宽带准相位匹配飞秒光参量放大的-研究

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1、第一章绪论1．1飞秒脉冲激光概述1960年，美国科学家梅曼(TheodoreH．Maiman)先生成功研制了世界上第一台红宝石固态激光器【l】，产生了如理论所预期的，也正是人们所梦寐以求的单色相干光源，从此开启了激光技术及其应用的新时代。四十余年来，激光以其独特的单色性、相干性、方向性和超高强度获得了广泛的应用和发展，迄今几乎渗透到所有的自然科学领域，已经而且必将继续深刻地影响着当代科学技术的发展和变革。而激光产业也将因其强大的生命力和巨大的发展潜力成为二十一世纪的一项重要产业。飞秒脉冲激光技术是在八十年代初期诞生并迅速发展的

2、激光前沿研究领域，在九十年代得到飞速发展，在二十一世纪初达到颠峰。它给物理学带来了巨大冲击，为光学特别是非线性光学开辟了新的研究课题，并且为化学、生物学、医学、机械、材料等领域的研究提供了新式手段。1981年美国贝尔实验室的Fork等人根据被动锁模的原理，采用有机染料Rhodamine6G作为增益介质，成功地研制了碰撞脉冲锁模(CPM)环形染料激光器，并首次获得了脉冲宽度在飞秒(fs)量级的激光脉冲【2】。这标志着飞秒激光的诞生。1985年Valdmanis等人在CPM环形染料激光器中引入低损耗的布儒斯特棱镜组进行腔内色散补偿

3、，获得了27fs的超短脉冲【31。1987年Fork等人将该激光器[2】输出的脉冲放大，得到重复频率为8kHz，脉冲宽度为50fs，单脉冲能量为lmJ的光脉冲，然后用单模保偏石英光纤展宽光谱，再用光栅和棱镜组补偿色散，最后获得Y6fs的超短脉冲【4】，这是当时得到的脉冲宽度最窄的激光脉冲。但是染料激光器的增益介质是液体，需要采用喷流方式，结构复杂，难以调试，不便于使用和携带，难以小型化和实用化。然而八十年代的固体激光器受固体增益介质荧光带宽窄、热传导性能差等缺陷的限制，无法获得飞秒激光。因此染料激光器是当时获得飞秒脉冲的唯一途

4、径。随着晶体生长技术的迅速发展和日趋完善，在80年代后期，出现了一大批物理和化学性能优良的固体增益介质，其中掺钛蓝宝石(Ti：sapphire，简称钛宝石)第一章绪论最具代表性。钛宝石具有很宽的吸收光谱(400nm一600nm)，所以可选择氩离子激光器、铜蒸汽激光器、倍频钒酸钇激光器、倍频Nd：YAG激光器以及倍频Nd：YLF激光器等作为钛宝石激光器的泵浦源。钛宝石具有非常宽的荧光光谱(660nm一1200nm)，这是迄今为止发现的所有激光增益介质中最宽的。钛宝石除了具有优越的光谱和激光特性外，还具有其它的物理和化学性能优势，

5、如具有较高的热导率和熔点，硬度大，化学性质稳定等。由于这些优良的性质，钛宝石无可厚非地成为飞秒激光器最理想的增益介质，飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础。1991年，英国人斯潘塞(D．E。Spence)等人把SFl4棱镜插入谐振腔，补偿钛宝石激光器的腔内色散，不依赖于任何外加的锁模元件，仅利用钛宝石自身的克尔效应导致的克尔透镜锁模(KIM)，获得了60蠡的激光脉冲【5J，从此固体飞秒KLM激光器飞速发展。这是超快激光技术发展的一个里程碑。随后美国MIT的Haus于1992提出了克尔透镜锁模(KerrLensMode．Lock

6、ing，KLM)理论，揭示了掺钛蓝宝石激光器中的克尔透镜锁模机制[61。克尔透镜锁模理论认为，当激光束通过激光晶体时，由于克尔非线性效应产生自聚焦现象，其与激光腔内的光阑结合等价于一个类似快饱和吸收体的自振幅调制器。同时，激光腔内的棱镜对引入净负色散，补偿腔内其他器件带来的正色散，使得腔内多个纵模之间的相位锁定，从而实现锁模，获得脉宽极窄的超短脉冲。自从克尔透镜锁模现象被发现后，引起了广泛试验和理论研究。从此，以钛宝石激光器为代表的固体KLM激光器，以其简单的结构、较宽的调谐范围以及可以获得极窄的脉冲宽度等优点，逐渐取代了染料

7、激光器。在随后的几年里，各种色散补偿技术的研究及完善，使得飞秒脉冲激光技术得到蓬勃发展，利用KLM钛宝石激光器获得的飞秒脉冲的宽度也逐年地缩短，最窄脉冲的记录被多次刷新。1992年Huang等人采用9mm长的钛宝石晶体作为增益介质，分别用LaFN28和LaKL21玻璃棱镜对进行腔内色散补偿，先后获得T32fs和17fs的激光脉冲【7一。1993年初M．T．Asaki等人在掺钛蓝宝石激光器中采用高掺杂浓度的短钛宝石晶体并改用石英棱镜对进行色散补偿，在780nm处获得了¨窍的激光脉冲[91。1994年Zhou等人采用2mm长的钛宝

8、石晶体和石英棱镜对获得T8．5fs的激光脉冲【101。1995年A．Stingl等人利用啁啾介质反射镜作为钛宝石激光器的腔镜来补偿色散，获得了8fs的脉冲输出【11】。1996年LinXu等人改用四镜环形腔结构同时利用啁啾镜补偿色散，获得7．5fs的锁模脉冲【l引。1997年