紫外极端超快脉冲产生中的关键技术研究

论文摘要

伴随着CPA技术的发展,飞秒超快激光技术得到了飞速发展。尤其是在近红外波段,飞秒激光脉冲的频谱调制、等离子体光丝操控、高次谐波产生及极端超快激光脉冲产生等研究成为强场光物理及超快激光技术领域的热点。相对于近红外波段的飞秒激光脉冲,紫外波段的飞秒脉冲具有光子能量大,聚焦特性好,电离率高和成丝阈值低等优点。在高功率密度光场产生、高空间分辨成像技术拓展、等离子体光物理等领域有着越来越广阔的应用前景。目前高能紫外激光脉冲通常是基于纳秒、皮秒激光的三倍频的技术途径产生。由于目前尚未获得合适的紫外波段激光增益介质,三倍频技术仍是紫外飞秒激光产生的主要途径。而和频过程的相位匹配受到色散、群速度失配等效应的限制,是高转换效率紫外飞秒脉冲产生的技术瓶颈。宽频谱紫外脉冲的获得,也是极端超快紫外飞秒脉冲产生中的关键技术。通过等离子体光丝对飞秒激光脉冲参数的改善,并获得高功率密度光场,又是当前紫外飞秒脉冲研究中的另外一个技术挑战。为了获得高能紫外飞秒光源,获得宽频谱的紫外脉冲,获得高功率密度的紫外飞秒光丝,本学位论文开展了以下三方面有创新性的研究工作：1、高能量紫外飞秒激光脉冲的获得：这是紫外超快强激光产生的基础。我们采用了倍频-补偿-和频三块BBO晶体级联的TH技术,使产生的三次谐波相对于基波的绝对转换效率大于7%,进一步将由CPA放大系统输出的70mJ/70fs脉冲注入级联的BBO晶体中,输出的紫外波段的三次谐波能量可以达到单脉冲5mJ左右,通过光丝中的自整理效应,光斑模式接近高斯型。2、紫外飞秒脉冲的频谱展宽：也是周期量级紫外超快脉冲获得的关键技术之一。利用分子取向对激光脉冲的频谱调制,通过光脉冲对分子的振动能级的激发,使得分子在空间上的排列随时间周期性的变化。在分子取向随时间变化的过程中,三次谐波的光谱会伴随调制,发生红移或蓝移。我们分别在氮气,氧气,和二氧化碳中获得了半高全宽7nm、9nm、13nm的超宽紫外光谱,理论上可以支持10fs以下的超短紫外脉冲。3、光场相干空间调制与紫外单光丝操控：单光丝操控及其光场空间约束是当前光丝研究的热点之一。但是由于受到等离子体散焦等非线性效应的影响,光丝内部的功率密度很难进一步提高。我们采用光场空间干涉的方法,将两束产生的紫外飞秒脉冲以一个小角度相交,在交叠区域由于干涉形成了等离子体空间的条纹分布（等离子体光栅）。选择恰当的交叉角时,在交叠区可以形成一条明亮的单丝,单丝的直径突破了透镜聚焦的夫琅禾夫衍射极限,获得了5μm级尺寸的紫外飞秒单丝。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 超快强激光技术发展历史
• 1.2 高能紫外飞秒激光的介绍
• 1.2.1 紫外飞秒激光的发展近况
• 1.2.2 紫外飞秒激光的应用前景
• 1.2.3 紫外飞秒脉冲的频谱调制
• 1.3 高能紫外飞秒光丝的形成
• 1.3.1 一维等离子体光栅的形成
• 1.3.2 高能紫外飞秒单丝的形成
• 1.4 选题的意义,论文的主要工作以及创新点
• 1.4.1 选题的意义
• 1.4.2 论文的主要工作
• 1.4.3 论文的创新点
• 第二章 高能紫外飞秒光源的产生与脉冲诊断
• 2.1 高效三次谐波产生技术
• 2.1.1 BBO晶体在三次谐波产生中的应用
• 2.1.2 基于晶体级联的倍频-补偿-和频技术
• 2.2 高能紫外飞秒光源的产生
• 2.2.1 高能紫外飞秒光源产生的实验装置
• 2.2.2 高能紫外飞秒光丝的形成
• 2.3 高能紫外飞秒脉冲的诊断
• 2.3.1 传统的紫外脉冲的测量方法
• 2.3.2 双光子荧光方法测脉冲宽度
• 2.3.3 高能紫外飞秒光源的脉冲宽度
• 2.4 小结
• 第三章 紫外飞秒脉冲的频谱调制
• 3.1 频谱展宽的意义
• 3.1.1 频谱展宽的研究进展
• 3.2 基于分子取向的频谱调制
• 3.2.1 分子取向的研究介绍
• 3.2.2 分子取向在频谱调制和脉冲压缩中的应用
• 3.2.3 分子取向对频谱调频制的计算
• 3.3 不同气体中分子取向的频谱调制的实验
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 分子取向对三次谐波的频谱调制
• 3.3.3 由分子取向引起的交叉聚焦对频谱和光斑的影响
• 3.3.4 实验结果的讨论
• 3.4 小结
• 第四章 高能紫外飞秒单丝的形成
• 4.1 超短紫外激光成丝的发展概况
• 4.2 紫外飞秒等离子体光栅的研究
• 4.2.1 等离子体光栅的研究意义
• 4.2.2 紫外飞秒等离子体光栅形成的实验装置
• 4.2.3.光丝显微成像系统
• 4.2.4 紫外飞秒等离子体光栅的形成
• 4.2.5 等离子体光栅的荧光强度与输入紫外光能量的关系
• 4.3 高能紫外飞秒单丝的形成
• 4.3.1 高能飞秒单丝的研究意义
• 4.3.2 高能飞秒单丝的形成
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 实验总结
• 5.2 紫外飞秒光源以及应用的展望
• 5.3 进一步的实验设想
• 5.3.1 周期量级紫外飞秒光源的产生
• 5.3.2 紫外飞秒成像
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