果的影响.最后得出移频频率和脉冲重复率对成像无影响,激光脉宽变化小于25％仍可识别目标轮廓的结论.     

傅里叶望远镜部分周期信号解调及对成像的影响

为了解决傅里叶望远镜高功率短脉宽激光只能包含部分周期信号的难题,本文提出多脉冲拼接技术并对其基本原理和应用范围进行深入研究.首先介绍高功率短脉宽激光与声光移频器移频带宽之间的矛盾,进而引出利用傅里叶望远镜传统时间解调公式进行部分周期信号解调存在的困难.然后给出多脉冲拼接技术的基本理论,推导出理想情况下移频频率、脉冲重复率和脉宽满足的拼接条件.进而详细分析移频频率稳定性和脉冲重复率稳定性对多脉冲拼接成像结果的影响,并通过计算机仿真研究一般情况下脉宽变化对多脉冲拼接成像结果的影响.最后得出移频频率和脉冲重复率对成像无影响,激光脉宽变化小于25%仍可识别目标轮廓的结论.     

亚10飞秒脉冲的诊断与压缩

采用二次谐波-频谱分辨光闸法对克尔透镜锁模钛宝石激光器输出的飞秒脉冲的振幅和相位 进行诊断，测得其脉冲包络是双曲正割型的，而相位则近似为时间的三次幂形式. 通过对脉 冲频域相位的拟合，诊断出二阶群速度色散是造成脉冲啁啾、导致脉冲展宽的主要原因. 利 用棱镜对补偿二阶群速度色散，进一步将17 fs啁啾脉冲压缩至半高全宽为8.5 fs的近似转 换极限脉冲. 关键词： 飞秒脉冲 二次谐波-频谱分辨光闸法 群速度色散     

正色散克尔介质中光脉冲的传输

综合考虑了在２＋１维正色散介质中克尔效应衍射、色散对光脉冲传输的影响，得到了脉宽、束宽传输的一般规律，并以高斯光束为例用数值法近似讨论了耦合强度、初始脉宽、初始啁啾对自聚焦及自相位调制自脉宽压缩的影响。     

7 fs超快强激光驱动Ar原子产生支持单个阿秒脉冲的高次谐波连续谱

采用脉冲宽度为7 fs,脉冲能量为0.4 mJ的超快强激光脉冲与气体盒子中Ar原子作用获得了高次谐波截止区连续谱,并发现当驱动激光稳定在不同的载波包络相位时,高次谐波的谱结构、谱调制深度和连续谱的带宽都有很大区别。在某些载波包络相位时获得了平滑的连续谱,调制深度小于17%,连续带宽达10 eV,从而支持时域上获得变换极限500 as的单个阿秒脉冲。     

啁啾高斯脉冲通过增益色散介质的传输特性

采用复数波数定义和衍射积分方法,研究了啁啾高斯脉冲在增益色散介质中的传输特性,给出了介质增益谱为洛仑兹分布时的频谱分布以及时空分布的传输解析公式,详细分析了传输过程中光场的频谱和时空分布、脉宽和频谱变化以及谱移等特性。结果表明,啁啾高斯光束在介质中传输时其时间波形仍保持高斯分布不变,但在传输过程中其脉宽会发生变化。在传输过程中,啁啾参量会影响谱宽的减小程度以及谱移的幅度。啁啾参量越大,脉宽展宽和谱宽压窄的效果越明显,同时,随着传输距离的增大,光谱谱移也越明显。对于给定的啁啾参量,随着传输距离的增大,谱移将最终趋于一恒定值。     

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。     

中红外可调谐大能量飞秒脉冲激光产生

可调谐中红外飞秒光纤激光器具有非常普遍的应用,从而引起了人们的广泛关注。目前,非线性光纤中的拉曼孤子自频移效应是实现大范围可调谐飞秒脉冲激光的理想方法之一。然而,非线性光纤中其他高阶非线性效应的产生通常会限制拉曼孤子脉冲的能量提升。本文提出了利用有源掺杂光纤作为非线性介质和增益介质实现可调谐大能量中红外飞秒激光脉冲的方法。在理论上研究了有源掺杂非线性光纤中高阶孤子劈裂和孤子自频移效应的产生,以及线性增益对波长移动拉曼孤子能量、脉宽、光谱的影响。结果表明,通过为波长红移的低能量拉曼孤子提供线性增益,孤子脉冲的能量得到了显著提升且保持了其单脉冲特性,脉冲宽度为45 fs,且孤子脉冲的波长可通过所提供的增益进行大范围调谐。因此,利用有源掺杂光纤作为非线性介质是实现大能量可调谐中红外飞秒脉冲激光的一种有效方法。     

