“超快激光非线性光学”专题 前言

    

——胡明列,刘伟伟,徐淮良

    

[摘要]不断发掘新知识和创造新技术以满足人类对自然世界认识的好奇心和对美好生活的向往是科技工作永恒的主题,而超快激光则是推动现代科技不断突破人们认识世界和改造世界能力的时间和空间尺度极限的关键力量。超快激光一般是指脉冲宽度在飞秒量级的激光。因为能量在时间尺度高度集中,超快激光既可作为超级快门,为分子、电子运动等过程"拍照",认识物质动态信息;又可产生超高光强,诱导电离...

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超快光电子显微技术在纳米光子学中的应用

孙泉,祖帅,上野贡生,龚旗煌,三泽弘明

北海道大学电子科学研究所;吉林大学电子科学与工程学院;北京大学物理学院

[摘要]对超快光电子显微技术的基本原理和主要应用进行了简单介绍。着重介绍了超快光电子显微镜在纳米光子学,特别是在表面等离激元光子学领域中的研究进展,主要包括近场成像、近场光谱以及时间分辨的动力学过程。这些研究有助于更直观深刻地理解表面等离激元的基本性质、不同模式之间的相互作用,以及更好地设计及拓展表面等离激元的应用。最后,对该技术的应用前景进行了展望。

时间拉伸色散傅里叶变换在被动锁模光纤激光器研究中的应用

王志,贺瑞敬,刘艳格

南开大学现代光学研究所, 天津市新型传感器与传感网络重点实验室

[摘要]时间拉伸色散傅里叶变换(TS-DFT)技术推动了锁模激光器中瞬态现象的研究,对于揭示复杂系统中的耗散动力学过程具有重要意义。介绍了TS-DFT技术的基本原理及其在数据采集和数据处理中存在的关键问题,总结了TS-DFT技术在被动锁模光纤激光器的类噪声脉冲与怪波、孤子爆炸、孤子束缚态、锁模自启动和矢量孤子等各类超快现象研究中的应用。

铌酸锂芯片上的太赫兹集成和时空超分辨成像

张琦,吴强,张斌,潘崇佩,王日德,卢瑶,齐继伟,许京军

南开大学物理科学学院泰达应用物理研究院弱光非线性光子学教育部重点实验室;中国民航大学理学院

[摘要]飞秒激光与铁电晶体铌酸锂作用可以激发出太赫兹波段的声子极化激元。当铌酸锂的厚度减小至亚波长量级时,晶片就成为一个将太赫兹波产生、传输、调控、探测、与物质或微结构相互作用等过程集于一体的集成化芯片,为太赫兹波的研究和应用提供了平台。同时,利用时空超分辨成像技术可以对芯片中太赫兹波的传输以及与微结构作用过程进行可视化和定量分析。回顾了一些基于铌酸锂芯片的工作,比如太赫兹波传输特性的研究、频率可调谐太赫兹波源的产生、微结构对太赫兹波的调控等,这些工作说明亚波长铌酸锂芯片是一个很有前途的太赫兹集成器件。

飞秒激光人工影响天气的物理机理及研究进展

鞠晶晶,刘建胜,孙海轶,李儒新,See Leang Chin,徐至展

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室;上海师范大学物理系;拉瓦尔大学光学、光子学和激光研究中心(COPL)

[摘要]综述了飞秒激光人工影响天气的相关研究结果。从飞秒激光成丝产生的光氧化副产物、热沉积效应、气溶胶形成和水凝结及沉降过程等4个方面展开,综述了飞秒激光在诱导水凝结及降水、人工引雷等领域的研究进展。提出了飞秒激光人工影响环境大气的初步物理图像,并综述了该技术未来应用于人工影响天气所面临的问题,探讨了可能的解决方案。

基于超快电子自旋动力学的太赫兹辐射研究进展

金钻明,宋邦菊,李炬赓,张顺浓,阮舜逸,戴晔,阎晓娜,林贤,马国宏,姚建铨

上海大学理学院物理系;上海科技大学-上海光学精密机械研究所超强超快联合实验室;天津大学精密仪器与光电子工程学院

[摘要]回顾了近年来利用超快自旋动力学过程产生太赫兹(THz)辐射的研究进展。介绍了基于逆自旋霍尔效应和逆Rashba-Edelstein效应的瞬态自旋流-电荷流转换,指出铁磁/非磁性异质结构已被用于设计低成本、高效率的THz辐射源。通过优化膜厚、生长条件、衬底和结构,可进一步提高基于自旋电子学的THz发射器的效率和带宽。简述了THz发射光谱在研究超快自旋泽贝克效应形成动力学中的应用。

