超高强度飞秒脉冲的三次谐波转换

针对超高强度飞秒激光,对利用单块BBO晶体产生三倍频(THG)的过程进行了分析,比较了单块晶体中三阶非线性效应以及级联二阶非线性效应对三倍频转换效率的作用,讨论了入射基频光光强、晶体厚度、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、群速度失配、失谐角、方位角等因素对三倍频光转换效率、时间波形及光谱分布的影响,在此基础上,提出了提高三倍频转换效率的方法.研究结果表明:入射基频光强一定时,三倍频光的峰值光强、脉冲宽度(FWHM)随晶体厚度变化不明显.通过优化基频光入射角度,可提高单块BBO晶体三倍频光转换效率及峰值光强,并减小三倍频光脉冲宽度.此外,方位角的优化也可在一定程度上提高三倍频转换效率.     

飞秒光脉冲在透镜和非线性晶体中的展宽

计算了飞秒光脉冲在具有群速度色散的介质中的展宽,证明在飞秒光脉冲的自相关测量中,由于透镜和非线性晶体的群速度色散所引起的展宽是一个不容忽视的因素。     

CLBO晶体的宽带三倍频模拟分析

为了研究高效的宽带三次谐波转换技术，采用了分步傅里叶变换和四阶Runge-Kutta法对CLBO晶体的宽带三倍频过程进行了数值模拟，分析了单倍单混和单倍双混模式下三倍频转换效率随入射基频光强度、频谱带宽的变化关系，并与KDP晶体的宽带三倍频转换特性进行了对比。在强度为3GW/cm2的40阶超高斯脉冲入射下，得到单倍双混模式下三倍频转换效率达到60%时对应的频谱宽度为650GHz，这与利用KDP晶体在相同条件下获得的频谱宽度相比，提高了近250GHz。研究结果表明，在单倍双混模式下使用CLBO晶体作为频率转换的非线性晶体可以有效地提高宽带三倍频的转换效率。     

高强度三倍频实验研究

针对KDP晶体的TypeI+ TypeⅡ匹配方式的三倍频方案,采用理论模拟与实验研究相结合方式,从非线性耦合波方程组出发,编制了考虑衍射、离散、吸收和端面反射等物理因素的二维模拟计算程序.针对x、y方向均是六阶超高斯分布的入射基频光,功率密度在2～8 GW/cm2时,得到了TypeⅠ倍频晶体厚度11.8 mm、失谐角300 μrad,TypeⅡ混频晶体厚度9 mm、失谐角为0 μrad的优化参数,此时三倍频转换具有较大的动态范围和较高的效率. 在星光Ⅱ激光装置大厅建立了高强度三倍频实验研究平台,实验平台上基频光光束口径为Φ70 mm、功率密度为1～7 GW/cm2内可调、脉冲宽度约为0.8 ns.在实验平台上采用Φ100 mm能量卡计对基频光(1ω)、二倍频(2ω)和三倍频光(3ω)的能量进行测量,二、三倍频的外部转换效率可达60%以上;利用条纹相机对1ω光和3ω光的脉宽进行测量,脉宽变化基本为0.8 ns(1ω)和0.5 ns(3ω);采用512×512点阵的CCD对1ω光和3ω光的近场分布进行了对应测量,通过图像处理,得到描述光束质量的强度调制度和通量对比度值.基频光的远场发散角利用列阵相机进行监测,得到对应的1ω光光束发散角θ=0.3±0.06 mrad.在倍频晶体后5 m远处用哈特曼小孔阵列板测量基频光和三倍频光的波前分布,得其均方根(rms)分别为1.129 waves和0.425 waves.实验中,当入射基频光功率密度较高时,倍频晶体出现了明显的非线性自聚焦丝破坏现象.(OB11)     