高功率钕玻璃啁啾脉冲放大系统光谱整形

增益窄化效应限制了啁啾脉冲放大系统输出的最短脉冲宽度,需要对注入放大系统的种子啁啾脉冲进行光谱整形,以保证放大后的啁啾脉冲光具有足够的带宽并满足特定的光谱分布.理论上假定放大后啁啾脉冲的光谱分布为高斯分布或超高斯分布,对"百焦耳级钕玻璃啁啾脉冲放大系统"进行逆运算.研究发现,所需种子啁啾光的能量、带宽以及压缩后脉冲的信噪比都与该分布密切相关.通过光谱整形,使放大后的啁啾脉冲光的光谱分布为二阶超高斯分布.能够获得小于400 fs高信噪比的超短脉冲输出,此时所需种子啁啾脉冲能量仅为33μJ,带宽14 nm,在装置前级注入能力的范围之内.为百焦耳装置光谱整形实验的开展提供了理论指导.     

Pulse chirping effect on controlling the transverse cavity oscillations in nonlinear bubble regime

The propagation of an intense laser pulse in an under-dense plasma induces a plasma wake that is suitable for the acceleration of electrons to relativistic energies. For an ultra-intense laser pulse which has a longitudinal size shorter than the plasma wavelength, λp, instead of a periodic plasma wave, a cavity free from cold plasma electrons, called a bubble, is formed behind the laser pulse. An intense charge separation electric field inside the moving bubble can capture the electrons at the base of the bubble and accelerate them with a narrow energy spread. In the nonlinear bubble regime, due to localized depletion at the front of the pulse during its propagation through the plasma, the phase shift between carrier waves and pulse envelope plays an important role in plasma response. The carrier–envelope phase(CEP) breaks down the symmetric transverse ponderomotive force of the laser pulse that makes the bubble structure unstable. Our studies using a series of two-dimensional(2D) particle-in-cell(PIC) simulations show that the frequency-chirped laser pulses are more effective in controlling the pulse depletion rate and consequently the effect of the CEP in the bubble regime. The results indicate that the utilization of a positively chirped laser pulse leads to an increase in rate of erosion of the leading edge of the pulse that rapidly results in the formation of a steep intensity gradient at the front of the pulse. A more unstable bubble structure, the self-injections in different positions, and high dark current are the results of using a positively chirped laser pulse. For a negatively chirped laser pulse, the pulse depletion process is compensated during the propagation of the pulse in plasma in such a way that results in a more stable bubble shape and therefore, a localized electron bunch is produced during the acceleration process. As a result, by the proper choice of chirping, one can tune the number of self-injected electrons, the size of accelerated bunch and its energy spectrum to the values required for practical applications.     

单稳系统的脉冲响应研究

针对单稳系统检测脉冲信号的参数调节方法很难达到理想随机共振效果的难点, 本文提出了脉冲序列整体平移的方法. 该方法不采用系统参数调节, 而是通过偏移量的设置来实现并达到增强单稳随机共振的目的. 为了减小单稳脉冲响应波形的失真, 探讨了该方法减小脉冲响应失真的机理. 在噪声存在的情况下, 揭示了该平移方法调节噪声使噪声产生积极作用从而改善单稳随机共振的机理, 表明所提方法有利于含噪脉冲信号的检测.     

Theoretical Study of High-Order Harmonic Generation From a Coherent Superposition State in a Chirp-Free Pulse Combined with a Chirped Control Pulse

In this paper, we theoretically investigate high-order harmonic generation (HHG) from a helium atom prepared in a coherent superposition state in a two-color laser field. Numerical results show that the emission efficiency of the harmonic spectrum in a coherent superposition state is enhanced by approximately eight orders of magnitude compared with the case of the ground state. In addition, the effect of the initial population of the excited state on the HHG is presented to reveal the physical origin of the enhancement of HHG. By adjusting the laser parameters of the driving pulse, such as the chirping parameter, the relative phase, and the intensity of the driving pulse, an ultrabroad continuum with a width of 275 eV can be observed. Finally, an isolated 12-as pulse is generated after phase compensation.     

变栅距光栅实现啁啾脉冲光谱整形

为了充分利用放大介质的增益带宽,获得脉宽更短,功率更高的输出脉冲,需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053nm,谱宽6nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性,发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响,通过选取适当的光栅参量可获得0.5%~84%的光谱调制深度。