新型高功率中红外光纤激光材料与超连续谱激光研究进展

贾志旭,姚传飞,李真睿,贾世杰,赵志鹏,秦伟平,秦冠仕

吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室

[摘要]制备出一种具有较好热稳定性和化学稳定性的氟碲酸盐玻璃光纤,并利用其作为非线性介质研制出光谱范围覆盖0.6~5.4 μm的宽带超连续谱(SC)激光光源和平均功率约为20 W、光谱范围覆盖1~4 μm的SC激光光源。主要对目前国内外高功率中红外SC激光光源的研究进展进行了总结,包括氟化物玻璃光纤和氟碲酸盐玻璃光纤的材料特点和以其作为非线性介质的SC激光光源,并对此类SC激光光源的进一步发展进行了展望。

高功率超快光纤激光器研究进展

余霞,罗佳琪,肖晓晟,王攀

新加坡国立大学电子与计算机工程系;南洋理工大学电子电气工程系;清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室

[摘要]高功率超快脉冲激光应用广泛,包括精密工业加工、超快光谱学、强场物理学及军事应用等。光纤激光具有操作方便、散热要求低、光束质量好等优势。综述了近年来高功率超快光纤激光器的研究进展,包括新兴的被动锁模光纤激光技术及啁啾脉冲放大技术,以高功率超快光纤激光器在高次谐波产生中的应用为例,阐述了高能量光纤激光在非线性光学中的优势,对高功率超快光纤激光器的研究前景进行了展望。

光纤式相干拉曼散射成像光源研究进展

郑世凯,杨康文,敖建鹏,叶蓬勃,郝强,黄坤,季敏标,曾和平

上海理工大学光电信息与计算机工程学院;复旦大学应用表面物理国家重点实验室和物理学系;华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室

[摘要]相干拉曼散射具有非侵入、无标记、化学特异性的优点,广泛用于生物组织成像、药代动力学等领域。主要介绍了光纤式相干拉曼散射(CRS)成像光源的实现方式及特点,总结了超连续谱展宽、孤子自频移和四波混频技术在提高双色超短脉冲输出功率、调谐范围、光谱分辨率方面的新进展。报道了基于四波混频的光参量振荡技术在产生可调谐双色超短脉冲方面的最新进展,采用全保偏光纤光路和光子晶体光纤,结合色散滤波和偏振操控技术,获得时间自同步、空间自重合、波长可调谐的双色超短脉冲,可实现脂类、蛋白和核酸的非侵入、无标记光谱检测与成像,为实现结构紧凑、使用方便、环境稳定的CRS提供了一个有效的技术途径。

基于飞秒激光直写的液晶面外区域定向技术及其应用

高少华,禹宣伊,宋筱,张玉娇,王佳艺,李晓荣,李文华,冀志超,廖宏艳,李威,Irena Drevensek-Olenik,张心正,许京军

南开大学泰达应用物理研究院和物理科学学院弱光非线性光子学教育部重点实验室;信阳师范学院物理电子工程学院

[摘要]随着激光加工技术和液晶取向工艺的发展,一种新型的基于飞秒激光直写的液晶面外区域定向技术问世。基于飞秒多光子光聚合激光直写技术制备出由聚合物条带构成的微结构,将其制成液晶盒,并充入不同种类的液晶,即可实现电光开关、磁光开关、光场调控等功能。每条聚合物条带的侧壁上都分布有表面浮雕光栅结构,使得液晶在聚合物条带通道内的定向成为可能。该技术不仅使不同区域内的液晶实现了物理隔离,还可以使液晶和聚合物实现完全的相分离。该技术快捷简单,在可调谐衍射光栅的实现、特殊光场的产生、光子晶体中的光场调控等方面具有重要的应用价值。

全光纤超快矢量光场的产生与研究进展

王腾,陆佳峰,黄译平,孟令浩,石帆,曾祥龙

上海大学特种光纤与光接入网重点实验室, 特种光纤与先进通信国际合作联合实验室,上海先进通信与数据科学研究院

[摘要]对模式选择耦合器、声致光纤光栅等全光纤模式转换器件的工作原理进行总结,并结合锁模光纤激光器和模式转换器件的优势,简单高效地产生了超快矢量光束和涡旋光束,得到的超快高阶模式激光具有峰值功率高、模式纯度高等特点。实验证明了模式转换器件的快速响应特性和宽带模式转换特性,并指出了其未来的发展方向和应用前景。

