基于色散渐减光纤的自相似子激光器优化设计

为了提高自相似子激光器可容忍的最高增益饱和能量,基于脉冲在色散渐减光纤(DDF)中进行自相似演化时具有较强抗光波分裂特性的原理,采用DDF替代自相似子激光器中的单模光纤(SMF)的方法,进行了理论分析和仿真验证。结果表明,DDF替代SMF后,激光器可容忍的最高增益饱和能量增大33.3%,激光器的输出脉冲能量提高109.2%,脉冲峰值功率提高20.6%,脉宽缩短23.1%,自相似评价因子从0.077降低到0.065;在自相似子激光器中利用DDF替代SMF进行脉冲演化可有效提高激光器的最大增益饱和能量,进而使激光器的输出自相似脉冲的脉冲能量更大、脉冲峰值功率更高、脉宽更窄、脉冲质量更高。此研究对获取高功率自相似脉冲具有一定参考价值。

激光场中原子阈上电离的强场近似方法研究

强激光与原子相互作用的基本现象是原子的电离,其中阈上电离是一种非常重要的强场电离现象,许多方法被用于研究激光场中原子的阈上电离性质,其中强场近似方法是十分重要的理论方法之一.本文利用时间演化算符及鞍点近似论述了激光场中单原子阈上电离行为的二级强场近似理论,其中一阶近似项给出低能电子的直接电离振幅,二阶近似项描述电子与母离子的重散射过程,表示高能光电子的电离振幅.文章给出了强场近似理论下线性极化的激光场中光电子能谱和电离概率,为应用强场近似方法模拟研究激光场中单原子的动力学行为提供了一定的理论参考和依据.

半导体量子点分子-腔光机械耦合系统中光学双稳及多稳态的形成及调控

本研究探讨了外部磁场对半导体量子点分子与腔光机械耦合系统中光学双稳态行为的影响.研究结果显示,外部磁场、量子点之间的隧穿耦合以及探测光单光子的失谐可以有效地调控系统的光学双稳态.在弱隧穿和弱磁场条件下,系统的光学双稳态阈值和磁滞回线宽度随着外部磁场和点间隧穿耦合强度的增加而增大.随着磁场强度和隧穿耦合强度的进一步增加,系统的双稳态将演变为多稳态.有趣的是,在强隧穿和强磁场作用下,系统的光学双稳态阈值和磁滞回线宽度随着外部磁场和点间隧穿耦合强度的增加而减小.这种对耦合腔光机械系统中光学双稳态的灵活调控将在可控光开关方面具有潜在的广泛应用前景.

分数阶衍射蜂窝晶格中带隙涡旋孤子的传输与控制

基于分数阶非线性薛定谔方程,研究分数阶衍射效应下蜂窝晶格中带隙涡旋光孤子的存在性与传输特性.首先采用平面波展开法得到蜂窝晶格能带结构,其次在带隙结构中分别采用改进的平方算子迭代法、分步傅里叶法和傅里叶配置法研究含有蜂窝晶格势的分数阶非线性薛定谔方程中带隙涡旋孤子的模式及其传输特性.研究结果发现带隙涡旋孤子的传输特性受Lévy指数和传播常数的影响.在稳定区间,带隙涡旋孤子可以稳定传输,而在非稳定区间,带隙涡旋孤子会随着传输距离的增加而逐渐汇聚,失去环状结构演变为基孤子.且Lévy指数越大,带隙涡旋孤子能够稳定传输的距离越长,功率越低.此外,相邻晶格同相位两个带隙涡旋孤子与旁瓣能量相叠加,反相位两带隙涡旋孤子与旁瓣能量相抵消,传输过程中逐渐失去环状结构,演化为类偶极子模式,且受方位角调制影响而周期性旋转.在非相邻晶格处两带隙涡旋孤子,由于旁瓣影响较小,带隙涡旋孤子在传输过程中能较好地保持环状结构.

