超快光参量过程中非线性光谱位相的产生机理与特性研究

论文摘要

自啁啾脉冲放大(CPA)和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)方案诞生以来,超短超强激光取得了快速发展。与采用激光放大的CPA相比,OPCPA采用光参量放大(OPA),在单程增益和增益带宽方面更具优势。基于OPCPA方案,目前已经产生了峰值功率超过拍瓦、脉冲宽度短至光振荡周期量级的超短超强激光脉冲,在超快科学和强场物理等研究领域具有重要的应用价值。宽带位相匹配是OPCPA的最核心要素,它要求位相匹配条件相对信号光波长高度不敏感。通常,采用双折射晶体角度调谐实现中心波长的位相匹配;采用共线简并放大(信号与闲频光的波长相同)方式或非共线放大方式实现信号光与闲频光之间的群速度匹配(即位相匹配条件相对信号光中心波长的一阶微分为零);在某些特定波长还可实现超宽带的高阶色散不敏感位相匹配,这种“magic”位相匹配相对信号光中心波长的二阶微分为零,可支持跨倍频程的超大带宽参量放大。然而,极宽带位相匹配条件并不简单等同于极短脉冲的获取。原因是宽带OPCPA不得不容忍一定数量的位相失配,即便在“magic”位相匹配条件中,也只有信号光中心波长才具有严格位相匹配,其它波长成分均有一定程度的位相失配(在宽带位相匹配中,位相失配随波长变化的趋势比较平坦)。在位相失配情形下,光参量放大将使得信号脉冲感应到额外的非线性光谱位相畸变(这种光谱位相畸变依赖于三波耦合强度),从而阻碍啁啾信号脉冲的理想压缩,造成压缩脉冲变宽、峰值强度下降。为获得理想的接近傅氏变换极限的压缩脉冲,需要对该非线性光谱位相进行控制或补偿。但是,对于非线性光谱位相的研究至今依然比较匮乏,仍不清楚其物理本质:在基于二阶非线性效应的OPCPA中,为什么会出现类似三阶非线性效应的与强度密切关联的非线性光谱位相?同时,信号脉冲经过非线性晶体线性传输本身也会积累由晶体色散带来的线性光谱位相,它将与OPCPA过程中产生的非线性光谱位相一起共同决定信号脉冲的最终输出位相,那么这两类位相之间有什么内在的关联?另外,能否调控并利用这种“有害”的非线性光谱位相也是一个具有研究价值的物理问题。围绕上述光参量放大领域中的几个重要学术性问题,本文将系统性地研究OPCPA过程中非线性光谱位相的产生机理、演变特性及其潜在应用。论文工作包括如下三方面的创新研究:1.揭示了OPCPA非线性光谱位相的产生机理,全面系统地研究了非线性光谱位相的演变特性及其对压缩脉冲的影响程度与补偿控制。在研究非线性光谱位相产生机理方面,首先着力于位相失配的窄带OPA过程,研究准单色信号光在OPA级联非线性过程中产生的非线性位相,然后调谐信号光的波长和位相失配并计算对应的非线性位相,模拟宽带OPCPA中信号光的非线性光谱位相。通过对比研究,发现每一组位相失配的窄带OPA中产生的非线性位相与宽带OPCPA中相应波长处的非线性光谱位相完全相同,由此证明宽带OPCPA中非线性光谱位相的产生机理为固有位相失配引起的级联非线性。在研究非线性光谱位相演变特性方面,定量研究了它与晶体色散的内在关系,发现在高增益放大状态下,该非线性光谱位相的大小接近于固有位相失配的一半,且在信号光能量完全回流之前保持与晶体色散相同的特性。另外,我们还发现非线性光谱位相不受泵浦光空间分布的影响,这使得只需在光谱域补偿非线性光谱位相即可获得接近傅氏变换极限的压缩脉冲。2.研究了准参量啁啾脉冲放大(QPCPA)过程中闲频光吸收对信号光非线性光谱位相的影响,并通过合理设计闲频光吸收光谱的形状,降低了非线性光谱位相的影响。QPCPA是OPCPA的升级版本,通过吸收闲频光,抑制OPCPA过程内禀的非线性倒流效应,从而实现信号光的高效、宽带放大。由于抑制了倒流效应,QPCPA对位相失配敏感性大大降低,因此QPCPA中的闲频光吸收将影响级联非线性及其产生的非线性光谱位相。研究表明,在相同位相失配条件下,QPCPA中由级联非线性产生的非线性光谱位相远小于OPCPA的非线性光谱位相。据此,我们设计了“倒钟型”分布的闲频光吸收谱型,使位相失配量值较大的信号频率成分对应较大的闲频光吸收,从而在获得高效率和大带宽的前提下,输出较为平坦的非线性光谱位相,显著提升了压缩脉冲质量。3.提出了一种新型的超快群速度操控方法——基于啁啾准位相匹配(QPM)结构的OPCPA,利用其宽带放大优势和参量增益辅助,构建了由群速度失配(GVM)产生的宽带非线性色散共振特性,实现了飞秒脉冲的高保真度群速度操控。众所周知,光脉冲群速度操控的基础是折射率的色散共振。