飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究

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现在的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和成丝光谱展宽技术。对于充气空心光纤技术,由于自聚焦条件的限制,脉冲的能量大都限制在微焦量级。最近,梯度气压的方法被提出来,以提高输入端耦合的入射脉冲能量,并且获得了成功。然而,梯度气压的方法自身也具有缺点和局限性,例如装置复杂,大量惰性气体的浪费以及流动气体的气流对脉冲稳定性的影响等等。而成丝又由于其在高能量下容易引起多丝,多丝之间的竞争使系统稳定性极大减弱,从而极大影响了高质量脉冲的获得。本文完善了梯度温度控制成丝的概念。利用温度控制(形成梯度温度)来抑制多丝形成,在单丝状态下(对比常温状态显著提高了输入脉冲能量)展宽光谱进而压缩是获得高能量周期级飞秒脉冲的一个有效方案。气体的各种光学性质,如折射率、非线性系数等都是与温度有关的(随温度而变化)。控制温度便能够控制气体的各种光学性质,进而控制与气体相互作用的飞秒脉冲在传播过程中的时域和频域演化进程,以及传播中的各种光学现象,如自聚焦、成丝等。在梯度气压或梯度温度的状态下,输入端有较低的气压或较高的温度,从而具有较低的非线性折射率,由于自聚焦阈值与非线性系数成反比,所以在输入端能够容纳更多能量脉冲的输入。而随着脉冲的传播,由于损耗和色散的原因,脉冲的峰值功率逐渐降低,此时,由于气压的升高或温度的降低,非线性系数逐步增大,弥补了脉冲强度降低带来的非线性作用的减弱,使脉冲的光谱展宽得以随脉冲在介质中的传播不断的进行,从而经过进一步压缩后能够获得较高能量较窄脉宽的脉冲。可以预见,梯度温度的方法对于多丝的形成有明显的抑制作用,在多丝状态下,提高温度,增加自聚焦阈值,便能够有效地抑制多丝,使其保持单丝状态。本文在理论和实验上研究了飞秒脉冲在温度控制下的梯度温度惰性气体中传输的现象、机制和演变进程等等。对于研究温度对飞秒脉冲传输的影响以及高能量周期级脉冲的获得有一定的理论和实验指导意义。从而为高能量周期级飞秒脉冲的获得开辟了一条新的可行而有效的途径。本文完善了将梯度温度用于抑制惰性气体中超短脉冲的多丝形成来获得高能量周期级飞秒脉冲的方法。利用梯度温度进行抑制多丝,在单丝状态下进行光谱展宽能够有效地克服梯度气压过程中气体流动性所带来的缺点。同时能够获得相同量级能量的超短脉冲。建立了理论计算的模型,对梯度温度抑制多丝获得高能量周期级飞秒脉冲进行了理论计算和分析。并且提出了理想梯度温度曲线的概念。在实验上,通过具体实验验证了梯度温度对于成丝的各种性质的控制作用,包括:成丝阈值的提高、多丝的抑制等,验证了各种不同条件对于成丝状态影响和光谱展宽的情况,从而证实了此种方法是获得高能量宽带光谱的一种有效方法,通过进一步压缩有可能获得高能量周期级的飞秒脉冲。本文还对获得高能量周期级飞秒脉冲的一些相关具体问题进行了探讨与研究。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的主要工作
• 1.1.1 理论部分
• 1.1.2 实验部分
• 1.2 本文主要创新点
• 第二章 飞秒光学基础
• 2.1 飞秒脉冲简介
• 2.1.1 时间尺度
• 2.1.2 飞秒激光的概念和特点
• 2.1.3 飞秒激光的发展简史
• 2.1.4 啁啾脉冲放大（Chiped Pulse Amplification, CPA）系统简介.