基于误差补偿的光源调频非线性校正研究

由于FMCW光源非线性频率调制的影响,其差频信号的频谱会出现展宽,降低频谱分辨率,因此光源非线性校正是该体制激光雷达精确测距的前提。为了避免现有非线性校正技术系统结构复杂,测量成本高的缺陷,本文提出了基于误差补偿的FMCW光源非线性校正法。该方法通过输出信号与线性回归数据之间的误差,构建与输出信号频率变化趋势相反的校正数据作为激光器的调制信号源。经过若干次循环补偿,逐步将输出信号频率与线性回归数据之间的决定系数提高到0.9995以上。最终通过距离测量实验,验证了该方法的有效性和可行性。

基于二次谐波产生光谱与显微成像的CdS纳米线空间取向研究

作为一种非线性光学效应,二次谐波产生(second harmonic generation,SHG)因其良好的偏振敏感性在获得物质成分、结构、特性等信息方面具有广泛应用.尽管前人利用SHG光谱或SHG显微成像方法探索研究了纳米线的精密定位或追踪问题,但是结合使用SHG光谱与SHG显微成像方法实现纳米材料结构与晶轴空间取向方面的研究鲜见报道.本研究分别使用SHG光谱与SHG显微成像方法研究了CdS纳米线空间取向问题.首先,基于全光学分析方法从实验上和理论上研究了硫化镉(CdS)纳米线SHG光谱强度随入射光偏振方向变化的规律,并详细分析了晶轴方位角γ,ω,φ对CdS纳米线SHG花型图的影响.其次,通过理论计算与实验测量结果相互验证,成功确定了单根CdS纳米线的3个晶轴取向.最后,利用偏振相关的SHG显微成像方法研究了单根CdS纳米线的空间取向,发现单根CdS纳米线不同部位具有不同的SHG响应.研究结果为SHG光谱与显微成像在纳米材料空间高精度定位研究提供了新的思路与重要参考,并为纳米材料在生物医学方面的潜在应用提供了重要启示.

基于偏振自稳定双环的受激Brillouin散射光电振荡器

基于偏振自稳定双环结构提出一种受激Brillouin散射(SBS)光电振荡器(OEO),利用SBS的窄带宽增益谱实现相位调制到强度调制的转换(PM-IM),并选择OEO的振荡模式,构造偏振自稳定双环结构,在每个回路中的输入光被45°Faraday旋转镜反射后,将通过45°Faraday旋转器和不同长度单模光纤返回其路径,保证输出信号和输入信号的偏振态始终相差180°,从而消除外界机械振动和温度干扰.由于环路结构为反射式往返传输,因此所需光纤长度缩短1/2.实验结果表明,该OEO通过改变泵浦光波长实现频率调谐,可产生1~16 GHz的微波信号,10 GHz处边模抑制比(SMSR)达67.14 dB,相位噪声为-116.3 dBc/Hz@10 kHz.

散斑场的随机波数及其参量非线性效应

散斑光场在非线性领域有特别的作用,它可用于抑制强光条件下的非线性过程.为了深入了解散斑的参量非线性作用机制,引入了具有波数失配的耦合波方程,讨论了方程的解,波数或位相匹配条件,波数不完全匹配时的增益阈值条件,以及完整解的待定系数.待定系数由边界场决定,如果边界的三个非线性波的复振幅都不为零,还存在边界位相匹配条件,满足该条件的待定系数最大.散斑光场的波数随机起伏,需要分段处理,这种波数随机起伏还会破坏边界位相匹配条件,从而抑制非线性增益.理论研究和数值计算的结果一致表明了散斑对受激布里渊散射参量过程的抑制作用.