早期基于材料色散共振特性的群速度操控存在着吸收严重、带宽与延迟量矛盾、输出脉冲保真度低等关键问题。而在我们提出的新型操控方法中,光脉冲的群速度操控通过共振级联非线性实现。利用信号光与闲频光之间的GVM,使得级联非线性呈现出剧烈的共振行为;同时借助于啁啾QPM,可以克服GVM引起的带宽限制。两者结合,最终在高增益放大条件下获得了类似折射率色散共振的宽带色散共振特性,从而实现对飞秒脉冲群速度的无损操控。研究表明,放大信号光与闲频光都能获得超过入射脉宽的延迟量并具有良好的保真度,且延迟量的正负可通过改变GVM符号来调节。最后,我们还研究了OPCPA的逆过程——和频产生(SFG)过程中的群速度操控。SFG过程具备更大的GVM量值,可以获得更强烈的宽带色散共振特性,使得和频光可以在较低泵浦光强下获得显著群延迟。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 概述
•   1.2 超短超强激光的发展历程
•     1.2.1 锁模
•     1.2.2 啁啾脉冲放大（CPA）
•     1.2.3 光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）
•   1.3 超快光参量过程中的非线性光谱位相问题
•     1.3.1 光谱位相
•     1.3.2 非线性光谱位相
•   1.4 本论文主要研究内容
• 第二章 超快光参量放大的理论基础
•   2.1 耦合波方程组
•     2.1.1 线性传输方程
•     2.1.2 非线性耦合波方程
•   2.2 光参量增益
•   2.3 位相匹配方法
•     2.3.1 双折射位相匹配
•     2.3.2 准位相匹配（QPM）
•   2.4 增益带宽
•     2.4.1 非共线位相匹配
•     2.4.2 啁啾准位相匹配
•   2.5 本章小结
• 第三章 光参量啁啾脉冲放大中的非线性光谱位相
•   3.1 引言
•   3.2 窄带OPA中的级联非线性
•     3.2.1 小信号解析表达式
•     3.2.2 渐进方程
•   3.3 OPCPA中非线性光谱位相的产生机理
•   3.4 非线性光谱位相的基本特征与补偿
•     3.4.1 非线性光谱位相的基本特征
•     3.4.2 非线性光谱位相的补偿
•   3.5 本章小结
• 第四章 准参量啁啾脉冲放大中的非线性光谱位相
•   4.1 引言
•   4.2 窄带QPA中的级联非线性
•     4.2.1 QPA的基本放大特性
•     4.2.2 QPA的级联非线性
•   4.3 宽带QPCPA中的非线性光谱位相
•   4.4 本章小结
• 第五章 非线性光谱位相的应用——超快群速度操控
•   5.1 群速度操控的基础
•   5.2 啁啾周期极化铌酸锂（CPPLN）晶体中的OPA过程
•     5.2.1 基于CPPLN晶体的耦合波方程组
•     5.2.2 小信号放大特性
•     5.2.3 饱和放大特性
•     5.2.4 OPA在 CPPLN晶体中的级联非线性
•   5.3 共振级联非线性与群速度操控
•     5.3.1 级联非线性的共振
•     5.3.2 信号光群延迟
•     5.3.3 闲频光群延迟
•     5.3.4 超快群速度操控的保真度
•   5.4 和频产生过程中的群速度操控
•     5.4.1 和频光的群速度操控
•     5.4.2 群速度操控的优化设计
•   5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
•   6.1 主要结论与创新点
•   6.2 论文不足与未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周冰洁

导师: 钱列加

关键词: 超快光参量放大,非线性光谱位相,级联非线性,准位相匹配,色散共振,群速度操控

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TN721;TN24

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000595

总页数: 124

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