CsLiB6O10晶体的宽带三倍频模拟分析

为了研究高效的宽带三次谐波转换技术,采用了分步傅里叶变换和四阶龙格-库塔法对CsLiB6O10(CLBO)晶体的宽带三倍频过程进行了数值模拟,分析了单倍单混和单倍双混模式下三倍频转换效率随入射基频光强度、频谱带宽的变化关系,并与KDP晶体的宽带三倍频转换特性进行了对比.在强度为3GW/cm2的0阶超高斯脉冲入射下,得到单倍双混模式下三倍频转换效率达到60%时对应的频谱宽度为650GHz,这与利用KDP晶体在相同条件下获得的频谱宽度相比,提高了近250GHz.研究结果表明,在单倍双混模式下使用CLBO晶体作为频率转换的非线性晶体可以有效地提高宽带三倍频的转换效率.     

飞秒激光脉冲倍频特性的数值模拟

模拟了随着传播长度的增加,基频和倍频激光脉冲的时域波形和光谱特性的演变过程。通过引入走离长度和非线性长度,给出了走离效应、群速度色散和三阶非线性效应对飞秒脉冲倍频的影响。研究了飞秒脉冲倍频的波长调谐特性,发现40ps基频脉冲波长调谐带宽仅有2.8nm,而40fs基频脉冲的倍频波长调谐带宽高达42nm。这在周期极化倍频晶体工艺中有重要应用价值。     

超短脉冲激光的高效三倍频实验研究

我们采用KDP(Ⅱ)/KDP(Ⅱ)偏振失配装置,在ps Nd:YAG锁模激光器上进行三倍频实验,能量转换效率达到52%.模拟实验条件计算的理论,效率曲线与实验结果符合得很好.     

飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的频率变换实验

具有微米或亚微米尺度微结构的光子晶体光纤被证明非常适用于高效反斯托克斯波的频率转换。纳焦耳量级的飞秒激光脉冲在光子晶体光纤的传输过程中，通过控制入射光的偏振方向或者耦合模式可以产生具有可调频率的反斯托克斯超短脉冲，并具有极高的转换效率。     

BBO晶体中280.5—289.5nm倍频的产生

用Rh·6G染料激光在BBO晶体中倍频,获得了连续可调谐输出的整个范围是280.5—289.5nm,最大输出能量为8.5mJ,转换效率为31.6%。并讨论了提高倍频输出功率和转换效率的实验条件。     

常温条件下KTP晶体应用于1319nm激光三倍频相位匹配角的测量

针对常温工作条件下利用磷酸氧钛钾(KTP)晶体对钇铝石榴石(Nd…YAG)晶体1319nm激光三倍频产生440nm蓝色激光的实验,对三倍频KTP晶体的相位匹配角进行了理论计算和实验研究。通过多组色散方程得到KTP晶体的相位匹配角,并计算出相应的有效非线性系数。选取一组结果(θ=84.6°,φ=0°)对KTP晶体切割,利用一台1319nm激光器,将晶体放入腔中,采用旋转晶体偏角和调节温度的方法寻找出三倍频KTP晶体最佳匹配角度(θ=85.04°,φ=0°)。该晶体经过重新切割,440nm蓝色激光输出的光束强度有了明显的提高,最佳工作温度为18℃。     

强激光三次谐波转换效率与相位扰动的关系

研究了以Ⅰ／Ⅱ类角度失谐设置方式下，高强度激光在KDP晶体中的谐波转换问题。采用了包括三阶非线性、离散及衍射等效应的谐波转换计算模型，详细讨论了在三阶非线性、离散和衍射等效应的情况下，相位扰动与三次谐波转换(THG)效率的关系，绘出了相应的关系曲线。结果表明，相位扰动会使三次谐波转换效率降低，谐波转换效率越高三倍频的调制越小，提高二三次谐波转换效率可以抑制相位扰动对其产生的不利影响。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

大口径快速生长KDP晶体三倍频性能研究

主要研究大口径KDP晶体的高强度三倍频性能。采用正交偏振干涉法测量了晶体的光轴均匀性分布,并在神光III原型装置上利用快速生长二倍频晶体开展了高强度三倍频实验,验证了折射率均匀性分布对三倍频效率和近场的影响。实验结果表明,大口径快速生长KDP晶体的三倍频性能基本上满足神光III装置的要求,但快速生长晶体的受激拉曼散射增益系数和激光损伤阈值等性能仍有待进一步考核。     

