采用光纤啁啾脉冲放大技术,搭建了基于负三阶色散补偿的高功率、高脉冲质量全光纤飞秒激光放大系统。利用保偏大模场双包层掺镱光纤作为增益介质,负三阶色散光纤和普通保偏单模光纤作为混合型光纤展宽器,在实现时域展宽的同时,对放大系统中的正三阶色散进行预补偿,从而获得高质量、高功率的激光脉冲输出。在实验中使用混合展宽器和1200 line·mm ^-1光栅对作为压缩器,使系统的净三阶色散量趋近于零,最终获得了重复频率为111 MHz,放大后输出平均功率为8.5 W,中心波长为1035 nm,去啁啾后脉冲宽度为217 fs的高脉冲质量飞秒激光输出。

最近十几年来,随着飞秒激光技术及非线性晶体制备技术的逐渐成熟,非线性光学频率变换技术得到了飞速发展。非线性光学频率变换技术的研究旨在突破激光增益介质发射谱线的限制,使激光器输出波长拓展至传统激光器所无法直接输出的波段范围,以满足更加广泛的科研及应用需求。到目前为止,非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。近些年来,本研究室在研究光纤飞秒激光器的基础上,开展了基于掺Yb ³⁺光子晶体光纤飞秒激光系统抽运不同介质的非线性频率变换研究,主要包括:基于块状晶体的光学参量振荡(OPO)技术、基于砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换、基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生。简要介绍国内外相关研究成果,重点综述了本研究室近五年来在上述研究领域的科研成果,分别介绍了OPO技术、砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换和基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生技术的基本原理、研究进展以及前沿应用。

在基于钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)技术获得拍瓦级输出的激光装置中, 光谱发射截面的不同和饱和放大的影响会使放大光谱产生增益窄化和光谱红移。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中, 尤其在高能量饱和放大时更加严重。基于中国科学院上海光学精密机械研究所5.0 PW激光装置的实验结果, 针对Apollon-10 PW激光装置的光谱控制, 在理论上提出一种基于光-光同步放大的光谱整形技术, 用以抑制高能量放大过程中的光谱红移。该技术基于传统的放大模型, 通过在功放级引入短脉冲抽运, 利用抽运光和啁啾种子光同步放大的方式抑制了光谱的红移。该技术无需引入任何其他光学器件, 也不会引入附加损耗, 操作简单。数值模拟结果表明, 利用该技术可以有效地对放大的光谱进行整形, 抑制了光谱红移效应。

双飞秒激光绝对距离测量系统具有测量精度高、更新速率快的优点, 然而测量过程中的高斯白噪声会造成测距精度的降低。提出了一种基于卡尔曼滤波技术的提高双飞秒激光绝对距离测量精度的方法, 即通过建立卡尔曼滤波状态空间模型得到测量结果的最优状态估计, 大幅度降低随机过程引入的测量精度损失, 同时可以得到速度信息估计值。实验结果表明, 目标静止时卡尔曼滤波技术可将测量标准差降低近一个数量级; 目标匀速运动时, 稳定状态下三维状态空间模型估计的速度标准差约4 μm/s。

在高能量抽运激光脉冲的传输与放大过程中, 激光放大器的增益饱和效应会导致激光脉冲产生时域畸变, 使输出激光脉冲无法保持其时域的平顶型分布。因此, 需要对抽运激光脉冲进行时域预整形, 以补偿放大器中的增益饱和。提出了一种基于光-光同步放大的时域整形技术来补偿增益饱和引入的时域畸变。该技术基于传统的放大模型, 不受激光脉冲宽度的限制, 操作简单, 成本低廉。数值模拟结果表明, 利用所提技术可以对激光系统的输入脉冲进行有效的时域整形, 并且可以补偿增益饱和, 从而获得时域平顶分布的输出脉冲。