PT对称光晶格势中的涡旋光孤子传输特性的研究

本研究提出了一种实现具有宇称时间(PT)对称性的光学贝塞尔势的方案。通过从冷原子气体中光的衍射、非局域非线性和PT对称势约束之间的相互作用入手,研究了如何存在、传播和操纵二维涡旋光孤子。结果显示,该系统支持稳定的二维涡旋光孤子,其拓扑电荷最大值为|m|=6。此外,可通过控制PT对称晶格势的虚部来保证这种孤子的稳定性。由于里德堡-电磁感应透明(Rydberg-EIT)效应增强了局域和非局域非线性,因此这些二维涡旋光孤子只需要很低的功率就可以激发出来。研究结果不仅对PT对称势以及操纵二维涡旋光孤子有重要意义,还在光信息处理和传输方面具有很好的应用前景。

近晶相液晶超结构的多元外场调控

利用液晶的自组装和刺激响应特性,实现近晶相液晶多层级超结构的灵活构筑、动态操控和多功能应用对于激发更多前沿的创新性功能器件并推动液晶超结构的实用化进程具有重要意义。本文从近晶相液晶超结构的生长制备、多元外界刺激对缺陷结构的调制方法和动态调控规律等方面进行系统研究。首先,探究了图案化取向场和旋涂条件对近晶相液晶拓扑超结构的形态与大小的操控;然后,验证了焦锥畴超结构的微透镜成像功能,并通过材料复合优化和引入聚合物稳定策略,实现了正方焦锥畴阵列在35℃下(向列相)的电刺激动态调控性能;最后,研究了手性、光场和热场对双相态液晶超结构带来的多维度调控。本研究充分利用光取向场、聚合物网络、电场、手性、光场等多元外场刺激,实现了对近晶相液晶多层级超结构的多维度调控。

基于光谱合束的双波长输出Nd:YAG固体激光器

报道了一种基于光谱合束的Nd:YAG固体激光器双波长光源。系统由两个固体Nd:YAG脉冲激光器通过光谱合束组合而成,两个固体Nd:YAG脉冲激光器可独立工作,有利于输出脉冲的波长调谐、功率调节和相对延迟调整。通过光栅的色散特性以及输出镜的共同外腔反馈将各个激光器锁定在不同波长,从而实现合束,获得的激光源中心波长锁定在1 061.5 nm和1 064.6 nm,两谱线中心间距为3.1 nm,组合光束的输出能量为173 mJ,组合光束的光束质量因子M2为2.8×2.2;两个Nd:YAG激光器独立工作的输出能量分别为94 mJ和92 mJ,在合束方向上的光束质量因子M2分别为2.7和2.1,在非合束方向上的光束质量因子M2分别为2.2和1.9;组合光束的输出能量为两个Nd:YAG激光器能量总和的93%,组合光束的光束质量因子与单个Nd:YAG激光束的光束质量因子M2基本相同。该双波长激光源满足波长间隔小、输出功率大小相近、同光轴等要求,在太赫兹波产生、测速激光雷达以及医疗仪器等应用领域具有重要作用。

高重频飞秒激光诱导磁性镍薄膜产生LIPSS的研究

飞秒激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是使用线偏振激光作用于材料时最常见的一种表面形貌,一直被研究人员广泛关注,但是在磁性薄膜上诱导产生LIPSS的研究仍相对较少,因此研究高重频飞秒激光作用于磁性薄膜材料后材料磁学性质的变化是十分必要的。实验使用中心波长1030 nm、脉冲宽度300 fs、重复频率100 kHz的飞秒激光在厚度为100 nm的镍薄膜上进行线扫描,诱导产生了LIPSS。光学显微镜和电子显微镜图像显示,在高重频飞秒激光的热效应影响下,LIPSS条纹的周期测量值约为989 nm。通过X射线衍射仪和超导量子干涉仪对写有周期性LIPSS结构的样品进行测试并分析,证明了产生LIPSS过程中导致的材料原子重组并没有改变镍膜的颗粒大小和组成成分,飞秒激光作用后的磁性材料的饱和磁化强度也基本与原样保持一致,但其矫顽力发生了明显的变化,笔者认为这是由于加工过程中喷溅出的极少量反铁磁氧化镍颗粒产生的钉扎效应所导致的。