可见波段超快脉冲激光研究进展

张玉霞,于浩海,张怀金

山东大学晶体材料研究所晶体材料国家重点实验室

[摘要]超快脉冲激光因具有超短的响应时间及较高的峰值功率而在激光加工及强场物理学等领域有重要应用。随着蓝光激光二极管及掺杂镨离子激光增益介质的发展,可见波段超快脉冲激光迅速发展,主要综述了可见波段超快脉冲激光的研究进展及现状,详细描述了克尔透镜锁模、高重复频率吉赫兹自锁模及基于可饱和吸收体的锁模等技术在可见光波段的应用,并展望了可见波段超快激光的发展方向及前景。

高功率光纤飞秒激光放大器的研究现状与发展趋势

闫东钰,刘博文,宋寰宇,李源,储玉喜,柴路,胡明列,王清月

天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室&光电信息技术教育部重点实验室

[摘要]针对高功率光纤飞秒激光放大器,介绍了啁啾脉冲放大(CPA)技术的基本原理,讨论了该结构中关键的展宽器和压缩器的发展现状与瓶颈;介绍了典型的大模场面积光纤的结构和工作原理,简介了基于大模场面积光纤的CPA系统的发展现状;介绍了非线性放大技术,讨论了实现更窄脉冲宽度、更高脉冲质量的光纤飞秒激光放大方案;最后分析了全光纤结构、相干合束、单晶光纤增益介质以及皮秒种子源等新型技术,并总结了高功率光纤飞秒激光放大器的发展趋势。

非线性环路反射镜锁模光纤激光器的研究进展

周佳琦,潘伟巍,张磊,Gu Xijia,冯衍

中国科学院上海光学精密机械研究所;上海频准激光科技有限公司;Ryerson University

[摘要]围绕着解决环境稳定性、自启动等主要挑战,非线性环镜锁模技术的发展脉络可概括为含有偏振控制器的非全保偏结构、双增益式全保偏八字腔结构和含有相位偏置器的全保偏九字腔结构。其中新型的九字腔非线性环镜锁模光纤激光器兼具自启动性能好、环境稳定性高、结构简单、成本低廉等特点,在光学频率梳、太赫兹抽运源以及工业材料微加工等领域有着良好的应用前景。

反谐振空芯光纤及气体拉曼激光技术的研究进展

高寿飞,汪滢莹,王璞

北京工业大学激光工程研究院国家产学研激光技术中心

[摘要]反谐振空芯光纤(HC-ARF)具有宽传输通带、低传输损耗、高损伤阈值和高模式纯度等优势,在高功率脉冲激光传输及压缩、超快非线性频率变换、短距离高速高容量光通信、生物化学分析和量子存储等领域展现出广阔的应用前景。简要回顾了空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的发展历程,重点介绍了近年来出现的几种新型HC-ARF。对气体填充HC-ARF在新型拉曼激光频率变换应用领域中的关键技术及最新进展进行了讨论。

全固态飞秒激光同步抽运的光学参量振荡器

田文龙,朱江峰,王兆华,魏志义

西安电子科技大学物理与光电工程学院;中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室;中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室

[摘要]飞秒光学参量振荡器(OPO)能产生从紫外到中远红外波段的可调谐飞秒激光脉冲,在频率计测、生物医学、大气探测、宽带通信及国防等领域有着广泛的应用。对飞秒钛宝石激光器同步抽运OPO进行了研究,相继实现了波长稳定在1053 nm的高功率飞秒OPO运转。在此基础上,进一步研究了高功率掺镱全固体飞秒激光器同步抽运OPO。结合国内外飞秒OPO的研究进展,对未来全固态飞秒激光器同步抽运OPO的发展进行了展望。

超快拉曼光纤激光器技术研究进展

潘伟巍,周佳琦,张磊,冯衍

中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室;中国科学院大学材料与光电研究中心;上海频准激光科技有限公司

[摘要]锁模和超短脉冲同步抽运是拉曼光纤激光器得到超短脉冲的主要方式。在锁模拉曼光纤激光器中,基于等效可饱和吸收体的结构可以实现较高性能的输出,但目前仍面临增益光纤过长带来的问题。超短脉冲同步抽运的方式可以有效解决这一问题,实现参数极佳的超快拉曼激光输出。超快拉曼光纤激光器发展潜力巨大,未来的研究将着眼于进一步提升各类超快拉曼光纤激光器的整体输出性能并探究其中的新现象。

飞秒激光场中原子/分子的隧道电离及应用

郭振宁,马雪岩,韩猛,葛佩佩,刘明明,刘运全

北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室

[摘要]综述了强激光场作用下原子的光电离动力学最新进展,着重分析了非绝热隧道电离中的隧穿出口光电子动量分布,得到分子坐标系中隧道电子角分布,实现分子内层轨道成像;采用电场矢量同向旋转的双色(400 nm+800 nm)圆偏振激光实现双指针阿秒钟干涉技术,该技术可以测量光电子波包的相位和振幅;基于具有较大自旋-轨道耦合效应的原子(氙原子),通过圆偏振激光中的多光子电离过程,可产生具有高自旋极化度的光电子。最后对目前超快强场物理的研究前景和发展趋势进行简单的介绍。