• 2.1.5 飞秒脉冲激光器的应用
• 2.2 飞秒脉冲的基本概念和数学表述
• 2.2.1 单色波的数学表述
• 2.2.2 单脉冲的时频关系
• 2.2.3 啁啾
• 2.2.4 脉冲的功率和能量
• 2.3 脉冲在介质中的传输
• 2.3.1 损耗
• 2.3.2 脉冲在透明介质中的传输
• 2.3.3 色散
• 2.3.4 衍射
• 2.3.5 非线性效应
• 2.3.6 脉冲在介质中的传输
• 2.4 小结
• 第三章 飞秒脉冲在介质中的传输方程
• 3.1 不考虑电离情况下的方程
• 3.1.1 从麦克斯韦方程组到非线性薛定谔方程
• 3.1.2 其他方程
• 3.2 考虑电离情况下的方程组
• 3.2.1 方程组一
• 3.2.2 方程组二
• 3.2.3 方程组三
• 3.3 方程中介质的参数
• 3.3.1 中空光波导参数
• 3.3.2 气体的折射率
• 3.3.3 气体的非线性折射率
• 3.4 时域非线性薛定谔方程在特定条件下的解析解
• 3.4.1 只有色散
• 3.4.2 只有自相位调制
• 3.4.3 自相位调制和自陡峭效应共同作用
• 3.5 方程的数值解法
• 3.5.1 分步法
• 3.5.2 傅立叶法（光谱法）
• 3.5.3 分步傅立叶法解非线性薛定谔方程
• 3.5.4 迭代法
• 3.5.5 龙格库塔（Runge-Kutta, R-K）法
• 3.6 小结
• 第四章 飞秒脉冲在氩气中传输的研究
• 4.1 分段中空光波导的优化
• 4.2 各种初始条件对脉冲传输的影响
• 4.2.1 峰值功率的影响
• 4.2.2 压强的影响
• 4.2.3 光斑半径影响
• 4.2.4 脉宽的影响
• 4.2.5 焦距的影响
• 4.2.6 超高斯脉冲的传播
• 4.3 小结
• 第五章 飞秒脉冲在梯度温度气体中传输的理论研究
• 5.1 梯度温度和梯度密度
• 5.1.1 理想气体方程和范德瓦耳斯方程
• 5.1.2 气压、温度和密度
• 5.1.3 梯度温度
• 5.2 飞秒脉冲在梯度温度氩气传输中的光谱展宽
• 5.2.1 光谱展宽
• 5.2.2 在不同形状梯度温度中传播
• 5.2.3 高能量脉冲输入下的情况
• 5.3 光谱展宽量化分析
• 5.4 理想梯度温度曲线
• 5.4.1 理想梯度温度曲线
• 5.4.2 脉冲能量的影响
• 5.4.3 脉冲宽度的影响
• 5.4.4 光纤半径的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 飞秒脉冲在温度控制的惰性气体中传输的实验研究
• 6.1 成丝过程中的物理机制
• 6.1.1 衍射
• 6.1.2 群速度色散和高阶色散
• 6.1.3 自聚焦
• 6.1.4 自相位调制
• 6.1.5 拉曼效应
• 6.1.6 自陡峭
• 6.1.7 光致电离
• 6.1.8 等离子体引起自散焦
• 6.2 温度梯度成丝实验
• 6.2.1 实验光路和装置
• 6.2.2 加热曲线和加热位置
• 6.2.3 不加热时成丝情况
• 6.2.4 入射光斑质量与光阑作用
• 6.2.5 前端加热
• 6.2.6 中端加热
• 6.2.7 后端加热
• 6.2.8 能量、温度和成丝关系进一步探究
• 6.2.9 脉宽的影响
• 6.3 密度与成丝的定性分析
• 6.4 成丝的数值计算和模拟
• 6.5 小结
• 6.5.1 实验小结
• 6.5.2 梯度温度的缺点
• 6.5.3 进一步工作
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 工作展望
• 7.2.1 理论上的工作
• 7.2.2 实验上的工作
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