利用普通大模场面积掺镱保偏双包层光纤作为增益介质，采用啁啾脉冲放大技术搭建了全保偏光纤飞秒激光放大系统。由于全保偏光纤结构，系统具有较高的集成度和长期稳定性。将系统中积累的三阶色散与放大过程中引入的非线性啁啾相互补偿，通过控制展宽光纤的长度，优化了压缩后脉冲质量和宽度。同时分析了周期性光谱调制对放大输出的影响，通过优化保偏（2+1）×1光纤合束器的制作工艺，解决了其引起的周期性光谱调制问题，最终获得重复频率为111 MHz，压缩后输出平均功率为9 W，对应脉宽为260 fs，单脉冲能量为81 nJ，保偏比为13 dB的高质量飞秒激光脉冲输出。

使用掺镱光子晶体光纤飞秒激光放大系统作为加工光源, 利用激光诱导前向转移(LIFT)技术对铜膜进行加工, 产生纳米结构。通过控制飞秒激光光源参数, 得到不同纳米结构的金属薄膜。在功率较低时, 能够得到纳米团簇; 随着功率升高, 团簇尺寸变大; 到达一定功率时, 出现纳米线结构。通过实验分析了飞秒激光与材料相互作用时发生的物理过程。利用该机理, 对20, 40, 200 nm三种厚度的铜膜在相同实验条件下的实验结果进行比较, 获得了产生纳米团簇和纳米线结构薄膜的最佳条件。

从理论和实验两方面研究了调控抽运脉冲的时、空啁啾特性对于波面倾斜法产生太赫兹波输出效率的影响。实验和数值模拟证明：对于附加时间啁啾情况，当附加正时间啁啾时，太赫兹波输出效率与附加啁啾量呈非线性关系，并具有最佳值；当附加负时间啁啾时，太赫兹输出效率与附加啁啾量呈线性反比关系。对于附加空间啁啾情况，不论附加空间啁啾的大小和符号如何，都会降低太赫兹波的输出效率，并且随着空间啁啾量的增加而快速下降。这些结果对基于波面倾斜法产生超快太赫兹波系统的优化和调控具有指导意义。

光学整流效应是产生宽带太赫兹波最有效的手段之一，基于光学整流效应产生太赫兹波的方法主要依靠抽运光与非线性晶体之间的相互作用。分别以5 mm的磷化镓（GaP）块状晶体和6 mm的GaP波导结构作为太赫兹波发射晶体，对具有相同功率的贝塞尔光束中心光斑和高斯光束的光学整流效率进行了对比研究。实验结果表明，在GaP块状晶体中，贝塞尔光束的光学整流效率是高斯光束的2.04倍；波导的特殊结构可以使抽运光和太赫兹波之间实现严格的相位匹配，贝塞尔光束的相对效率增加为3.46倍。两种抽运光产生的太赫兹波场均具有高斯分布特性，且贝塞尔光束产生的太赫兹波频谱具有明显的红移特征。贝塞尔光束能够提高光学整流效率，有助于实现高功率、紧凑型的太赫兹源，对推广太赫兹波的应用有显著意义。

研究了两台独立运转的掺镱光纤飞秒激光器的脉冲序列与载波包络相位同步。使用平衡光学互相关的方法探测两台激光器的脉冲延迟，控制腔内高速压电陶瓷以锁定两台激光器的重复频率，得到两台激光器的剩余相对时间抖动为380 as。不同的重复频率锁定带宽会对载波包络相位信号产生明显的影响，相比于使用压电陶瓷（低锁定带宽），使用电光调制器锁定重复频率（高锁定带宽）会使载波包络相位产生额外的噪声。将两台激光器的输出脉冲在空间上重合，入射进入平衡探测器，探测到两台激光器的相对载波包络频率信号。使用腔外声光调制器对两台激光器的载波包络相位进行锁定，得到两台激光器的剩余相位噪声为495 mrad。锁定后观测到两激光器的光谱干涉，为相干脉冲合成奠定基础。