温度控制飞秒激光在惰性气体中成丝的研究

论文摘要

高能量周期级飞秒脉冲是指脉冲能量在毫焦、亚毫焦量级,脉冲宽度在一到两个光学周期(800nm对应2.67 fs脉冲)的光脉冲。高能量周期级飞秒脉冲在科学与技术研究领域中发挥着越来越大的作用,比如在原子和分子动力过程中的时间分辨测量、高次谐波和阿秒脉冲产生等等。目前高能量、周期量级光脉冲的获取主要集中于采用充气空心光纤技术、成丝光谱展宽技术以及啁啾参量放大技术。而成丝技术是其中实验系统最简单、输出脉冲能量较高的一种。但是,成丝是一种不稳定状态,常常过渡为多丝或者无丝,使光束质量变坏。本论文中,我们提出并实验验证了温度控制成丝展宽光谱的新技术。在惰性气体(本实验用氩气)中,光束在焦点处有最大的峰值功率,因此最容易形成多丝,而远离焦点的地方则因光束峰值功率较低不易成丝。温度梯度方案的原理和目的在于:在焦点附近加热气体会使此处的气体密度降低,进而非线性系数降低,自聚焦阈值提高,使多丝的形成得到抑制。而远离焦点处原本不易成丝的地方这时却因为气体密度增加而非线性系数增大,可以形成单丝。这样我们就可以在较高能量脉冲输入时抑制多丝的产生并增加非线性作用的距离,使光谱相比在均匀温度下得到更好的展宽。我们制作了方案中所需要的温控和加热装置,对加热装置的性能和加热气体时的各个参数进行了测试,证实温接近线性分布。在温度控制飞秒脉冲在惰性气体中成丝的实验中,我们验证了焦点附近局部形成温度梯度对多丝形成的抑制作用,研究了气压、温度、加热位置、能量等因素对成丝的影响,并最终得到了能量较高(大于1mJ),光谱较宽(大于100nm),变换受限小于10fs的近高斯光束的脉冲。将此脉冲压缩并通过同样方式继续展宽光谱并压缩,有希望获得周期量级的脉冲。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 飞秒激光的概念和特点
• 1.2 飞秒激光的发展史
• 1.3 飞秒激光的应用
• 1.4 单周期脉冲的研究
• 1.5 本论文的意义、主要工作及创新点
• 1.5.1 本论文的意义
• 1.5.2 本论文的主要工作
• 1.5.3 本论文的创新点
• 第二章 温度梯度控制成丝的相关知识
• 2.1 飞秒脉冲的基本概念和数学表述
• 2.1.1 单色波的数学表述
• 2.1.2 单脉冲的时频关系
• 2.1.3 啁啾
• 2.1.4 脉冲的功率和能量
• 2.2 脉冲在介质中的传输
• 2.2.1 损耗
• 2.2.2 脉冲在透明介质中的传输
• 2.2.3 色散
• 2.2.4 衍射
• 2.3 非线性效应
• 2.3.1 非线性折射率
• 2.3.2 自相位调制和自陡峭效应
• 2.3.3 自聚焦现象
• 2.3.4 受激拉曼散射（self-excited Raman scattering, SRS）
• 2.3.5 受激布里渊散射（SBS）
• 2.3.6 自散焦效应（Self-defocusing）
• 2.4 成丝展宽光谱的原理
• 2.5 成丝的数学模型
• 2.6 温度的影响
• 2.7 小结
• 第三章 飞秒脉冲在惰性气体中成丝的实验研究
• 3.1 实验装置
• 3.2 加热状态下的温度曲线
• 3.3 温度梯度控制氩气中成丝的实验
• 3.3.1 平凹反射镜曲率半径对光谱展宽的影响
• 3.3.2 光阑对光斑质量的影响
• 3.3.3 加热位置对成丝的影响
• 3.3.4 能量、温度和成丝的关系
• 3.3.5 脉宽对成丝的影响
• 3.4 小结
• 第四章 本论文工作的总结
• 4.1 总结
• 4.2 进一步工作
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