高效宽带的三次谐波转换是激光惯性约束聚变驱动器的关键技术之一。超辐射光的宽带特性以及宽、窄带和频方案为这一研究提供了新的实现途径。本文基于超辐射光特性,建立了其三倍频过程数值计算模型,并分析了时间高相干基频光与超辐射倍频光和频的效率和光谱特性演化。与超辐射光直接三倍频相比,宽、窄和频方案能够有效地减小群速度失配对超辐射光三倍频效率的影响,可以将超辐射光三倍频效率提升至44%,输出三倍频带宽可达到1.9 THz,该结果可指导超辐射光三倍频系统的设计与相关实验研究。

提出了一种新颖的宽频带钕玻璃激光三倍频技术——组合激光工作模式（宽带激光与窄带激光混频）方案。数值模拟研究表明: 利用窄线宽钕玻璃激光脉冲，可以缓解宽频带激光谐波转换过程中群速度失配对转换效率的影响，从而提高宽带钕玻璃激光的转换效率；并且该方案可以与目前使用成熟的双和频晶体方案结合，从而能支持目前钕玻璃激光装置能达到的最大带宽约5 nm的高效三倍频（理论上效率达约80%）。

利用对称分步傅里叶法，数值模拟了光孤子在双折射光纤中的传输特性，分析了孤子脉冲两正交偏振分量的群速度失配对孤子传输产生的影响.结果表明，当光纤的双折射较小时，两偏振分量的脉冲强度变化不大，孤子基本能够保形传输；当光纤的双折射较大时，两偏振分量脉冲很快展宽，强度迅速减小，孤子不能够保形传输；如果光纤的双折射具有随机性，孤子传输的两偏振分量脉冲强度会随着传输距离有强弱不规则的变化，但是两偏振分量的强度变化互相补充，合成强度没有太大的变化，孤子能够稳定的传输；孤子间没有相互作用影响的传输距离随着光纤随机双折射偏振分量群速失配的增大而变小；通过选择恰当的振幅比，传统的不等振幅法仍然能够有效地抑制孤子间的相互作用.

针对脉冲宽度100 fs,带宽25 nm,能量6 mJ左右的超短脉冲基频光(经过透镜缩束后峰值光强为200～900 GW/cm2), 采用单块厚度为1.5 mm的BBO晶体进行了三倍频实验研究。在入射基频光强度约300 GW/cm2时, 得到的三倍频转换效率约0.8%。采用分步傅里叶变换及四阶龙格-库塔算法, 对描述飞秒脉冲单块晶体三倍频的耦合波方程组进行了数值计算。研究结果表明,三倍频光主要是由三阶非线性效应产生的; 基频光带宽较大是限制三倍频转换效率的主要因素之一; 对基频光的入射角度及方位角进行优化, 可较好地补偿非线性相位失配, 提高单块晶体三倍频转换效率。

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。

比较分析了MgO:LiNbO3(MLN)与KTiOAsO4(KTA)晶体中超短中红外光参量放大的角度调谐、有效非线性系数、群速度失配、晶体长度以及参量放大的转换效率等.结果表明,MgO:LiNbO3晶体的有效非线性系数较大,可用非共线相位匹配方式补偿三波群速度失配,在一定泵浦光强下有利于转换效率的提高.而KTA晶体的有效非线性系数较小,群速度失配严重且不能用非共线相位匹配方式补偿.达到饱和放大所需要的泵浦光功率密度高.在超短中红外光参量放大上,MgO:LiNbO3晶体具有较优的参量耦合性能.

讨论了群速度失配、自相位调制和交叉相位调制、晶体厚度、基波的频率啁啾等因素对超短脉冲单块晶体的三次谐波转换效率、三倍频光脉冲形状以及频谱的影响.结果表明:群速度延迟使三倍频光脉冲展宽;自相位调制和交叉相位调制会降低转换效率,并使三倍频光脉冲形状发生畸变;晶体厚度对三倍频光脉冲频谱展宽有着较大的影响;合适的基频光频率啁啾可以减小三倍频光脉冲的畸变,并有效地提高三倍频转换效率.

The synthetic effects of group-velocity mismatch and cubic-quintic nonlinearity on cross-phase modulation induced modulation instability in loss single-mode optical fibers have been numerically investigated. The results show that the quintic nonlinearity plays a role similar to the case of neglecting the group-velocity mismatch in modifying the modulation instability, namely, the positive and negative quintic nonlinearities can still enhance and weaken the modulation instability, respectively. The group-velocity mismatch can considerably change the gain spectrum of modulation instability in terms of its shape, peak value, and position. In the normal dispersion regime, with the increase of the group-velocity mismatch parameter, the gain spectrum widens and then narrows, shifts to higher frequencies, and the peak value gets higher before approaching a saturable value. In the abnormal dispersion regime, two separated spectra may occur when the group-velocity mismatch is taken into account. With the increase of the group-velocity mismatch parameter, the peak value of the gain spectrum gets higher and shorter before tending to a saturable value for the first and second spectral regimes, respectively.

计算了MgO:LiNbO3晶体中,共线与非共线相位匹配光参量放大产生超短中红外激光脉冲过程中的相位匹配曲线、有效非线性系数以及时间和空间走离情况.结果表明,采用非共线相位匹配方式,可以实现三波间群速度匹配;在抑制了泵浦光与信号光之间的空间走离的同时加大了泵浦光与闲频光之间的空间走离,但这种影响可以忽略;同时非共线角的引入使相位匹配角增大,提高了有效非线性系数.因此,非共线角的引入在不影响空间走离的情况下,有效补偿超短中红外参量放大过程中的时间走离,有利于参量放大转换效率的提高.

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。