超短激光脉冲测量研究进展

超短激光脉冲作为产生阿秒激光与探索物质微观世界的重要工具,其时间特性的精确测量尤为重要。介绍了几种少周期激光脉冲的产生以及常用的表征技术,并将表征技术在广义上分为频域测量与时域测量两大类。在频域测量中,通过测量非线性过程产生的光谱信息来反演重构超短激光脉冲的包络及相位;在时域测量中,利用“超快门开关”直接对脉冲的光场信息进行采样,从而获取时间特性。两类技术在应用场景上各有侧重,频域测量因其装置简便快捷而被广泛应用在快速表征的实验场景中,而时域采样则因为可以直接获得光电场信息,常用于与光电场直接相关的超快物理实验。

超短激光脉冲技术及其研究进展

首先阐述超短激光脉冲发展的几个历史阶段及其特点 ,并介绍了飞秒激光器的类型及飞秒脉冲的产生、放大与测量 ,最后介绍了飞秒激光技术的相关学科。

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过f/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。

时空分布的超短激光脉冲烧蚀电介质材料时等离子体的产生

若考虑聚焦平面内固定区域 ,脉冲空间分布可简化为一维问题 在此基础上 ,从脉冲的传输过程出发 ,本文分析了时空分布的超短激光脉冲与电介质材料相互作用时等离子体形成模式 在材料内部累积的能量与脉冲宽度、与空间相关的损伤区域。

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性，如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等，在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义，而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化，精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题．本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型，阐述了时域、频域测量的等效性，从无限空间几何结构出发，逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示，在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法．

非均匀展宽对超短激光脉冲传播特性的影响

用建立的"预报校正-四阶龙格库塔"数值算法研究了非均匀展宽二能级体系中超短激光脉冲的传播特性。计算结果表明,非均匀展宽线型的线宽对光脉冲传播会产生调制作用。当线宽大于脉冲的频谱宽度时,脉冲面积演化与面积定理相符且脉冲传播平稳;但随着线宽的减小,脉冲面积演化会越来越偏离面积定理,脉冲传播不再平稳并出现"拖尾"振荡。脉冲主峰的峰值和脉冲的传播速度也受到线宽的影响。

超短激光脉冲波形的单次测量技术

提出了一种测量单次超短激光脉冲波形的三阶相关技术.该技术有别于频率分辨光开关法或自参考光谱相位相干电场重构法,技术上采用级联的方式,借助倍频晶体以及和频晶体的非共线频率转换,将双延迟的三阶强度相关信号转换为对应的二维空间强度分布,通过测量双延迟的二维三阶相关信号,无需测量光谱信息,利用解析方法获得脉冲的时间波形;再将它与对应的光谱相结合,利用Gerchberg-Saxton算法,可以准确获得激光场强的时间特性.该测量技术结构简单、算法简便,既适用于单次超快激光脉冲测量,也适用于高重频测量.

基于超短激光脉冲的太赫兹辐射特性研究

向列子（Nematicons）是向列相液晶中传输的自陷光束，包括空间光孤子和空间光呼吸子。向列子的传输特性由非局域非线性薛定谔方程（非线性项是非线性响应函数和光强对空间横向坐标的卷积）描述。对于1＋2维模型，其非线性响应函数为零阶第二类修正Bessel函数Ko（r）。我们首次在理论上证明，向列相液晶的特征长度可以通过控制液晶盒偏置电压来改变，从而通过偏置电压的改变可以改变向列相液晶的非局域程度（在输入光束束宽保持不变的前提下）。

用于超短激光脉冲检测的新型光电薄膜的量子产额

超短激光脉冲的研究已经成为基础科学与应用科学研究的重要内容，对用于检测这种信号的光电发射功能薄膜材料的研究也受到人们极大重视。Ag－Ba－O薄膜是一种可以经历暴露大气，用于超短激光脉冲检测的新型光电发射材料。光电薄膜在超短激光脉冲作用下的量子产额测量与普通可见光作用下量子产额的测量有很大不同。当激光波长为1．06μm，激光的功率密度为107～108W／cm2，选单光脉冲宽度为40Ps时，经历暴露大气的Ag－Ba－O薄膜光电量子产额为10-6数量级。这种薄膜经历暴露大气后，可见光的积分灵敏度全部损失，但在1．06μm激光作用下恢复，光电量子产额不比未暴露大气的样品低。这为Ag－Ba－O薄膜应甲于红外超短激光脉冲的检测奠定了基础。

用干涉自相关包络宽度测量超短激光脉冲啁啾

为了测量超短激光脉冲啁啾值,提出了一种用2次干涉自相关包络宽度测量啁啾值的简单方法。利用2次干涉自相关包络宽度对啁啾有很高的灵敏度、含有不同啁啾量的超短激光脉冲有不同的包络宽度的特性,通过对高斯型强度分布的线性、平方及立方啁啾的干涉自相关包络函数进行了理论分析,得到包络宽度与啁啾量值之间的对应关系。采用干涉自相关2次谐波检测系统对加浓染料激光器输出的含有啁啾的脉冲进行测量,其干涉自相关包络宽度为1.15,被测超短激光脉冲啁啾为1.0。结果表明,根据含有啁啾的干涉自相关曲线两翼的特征,可判断啁啾阶数,再根据包络宽度与啁啾值的对应关系,可估定啁啾量值;用干涉自相关包络宽度能容易地测量超短激光脉冲的啁啾量值。

超强超短激光脉冲与低密度等离子体相互作用中快电子流聚束现象的研究

本文通过建立一个超强超短激光脉冲与低密度等离子体相互作用的简单模型,讨论了相互作用过程中的快电子流聚束现象,得到了产生快电子流聚束的条件以及快电子流聚束后的半径所满足的关系.