基于光子晶体光纤飞秒激光技术的高功率紫外激光源

实验研究了一种基于大模场面积光子晶体光纤飞秒激光技术的紫外飞秒激光源.分析了群速失配下的倍频光和基频光的走离长度,并实验比较了不同长度的BBO晶体的倍频功率和效率.分别采用5 mm和0.18 mm的两块BBO晶体,在Ⅰ类相位匹配条件下,对光子晶体光纤放大器输出的脉宽为110 fs,重复频率50 MHz的1040 nm飞秒激光进行腔外二倍频(SHG)和四倍频(FHG),获得了高功率紫外飞秒激光.在20 W的平均功率抽运下,获得了8.88 W的二倍频绿光输出,转换效率为44.4%.同时获得了656 mW的四倍频260 nm紫外激光,单脉冲能量13 nJ,最高功率时二次谐波(SH)到四次谐波(FH)的转换效率为7.39%.     

空气中双色场激光诱导三次谐波随时间延迟变化特性的理论研究

理论研究了当基频光(0ω)和倍频光(2ω0)之间的时间延迟改变时,所产生的三次谐波(THG)的光谱特性。研究结果表明,空气中双色场飞秒激光诱导三次谐波的强度随基频光与倍频光之间的时间延迟而变化,并呈现周期性的调制现象。理论分析指出这是由于基频光的三倍频过程和基频光与倍频光的四波混频(FWM)过程两种物理机制所产生的三次谐波发生了干涉现象。同时研究了基频脉冲与倍频脉冲的啁啾和自相位调制(SPM)对于所产生的三次谐波光谱分布的影响。该研究为双色场飞秒激光诱导三次谐波的相干控制提供了基本的理论依据。     

利用晶体串接实现宽带三次谐波转换

从耦合波方程出发,分别在小信号、高功率密度(1.5 GW/cm2)条件下研究了晶体串接三次谐波(THG)转换方案,并利用实验验证了该方案。实验观察到这种方案可以有效提高宽带激光三次谐波转换效率,但混频晶体之间的距离对宽带三次谐波转换效率影响明显。在1.5 GW/cm2平均功率密度下,实验中最佳距离25 mm处,对带宽3.5 nm的啁啾脉冲取得了19.75%的三倍频效率,这对于高功率激光宽带三次谐波转换的解决很有意义。     

惯性约束核聚变驱动器高强度三倍频系统输出能力分析

以惯性约束核聚变(ICF)驱动器———原型装置(TIL)的研制为背景,针对原型装置首束达标的要求,采用理论模拟指导实验,实验结果考核程序的方法,对影响惯性约束核聚变驱动器大口径高强度三倍频(THG)效率的多种因素进行了详细的分析和研究,并对惯性约束核聚变驱动器高强度三倍频系统的输出能力进行了详细的分析。结果表明,当I1ω(基频光功率密度)为2.7 GW/cm2左右时,实测效率为50%~55%,而理论计算值为60%左右,理论结果和实验结果符合得很好,为原型装置的八束达标和功率平衡提供了相应的实验依据和计算工具。     

大口径KDP晶体加工相位扰动与三次谐波转换

根据神光Ⅱ三次谐波转换中的各种现象,分析了晶体中高频周期相位调制的影响。目前国内大口径KDP晶体在中高频段存在强烈周期性相位调制,相位调制周期约20mm,调制幅度约35nm,导致三次谐波近、远场产生明显的强度调制,实验测得三倍频的近场周期条纹对比度在0.1～0.3之间,周期约12mm,理论分析该周期相位调制导致光束下游元件产生自聚焦风险明显增大,并且会引起三倍频远场畸变分裂,可聚焦能力下降。中高频段的周期调制可能来自于晶体加工过程中真空吸附,需要进一步实验判断并在加工中消除周期性的相位扰动。