高能激光系统中不同材料合束镜的热效应分析

为了研究高能激光系统内光路中合束镜受强激光辐射会产生温升和热变形等问题,建立了热仿真的理论模型,采用有限元分析软件分析了不同激光功率辐照下以硅、碳化硅、石英玻璃和微晶玻璃为基底材料的合束镜的温升和热变形,以及极端环境下以石英玻璃、微晶玻璃为基底材料的合束镜的温升和热变形。结果表明,在22℃时,30 kW的单光束激光照射10 s后,4种基底材料中,碳化硅的温度为23.718℃是最低的,微晶玻璃的热形变为0.00115是最小的;30 kW总功率的6个光束激光照射时,微晶玻璃的热形变为0.000399μm,且石英玻璃的热形变比微晶玻璃高出18.8倍;在极端环境下,热形变最小的基底材料也是微晶玻璃;4种基底材料中,微晶玻璃最适合作为高能激光系统中合束镜的基底材料。此研究结果对高能激光系统设计有着一定的实际参考价值。

各向同性介质的三阶非线性极化统一理论

探讨了入射至各向同性介质的不同频率的多光束;推导了三阶非线性极化矢量形式的表达式,并利用它解释了多个已知且独立的非线性光学现象,验证了该表达式的普适性和正确性.结果表明,三阶非线性极化矢量形式的表达式可为各向同性介质中的三阶非线性光学效应提供统一描述;将其拓展至六角晶系材料,能对各种复杂问题提供简单的处理方式.这对于系统地理解各向同性介质和六角晶系材料中的三阶非线性光学效应具有重要意义,有望促进非线性光学在频率转换、偏振态检测和量子信息等领域中的应用.

全光纤结构的2.8μm增益开关激光器

波长为2.8μm的中红外脉冲激光器在科研及生物医疗领域具有重要应用.自主研制基于增益开关的976 nm高功率脉冲激光器,并以此为泵浦源,两端刻有光纤光栅的Er^(3+):ZBLAN(ZrF_(4)-BaF_(2)-LaF_(3)-AlF_(3)-NaF)光纤线型腔作为振荡器,通过级联增益开关的方式,实现了全光纤结构的2.8μm增益开关激光器.输出脉冲的重复频率为50 kHz,脉宽为1.27μs,最大输出功率为175.2 mW,相应的脉冲能量为3.54μJ.由于采用增益开关和光放大方案制备的976 nm泵浦源输出稳定性较高,与采用传统电调制泵浦源方案相比,利用本研究泵浦源方案实现的2.8μm增益开关激光器具有更高的输出脉冲稳定性.该工作从提升输出特性方面拓展了2.8μm全光纤增益开关激光器的研究,并为其他波段增益开关激光器在提高输出脉冲稳定性方面提供了有益借鉴方案.

高功率线偏振窄线宽光纤激光器TMI抑制

高功率线偏振窄线宽光纤激器在功率光谱合成、相干探测等方面具有广泛的应用前景。在高功率线偏振窄线宽光纤激光器中,模式不稳定(TMI)效应是限制其功率提升的主要因素之一。本文分析了TMI效应对高功率线偏振窄线宽光纤激光器输出功率的影响,提出了TMI效应的抑制方法。文章采用长波泵浦技术,输出功率100 mW的单频激光器作为种子源,相位调制器将种子源线宽展宽至25 GHz,经三级放大,最终实现了线宽25 GHz、功率2.2 kW、中心波长1064 nm、消光比98%的线偏振窄线宽激光输出,光束质量M_(x)^(2)=1.2、M_(y)^(2)=1.21。分析了泵浦波长对TMI效应的影响:由于光线芯径较小(20μm),增益光纤对泵浦光吸收系数较高(1.8 dB/m@976 nm),纤芯温度较高,加上泵浦光量子亏损引入的热,导致纤芯折射率发生变化,较低功率下发生TMI效应,当泵浦波长向长波偏移时,泵浦光的量子亏损降低,同时泵浦吸收系数也降低,无论在光纤全长、还是单位长度上的热分布均减小,增大了TMI阈值,提升了线偏振窄线宽光纤激光器的输出功率。

