论文摘要
本文总结了现阶段我们在超快光学飞秒光学参量放大领域提出的一种新型OPA技术:混合注入式飞秒OPA技术。理论和实验研究表明,混合注入方式在不影响转换效率和装置复杂性的前提下,可以有效的改善窄带注入飞秒OPA的光谱纯净度;通过理论分析OPA中的相位转移机制,提出运用混合注入方式控制OPA中的相位转移,可以消除泵浦光不良相位的影响,重建信号光的相位,获得时间和空间光束质量优良的信号光束,并在混合注入式飞秒OPA实验中得到验证;基于飞秒OPA搭建了一个产生可调谐窄带长脉冲的脉冲展宽器,它采用混合注入式飞秒OPA作为前端光源,使用啁啾匹配的混频过程进行工作,从而将飞秒OPA和脉冲展宽器结合,提供了产生同步的可分别调谐的超快脉冲和数十以至数百皮秒长脉冲的方案,这一方案在同时需要高时间分辨率和光谱分辨率的场合具有应用价值。本文分以下部分进行论述:第一章,介绍超快光学发展的重要技术和超快激光频率转换的主要方式。自1960年激光发明以来,超快光学发展中的关键技术包括:可靠易用的锁模超短脉冲激光振荡器的出现,其代表是克尔透镜锁模的钛宝石激光器;OPCPA技术,极大解决了超快激光放大所面临的激光介质非线性破坏的可能性;实用的超快激光诊断技术,主要是时间和频率分辨的光学自相关技术等。在此基础上,新的非线性光学晶体的引入,使得依靠非线性光学手段特别是光参量放大技术实现频率调谐得到长足发展。这些发展使得超快激光被应用到诸多领域。第二章,介绍了飞秒OPA的基本理论和设计方法。介绍了OPA依赖的非线性参量过程三波相互作用的耦合波方程,讨论了飞秒OPA中参量增益与相位匹配和群速度失配的关系。介绍了飞秒OPA装置设计中的普遍特点,分析了飞秒OPA使用的几种种子产生方式:参量超荧光、白光超连续、窄带光源。第三章,介绍由我们提出并实验的混合注入式飞秒OPA方案。混合注入是指在OPA系统的两级放大中分别采用信号光和闲置光两种波长作为注入源。该技术的直接意义在于,运用到窄带光种子源注入的中红外飞秒OPA中,使输出的信号光不混杂种子窄带光成份。实现光谱纯净化的同时,混合注入的方式不影响OPA转换效率,保持了装置的紧凑性。在基于MgO:LiNbO3的混合注入式OPA实验装置中,获得的1μm波段飞秒信号光脉宽小于150 fs,单脉冲能量达17μJ,输出信号光调谐范围从1.01μm到1.08μm。该技术已申请发明专利。第四章,成对OPA中的相位传递及控制。通过理论和实验证实,在成对OPA系统中,采用混合注入的方式,也即分别采用信号光和闲置光作为注入源,可以重建放大的信号光的时间和空间相位,从而消除了泵浦光相位畸变对信号光带来的影响。这项技术运用在采用双折射相位匹配结构的OPA装置中,很大程度上解除了对泵浦光的相位质量的要求,所以这一技术可望应用到高能量OPCPA系统中。第五章,基于混合注入式飞秒OPA产生可调谐的窄带激光。开发了一个脉冲展宽器,基于啁啾匹配的光学混频技术,以混合注入式飞秒OPA提供的优质飞秒脉冲光束作为前端光源,产生可调谐的窄带数十皮秒长脉冲。该装置输出nJ级能量的脉冲,脉冲带宽为～0.1 nm,脉冲宽度为～45 ps,可调谐范围为1000 nmn-1090 nm。从而飞秒OPA与脉冲展宽器相结合,提供了产生同步可调谐的飞秒超短脉沖和数十（可望达数百）皮秒长脉沖的方案,可在同一套系统中结合高的时域分辨率和光谱分辨率,可以运用到同时要求时域分辨率和光谱域分辨率的应用中。论文取得的主要创新性成果包括:（1）提出并实现了混合注入式飞秒OPA,在降低泵浦阈值和提高稳定性的同时,极大地改善了输出信号光的光谱和脉冲质量,并具有与传统注入方式OPA相当的转换效率和波长调谐能力。（2）在分析OPA过程中相位转移机制的基础上,提出了以混合注入方式消除泵浦光非理想相位（时间域和空间域）向信号光的传递,从而使OPA系统输出的信号光质量不受制于泵浦源的光束与脉冲质量。（3）以混合注入式飞秒OPA作为输入前端,采用啁啾匹配的光学混频技术,产生了光学同步的可调谐窄带长脉冲,使整个系统同时具备了高的时间与光谱分辨能力。