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近十多年以来,随着超强超短激光的持续创新发展,激光脉冲宽度已经发展到以光电场振荡周期为衡量尺度的周期量级领域。近红外、乃至红外长波长的周期量级极端超快强激光脉冲已在许多前沿基础科学研究与应用领域中发挥日益重要的作用。
周期量级、乃至近单周期极端超快强激光脉冲的出现,使激光与物质相互作用研究进入了周期量级极端非线性相互作用的新领域,例如与原子分子相互作用,产生单个阿秒脉冲(10-18秒),开创并推动了阿秒物理等前沿学科的发展。在超快泵浦探测研究中,周期量级超短脉冲也被用于探测原子分子在强场中的动力学过程,成为原子分子物理学研究中的新光源、新方法。
周期量级、乃至近单光周期极端超快强激光脉冲研究是超快强激光技术与物理领域的重要研究课题,也是当前超强超短激光发展与应用领域的研究热点之一。这种极端超强超快光源足探索微观世界的有力工具,其研究成果具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景。
本论文系统地开展了基于空心光纤等的超快强激光脉冲压缩的理论和实验研究,目标是实现毫焦量级脉冲能量,和周期量级、乃至近单光周期量级脉宽的输出,并进一步将周期量级激光脉冲压缩技术拓展应用到红外长波长新波段,为阿秒物理等前沿科学研究创造全新的极端超快强激光条件。本论文主要取得了以下几点创新性的成果:
1.提出并首次实验上实现了利用气体盒子中成丝效应和空心光纤级联的脉冲压缩方法,将输出脉冲宽度压缩至小于2个光周期(0.2mJ/4.6fs,工作波长800nm)。通过第一级的成丝效应将入射脉冲进行初步压缩,然后再用空心光纤作为第二级进一步压缩脉冲宽度,可以实现较高的压缩比,得到近单个光周期的脉冲宽度。由于受到啁啾镜支持带宽的限制,如果使用带宽更宽的啁啾镜,则脉宽可进一步缩短。
2.提出并首次实验上实现了利用块体玻璃材料和空心光纤级联的脉冲压缩方法,将输出脉冲宽度压缩至约2个光周期(0.33mJ/5.1fs,工作波长800hm)。通过第一级的块体玻璃材料将入射脉冲进行初步压缩,然后再用空心光纤作为第二级进一步压缩脉冲宽度。该方法一方面可以实现较高的压缩比;另一方面可以支持更大能量脉冲的压缩。
3.将基于空心光纤的周期量级激光脉冲压缩技术移植到红外长波长工作波段,实验上将1800纳米中心波长脉冲压缩至1.5个光周期(0.7mJ/9fs),获得近单周期,载波包络相位稳定的激光脉冲输出。由于1800纳米左右的波长位于多数玻璃材料的反常色散区,通过一定厚度的玻璃取代啁啾镜补偿脉冲的正色散,实现近单周期极端超快强脉冲压缩,并保持载波包络相位稳定。该光源已获得实际应用。
4.首次提出并从理论上研究了多孔空心光纤结构在脉冲压缩中的应用,为解决大能量激光脉冲压缩提供了一种新途径。其基木原理在于通过多根空心光纤的并联实现大能量的输出。理论研究表明,这种方法可以抑制大口径光束传播过程中的空间调制不稳定性,对光束进性高质量的压缩。
此外,本论文还系统研究了基于不同口径光纤的脉冲压缩特性,并使用大口径的光纤实现了高能量、周期量级(2毫焦,10飞秒)的输出;研究了空心光纤对脉冲对比度的影响;理论研究了通过对入射脉冲引入正啁啾,降低峰值光强,实现高能量输出的方案等。