高峰值功率可調諧中紅外激光的產(chǎn)生研究.pdf

1、中紅外波段是非常重要的電磁輻射波段，在很多科學技術領域具有重要的應用。典型的中紅外波段為3μm到5μm，這個頻率范圍對應著多數(shù)重要分子的振轉能級。另外，由于地球大氣層的兩個透過率“窗口”為3μm-5μm和8μm-13μm，中紅外激光在大氣層中有更高的透過率。因此，高功率中紅外激光在光譜學、材料科學、化學、生物分子學、強場物理、遠程遙感、通訊和國家防御等領域都有重大的應用潛力。
　　近二十年來，可見光和近紅外波段的超短強脈沖技術已經(jīng)

2、發(fā)展得相當成熟，出現(xiàn)了一些商品化的高功率超快激光器，比如常見的鈦寶石再生放大器系統(tǒng)。相對而言，由于中紅外能級型增益介質的嚴重匱乏，目前尚不具備搭建中紅外波段的啁啾脈沖放大器(CPA)系統(tǒng)的條件。因此，高峰值功率的中紅外波段激光技術遠落后于可見光和近紅外波段。近十幾年來蓬勃發(fā)展光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術也可以對超短脈沖進行放大。與CPA技術相比，OPCPA技術具有很多優(yōu)勢，比如可以提供更高的增益、更大的增益帶寬和更高的信噪比。而

3、且，OPCPA放大的信號光的中心波長更加靈活。因此，將OPCPA技術拓展到中紅外波段是發(fā)展高峰值功率中紅外激光的一個可行的方案。但是，目前中紅外波段OPCPA的發(fā)展仍然存在很多困難，比如中紅外光柵衍射效率低、大口徑非線性晶體的匱乏、性能良好的可調諧種子源產(chǎn)生困難等等。
　　本論文針對中紅外高功率激光的發(fā)展需求，以中紅外OPCPA為技術基礎，探討了高功率可調諧中紅外飛秒脈沖激光系統(tǒng)的設計，提出了“中紅外飛秒OPA注入結合中紅外非共線

4、OPCPA放大”的新方案。建立了高功率可調諧中紅外超快激光的技術驗證平臺，產(chǎn)生了120 GW的高峰值功率中紅外飛秒脈沖，高于至今為止國內外報道的功率指標，同時在高功率狀態(tài)下(＞10GW)，首次實現(xiàn)了中紅外飛秒激光的波長可調諧（3.3μm-3.95μm）。論文的主要內容和創(chuàng)新點如下;
　　一、提出了一種新型的基于寬帶、窄帶激光相互作用的寬帶頻率轉換技術，可用于產(chǎn)生寬帶中紅外波段種子激光或者寬帶藍光、紫外波段激光。
　　相對于傳

5、統(tǒng)的寬帶飛秒激光脈沖之間的頻率轉換過程，在相互作用的三波之中引入一束窄帶脈沖激光，可以減小脈沖之間群速度走離(GVM)的影響，獲得更大的位相匹配帶寬，因此可以得到更高的轉化效率。為了驗證這種全新的寬帶頻率轉換技術，我們進行了基于和頻過程(SFG)的驗證性實驗，證實了相對于傳統(tǒng)的寬帶脈沖作用方式，這種基于寬帶、窄帶脈沖相互作用的頻率轉換技術確實具有顯著的寬帶位相匹配優(yōu)勢。
　　二、為產(chǎn)生高峰值功率(＞100 GW)可調諧中紅外脈沖激

6、光，提出了“中紅外飛秒OPA注入結合中紅外非共線OPCPA放大”的新方案。
　　系統(tǒng)前級使用中紅外可調諧飛秒OPA作為性能良好的種子源;放大級采用基于LiNbO3的非共線OPCPA，既保證了足夠的位相匹配帶寬，又保證了最終輸出波長的可調諧;并且為完全抵消高階色散，采用同波長的光柵展寬器/壓縮器。按照總體實驗方案，完成了整個系統(tǒng)的結構和參數(shù)設計，包括中紅外飛秒OPA、光柵展寬器、OPCPA放大級、光柵壓縮器等單元。特別地，通過對Li

7、NbO3、KTA、LiIO3、KNbO3、PPLN等多種中紅外非線性晶體的分析及理論研究，表明LiNbO3晶體具備有效非線性系數(shù)大、位相匹配帶寬大、晶體尺寸大等多種優(yōu)點，有潛力實現(xiàn)峰值功率為數(shù)TW的可調諧中紅外脈沖輸出。
　　三、建立了高功率可調諧中紅外超快激光的技術驗證平臺，產(chǎn)生了120GW的高峰功率中紅外飛秒脈沖，高于至今為止國內外報道的功率指標，并在高功率狀態(tài)下(＞10GW)，首次實現(xiàn)了中紅外飛秒激光的波長可調諧(3.3μm

8、-3.95μm)。
　　實驗中采用可調諧的飛秒OPA來產(chǎn)生OPCPA的中紅外信號注入光。由于OPCPA采用非共線位相匹配，通過改變非共線角和位相匹配角，首次實現(xiàn)了在高功率狀態(tài)下(＞10GW)的中紅外飛秒激光的波長可調諧，激光系統(tǒng)可在3.3μm到3.95μm的波長范圍內連續(xù)可調。OPCPA系統(tǒng)采用LiNbO3晶體單級放大，最高輸出啁啾脈沖能量達到29.5 mJ，對應飽和增益超過4000倍，比基于體塊晶體的增益報道結果高1-2個量級。