超短激光脉冲在线性色散光纤中的传播

研究了线性光纤中色散导致光脉冲展宽的详细物理过程，以此为光纤中光孤子产生的物理过程作物理上的准备。

超短激光脉冲宽度的实时测量一自相关仪

介绍了用扫描自相关的方法实时测量皮秒（ｐｓ）、飞秒（ｆｓ）锁模激光的 脉冲宽度。

啁啾超短激光脉冲对稠密共振介质特性的调控

采用光与物质相互作用的半经典理论,建立了稠密二能级体系中含啁啾相位项的光学Bloch方程,并用高准确度、快速和可靠的四阶龙格-库塔法数值求解了该方程.通过数值计算,研究了啁啾超短激光脉冲与稠密共振二能级体系作用下的特性,得到了局域场和啁啾参量对Bloch矢量影响的规律.研究结果表明:局域场修正系数和啁啾参量对Bloch矢量的瞬态相干过程和稳态特性都会产生明显的调制作用,可以通过调节线性啁啾参量和局域场修正系数实现稳定的粒子数布居反转的调控.

超短激光脉冲二倍频理论分析

采用快速傅里叶变换(FFT)算法和Rung-Kutta法对KDP晶体中超短激光脉冲二倍频过程作了研究。详细讨论了群速度失配、群速度色散和三阶非线性相位调制效应对倍频光脉冲波形、光谱及转换效率的影响。研究结果表明:在超短激光脉冲二倍频中,三阶非线性相位调制效应可使二倍频光脉冲形状发生畸变,光谱明显展宽且转换效率降低;当入射基频光功率密度大于100GW/cm2时,三阶非线性效应是影响倍频过程的主要因素。

灵敏的超短激光脉冲混合啁啾权重测量

提出了新型测量超短激光脉冲混合啁啾权重的方法,这种方法是基于干涉自相关信号不对称性随混合啁啾权重及其啁啾量值不同而不同。通过对干涉自相关信号的不对称现象分析,获得判断混合啁啾权重的方法,并得到干涉自相关包络比值信号的中央半宽、包络差值信号的峰值与线性啁啾权重及其啁啾量值之间的对应关系。采用干涉自相关二次谐波检测系统对加浓染料激光器输出的脉冲进行测量,利用该方法判断出被测超短激光脉冲含有线性及平方啁啾,其线性啁啾参数为0.20而平方啁啾参数为0.80,从而实现了对超短激光脉冲混合啁啾权重及其啁啾量值测量。

强啁啾超短激光脉冲实现粒子布居的调控

采用光与物质相互作用的半经典理论方案,建立了含啁啾相位项的修正光学Bloch方程,并采用高精度的、快速和可靠的、修正的四阶龙格-库塔法数值求解了该方程。通过数值计算,研究了强啁啾超短激光脉冲与二能级体系的相互作用。研究结果表明,啁啾量、入射脉冲面积、脉冲宽度、失谐量都对粒子布居产生明显的调制作用,论文还研究了激光脉冲各参数对粒子布居的调控规律,由此可以通过调节强啁啾超短激光脉冲的各参数来实现对粒子布居的调控。

XPW技术在提高超短激光脉冲对比度中的作用

有效提高激光脉冲对比度是推动超短超强激光技术发展的一个关键问题。交叉偏振波(XPW)滤波技术基于非线性晶体的三阶非线性特性,可显著提高超短激光脉冲对比度。结合国际上有关XPW滤波技术研究的最新进展,介绍了XPW滤波特性及实验研究结果。最新研究结果表明,采用这种技术可以将超短激光脉冲对比度提高4个量级。内部转换效率提高到50%。

超短激光脉冲在非线性光纤中的传播

研究了非线性光纤中自相位调制导致光脉冲频谱展宽的详细物理过程，以此为光纤中光孤子产生的物理过程作准备。

啁啾超短激光脉冲对二能级体系特性的调控

研究了啁啾超短激光脉冲与二能级体系近共振作用下的特性.采用光与物质相互作用的半经典理论,建立了含啁啾相位项的修正光学Bloch方程,并用高准确度、快速和可靠的四阶龙格-库塔法数值求解了该方程.通过数值计算,得到啁啾符号和啁啾量与Bloch矢量的关系,以及共振失谐量符号和啁啾符号对Bloch矢量性质影响的规律.结果表明,啁啾的符号和大小对Bloch矢量的瞬态相干过程和稳态特性都会产生明显的调制作用,由此可以通过调节激光脉冲的啁啾特性来实现对二能级体系性质的调控.