超连续谱注入光参量放大法产生超短中红外激光脉冲技术研究

论文摘要

1μm波段和3μm～5μm波段超短脉冲光源具有重要价值。一方面,1.053μm光可作为钕玻璃放大系统的前端种子,另一方面,对诸多物理、化学和生物体系中振动态动力学以及半导体材料中的一些光激发动力学研究,都需要3μm～5μm波段的超短脉冲光源。3μm～5μm波段中红外光在基础研究、光谱学、遥感、医疗、环保、探测以及军事等诸多领域都有重要的应用价值和应用前景。介绍了中红外激光的定义与中红外激光在基础研究、光谱学与军事等方面的应用。详细介绍并比较了超短中红外激光的几种产生方法,其中光参量放大法是目前获得超短中红外激光脉冲的主要方法。建立了MgO;LiNbO3晶体中共线与非共线相位匹配光参量放大模型,并对其时空走离特性进行分析。首次采用泵浦波长与信号光波长调谐寻找完全群速度匹配点的方式,对MgO;LiNbO3晶体共线相位匹配OPA过程进行群速度匹配计算,发现在MgO;LiNbO3晶体共线相位匹配中没有完全群速度匹配点。首次从非共线相位匹配抑制时间走离的角度出发,对MgO;LiNbO3晶体非共线相位匹配OPA过程的角度等进行优化。首次对MgO;LiNbO3晶体OPA过程的信号光、泵浦光以及闲频光的容许带宽进行计算,结果表明1μm波段信号光的容许带宽较大,而泵浦光只有不到5nm的容许带宽,中红外闲频光的容许带宽很大（几百纳米～几千纳米）;直接对中红外波段信号光进行放大时,其容许带宽变为几十纳米,泵浦光也有几十纳米的容许带宽。同时,还对不同长度晶体下,泵浦光强与注入信号光强进行优化。从便于实现飞秒脉冲精确同步与注入信号宽调谐性出发,展开了超连续谱注入MgO;LiNbO3晶体光参量放大法产生超短中红外激光脉冲的实验,实验得到了520uJ的参量输出光、总能量转换效率达15.7%、中红外光波长在3.2μm～4.1μm之间（近900nm的带宽）、中红外光能量约126uJ,是目前国内所发报道的能量最大、脉宽最短的超短中红外激光脉冲,也是世界上所报道的同类产生方法中能量最大的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 中红外激光的基本概念与应用意义
• 1.1.1 中红外激光的基本概念
• 1.1.2 中红外激光的应用意义
• 1.2 超短中红外激光脉冲的主要产生方法
• 1.2.1 色心激光器
• 1.2.2 光学自由感应衰减法
• 1.2.3 半导体开关法
• 1.2.4 光学参量振荡法
• 1.2.5 光学差频产生法
• 1.2.6 光学参量放大法
• 1.2.7 小结
• 1.3 超短中红外激光脉冲国内外发展与研究现状
• 1.4 本论文主要研究内容与工作重点
• 第二章 超短激光脉冲光参量放大基本理论
• 2.1 三波互作用基本理论
• 2.1.1 相位匹配条件与角度相位匹配
• 2.1.2 空间走离效应
• 2.2 超短脉冲光参量放大基本特性
• 2.2.1 色散介质中的群速与群速色散
• 2.2.2 群速失配及其对晶体长度的限制
• 2.2.3 耦合波方程
• 2.3 小结
• 第三章 氧化镁铌酸锂晶体中红外光参量放大过程模拟
• 3.1 共线相位匹配
• 3.1.1 色散与相位匹配
• 3.1.2 时空走离
• 3.1.3 时间走离补偿
• 3.2 非共线相位匹配
• 3.2.1 相位匹配
• 3.2.2 时空走离
• 3.2.3 角度优化
• 3.3 允许参量
• 3.3.1 参量容许角
• 3.3.2 参量容许非共线角
• 3.3.3 参量容许带宽
• 3.4 光强优化
• 3.4.1 增益特性
• 3.4.2 小信号下光强优化
• 3.4.3 大信号下光强优化
• 3.5 小结
• 第四章 实验方案与实验结果
• 4.1 超短脉冲光参量放大中的同步
• 4.2 实验方案设计
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 实验光路
• 4.3.2 实验结果与分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 附录B