超短超强激光脉冲驱动的高次谐波是一种极紫外到软X射线波段的光源，具有指向性好、时空相干性高、亮度高等优点。高次谐波不但是在阿秒时间尺度上研究电子动力学的基础，而且其各类技术优点也使之成为一种有效的桌面型极紫外相干光源，在集成电路制造在线检测、材料科学、生物医药等领域中具有广泛应用。然而，受限于传统钛蓝宝石固体飞秒激光的平均功率和高次谐波传播过程中的转换效率，目前高次谐波极紫外光源的平均功率亟待提高。介绍了高重复频率、高平均功率高次谐波极紫外光源的产生方式及其应用。首先介绍了光纤、固体、啁啾光学参量放大器等新型高重复频率、高平均功率飞秒激光驱动源在高次谐波产生方面的研究进展，之后讨论了激光高次谐波在弱电离气体介质中的宏观传播效应和相位匹配条件。在此基础上，介绍了高平均功率高次谐波极紫外光源在成像检测方面的应用。

超快光学参量振荡器(OPOs)是获得高重复频率、高平均功率、宽光谱调谐脉冲输出的理想途径,为化学、生物、纳米光子学等领域的研究提供了强有力的手段。随着掺Yb ³⁺光纤飞秒激光器输出功率的不断提升及非线性晶体制备工艺的成熟,Yb光纤激光器泵浦的飞秒OPOs发展势头变得锐不可挡。回顾了近年来光纤飞秒激光器泵浦的OPOs的研究进展,介绍了利用飞秒OPOs拓宽波长覆盖范围、提升脉冲重复频率、获得少周期脉冲产生、实现结构光场输出的具体技术方案。最后介绍了飞秒OPOs在纳米光子学、拉曼光谱技术领域的应用。

飞秒光纤激光器具有良好的光束质量与稳定性,被广泛应用于精细材料加工行业。目前工业化光纤飞秒激光器主要是通过啁啾脉冲放大系统的多级放大来实现其高功率,可是多级放大过程会导致严重的增益窄化效应,限制最终的压缩脉冲宽度。为了解决增益窄化问题,缩短脉冲宽度,提高峰值功率,达到更好的“冷”加工效果,提出一种基于空间光调制器的光谱整形系统,通过加载到空间光调制器上的灰度图,产生中心凹陷、平顶等特殊光谱形状,放大后的光谱宽度与初始的种子源保持一致。与未加光谱调制相比,光谱调制后的光谱宽度从7 nm提高到9.5 nm,对应的极限脉宽从222 fs减少到164 fs左右。最后通过透射式光栅对压缩,得到了平均功率为1.3 W的飞秒激光输出,采用高斯拟合的方式测量脉冲,脉冲宽度为170 fs,接近转换极限脉冲。

光子晶体光纤具有较强的可设计性，一般通过改变光子晶体光纤包层中空气孔的大小、形状或者排列方式对光纤的传输特性进行调节，以此实现高双折射、高非线性、平坦色散及低限制性损耗等特性。光子晶体光纤的传输特性在不同领域中具有较大的应用价值，如分布式传感、飞秒激光器和气体传感器等。文章首先介绍了光子晶体光纤的结构特征以及与普通单模光纤的区别，在此基础上针对各种典型的光子晶体光纤结构分析了其色散和非线性等传输特性。详细介绍了基于光子晶体光纤的分布式光纤传感、飞秒激光器和气体传感器的传感机理以及达到的传感性能，并与非基于光子晶体光纤的传感器的传感性能进行了比较，验证了基于光子晶体光纤传感器的优异性能。最后对光子晶体光纤的发展及应用进行了总结与展望。

燃煤热值是煤质分析的一个重要指标,采用纳秒和飞秒以及双脉冲激光诱导击穿光谱技术对18个含有不同热值的标准煤样进行热值定量分析。对比分析了纳秒和飞秒等离子体光谱的差异,结果表明飞秒等离子体光谱较纳秒等离子体光谱具有更小的连续背景噪声,信噪比更低,谱线强度的相对标准偏差更小,稳定性更高,无需对光谱进行基线校正即可获得较高的元素含量线性拟合度,但存在光谱强度较弱的缺点。搭建了一套以飞秒激光器作为光谱激发源,以纳秒激光作为加热源的双脉冲激光诱导击穿光谱系统,通过实验证明了双脉冲激光诱导击穿光谱技术可以大幅增强谱线强度。最后分别将纳秒、飞秒以及双脉冲激光诱导击穿光谱技术与偏最小二乘法结合,对煤样的热值进行定量分析,定标曲线拟合度(R2)分别为0.9553、0.9897、0.9964,说明双脉冲激光诱导击穿光谱技术可以有效提高燃煤热值的定量分析精度。

为了在理论和实际中研制能够产生高效平坦宽带中红外超连续谱的光纤, 文章提出一种以三硒化二砷(As2Se3)为背景材料的微结构光纤,利用非线性薛定谔方程计算模拟了光纤的结构参数对色散、耗损与非线性特性的影响, 选取优化结构参数实现高非线性色散平坦全正常色散。采用该结构光纤对中超短脉冲的展宽机制进行分析, 研究了光纤长度、泵浦中心波长、峰值功率以及泵浦宽度等参数对超连续谱生成的影响, 并通过此光纤实现平坦中红外超连续谱的输出。搭建了实验平台, 选取优化的光纤长度和泵浦参数检测了飞秒激光脉冲在As2Se3微结构光纤中的传输过程和输出谱, 实验结果表明, 采用该结构光纤能够生成波长展宽为3~6 μm的高效平坦宽带中红外超连续谱, 此连续谱可应用在物质探测、生物化学、食品检测和环境分析等领域。

研制了高稳定Nd∶YVO4皮秒激光振荡器, 并在15 W、808 nm激光泵浦下得到6 W的连续锁模皮秒激光输出, 光-光效率为40%.对该皮秒激光进行单通放大后得到14 W的基频光输出, 倍频后可以得到7 W的532 nm皮秒激光, 用作钛宝石振荡器的泵浦源.在4.5 W的皮秒532 nm激光泵浦下, 结合腔外压缩, 得到了脉宽为9.4 fs、平均功率为150 mW的脉冲序列输出.调节钛宝石振荡器的腔长使其与皮秒振荡器的腔长一致时, 可实现自触发克尔透镜锁模.实验结果表明皮秒激光泵浦可以有效地触发钛宝石激光器的自动锁模, 输出飞秒脉冲序列.

自主研制了基于掺铒光纤飞秒激光技术的光纤飞秒光学频率梳。详细介绍了此光纤光梳的系统结构、工作过程与各项性能参数。经过功率放大、色散优化与高非线性光纤扩谱等过程, 得到了超过一个倍频程的光梳超连续光谱。光梳的载波包络偏移频率(简称偏频, fo)从f-2f共线式干涉系统中提取, 并锁定至铷原子钟上。实验获得了35 dB信噪比的偏频信号, 实现了锁定时间超过12 h的稳定运转。

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。