基于h-BN的方向依赖高次谐波产生(特邀)

利用紧束缚电子能带结构并结合求解两能带半导体Bloch方程的方法,研究了单层h-BN的高次谐波产生过程。结果显示平行于驱动光偏振方向的谐波分量在截止区表现出异常的晶格取向依赖关系,当光子能量超过7.31 eV时,奇次谐波的取向依赖相对于较低级次的奇次谐波取向依赖表现出明显的30°角度偏移。确定了能够发生偏移的那些谐波光子能量与布里渊区M点处的载流子动力学相关。进一步的时频分析表明,当驱动光偏振沿zigzag方向时,截止区谐波仅在特定极性的激光半周期内产生,这导致了zigzag方向谐波的急剧减弱,从而造成了截止区晶格取向分布的偏移。这一现象对利用高次谐波光谱重建电子能带结构具有重要意义。

LD环状侧面均匀泵浦Nd∶YAG激光振荡器

激光二极管(Laser Diode,LD)环状侧面均匀泵浦的激光振荡器具有结构简单、光束质量高、单脉冲能量大等特点,常常在高能脉冲固体激光器中作为主振荡功率放大(MOPA)结构的振荡器,一直是国内外科研人员研究的重要方向之一。本论文通过Zemax软件对不同激光二极管排列方式以及不同工作物质吸收系数对吸收光场的影响的进行了仿真。基于仿真结果,设计了一种20个bar条串联的环状侧面泵浦结构,以提高晶体吸收的均匀性。通过该环状侧泵结构,结合超高斯非稳腔设计,搭建了一种双棒串接激光振荡器进行实验研究。该振荡器实现了在100 Hz重复频率下,单脉冲能量为496 mJ、脉冲宽度为12.4 ns的1064 nm激光输出,光束质量优于9 mm·mrad,光-光转换效率为18.5%。并且该振荡器可以维持光轴稳定不变的同时,实现20 ns脉宽以内变档可调。实验结果证明了该环状侧面均匀泵浦结构可靠有效,为MOPA结构振荡器选取提供了一种有效的方案。

基于双光子聚合效应加工大深宽比纳米柱子和超构表面的研究

文章基于双光子聚合(TPP)效应,即双光子光刻(TPL)3D打印技术,实现了超衍射极限和高复杂结构的加工,实现了加工大深宽比的纳米柱子及由这些纳米柱子构成的超构表面。本文研究了不同TPP工艺参数对IP-Dip光刻胶微结构尺寸的影响,同时对这些参数进行了优化。文章的创新在以下两点:(1)分析了不同激光参数下纳米柱的尺寸变化,同时找出线宽最小对应的阈值参数来制备大深宽比的纳米结构。(2)对于加工步骤的优化,在显影步骤后加入了紫外灯固化和超临界二氧化碳干燥等步骤,以保证加工出的纳米结构不倒塌且具有良好的稳定性。文章使用以上改良技术,稳定的制备出具有最大深宽比接近15∶1、最小线宽214.80nm的矩形纳米柱,以及最大深宽比接近20∶1、最小直径145.44nm的圆形纳米柱,并且将制备出的大高宽比纳米柱应用在超构表面的加工中。

LD侧面泵浦Nd∶YAG激光器的增益场均匀性研究

为了获得更好的光束质量的输出,对二极管侧面泵浦激光器内增益分布均匀性进行研究;通过对工作物质内增益分布进行理论分析,利用仿真软件建立增益场模型,研究了LD单侧泵浦Nd∶YAG激光器增益场模型;模拟中通过对不同泵浦功率下的LD单侧泵浦Nd∶YAG激光器增益场与吸收光场均匀性进行对比,结果得到了不同泵浦功率下增益场分布均匀性与吸收光场均匀性分布并不一致,并不是简单直观等效为线性关系,为高低温环境下即开即用的LD侧面泵浦Nd∶YAG固体激光器获得高光束质量、高效率的激光输出提供理论参考提供参考。