高功率、高效率调Q绿光抽运的钛宝石宽调谐纳秒脉冲激光

李隆普,李玉娇,宋艳洁,张申金,宗楠,王志敏,薄勇,彭钦军,许祖彦

中国科学院理化技术研究所固体激光重点实验室;中国科学院理化技术研究所功能晶体与激光技术重点实验室

[摘要]自行研制出钛宝石晶体抽运的波长为532 nm的全固态高功率激光器,实现了高功率、高转换效率的可调谐钛宝石激光输出。使用3列重复频率为1 kHz的激光二极管阵列对称式抽运Nd∶YAG晶体,通过调Q及腔内倍频,获得功率为37.8 W、波长为532 nm的抽运光,每个激光二极管的抽运脉冲包络内包含5个调Q脉冲,单脉冲宽度为90 ns,重复频率为5 kHz。采用该绿光抽运钛宝石晶体,获得733.5~871.1 nm波长范围内的连续调谐激光,在771 nm处获得的输出功率最大,为8.26 W,光-光转换效率高达42%,脉冲宽度为14 ns,30 min内输出功率稳定性优于±4.4%。

基于飞秒激光成丝的大幅面激光打标方法

陈平,王云飞,戴子杰,龚诚,张楠,刘伟伟

南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所

[摘要]为了解决激光打标系统中聚焦透镜焦深短等原因导致的系统打标范围小等问题,提出了一种基于飞秒激光成丝效应进行大幅面激光打标的方法,系统地分析了打标范围和分辨率。实验结果表明:飞秒激光成丝可以有效地增大焦深,实现大幅面平面样品的打标以及曲面样品的打标,并在打标系统的有效工作范围内,使分辨率均匀性得到了提高。

飞秒激光烧蚀石英微孔的时间分辨阴影成像

魏健,张彬,刘晖,张航

四川大学电子信息学院;西安工程大学机电工程学院;中国工程物理研究院流体物理研究所

[摘要]建立了基于飞秒激光抽运-探测原理的时间分辨阴影成像平台,直接获取了飞秒激光烧蚀石英微孔的超快过程图像。在不同能量密度、时间延迟、脉冲数量条件下,观察到随时间延迟变化的等离子体通道衰退、冲击波膨胀和微孔伸长现象。实验结果表明,所提系统有助于飞秒激光烧蚀诱导透明介质内部微纳结构的原位观察。

强飞秒激光在氟化钙晶体中产生的超连续谱

李子熙,龚成,华林强,柳晓军

中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室;中国科学院大学

[摘要]实验研究了不同入射激光能量和晶体取向条件下,强飞秒激光在氟化钙晶体中成丝产生的超连续谱。实验发现,由于晶体中存在光强钳制效应,在一定入射激光能量范围内,超连续谱的最大蓝移截止波长为300 nm,且不随能量发生变化。同时发现,该最大蓝移截止波长不依赖于晶体取向的变化,但超连续谱的强度将随晶体的取向发生明显变化。

氦原子在超短中红外脉冲和极紫外光场作用下的双电离

许亮,吴婉阳,何峰

上海交通大学物理与天文学院激光等离子体教育部重点实验室;上海交通大学IFSA协同创新中心

[摘要]利用数值求解含时薛定谔方程的方法研究了氦原子在超短红外激光脉冲和极紫外激光场作用下的双电离过程。在此过程中,一个电子首先被极紫外激光场电离,然后氦离子既可以被接下来的红光激光场直接隧穿电离,也可以被红外激光场驱动下的电子再散射而发生非次序双电离。这两种双电离通道的干涉可以产生新颖的电子关联动量谱分布。当驱动红外激光脉冲为周期量级时,再散射导致的双电离的两个电子的运动方向可以相同,也可以相反。

非柱对称飞秒矢量光在钨表面制备弧形周期条纹结构

王婷媛,刘伟伟,张楠,余志强,付璐,刘洪双,周朗峰

南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所

[摘要]将两个相位光栅分别作为分束和合束元件,生成了偏振态连续变化的非柱对称飞秒矢量光束。通过调节合束相位光栅的波矢方向,即可实现标量光到矢量光的转变,以及矢量光偏振态的调节。利用非柱对称飞秒矢量光在金属钨表面制备了由弧形条纹组成的二维周期性结构,在相邻弧形条纹偏移量(水平方向的周期)保持 560 nm不变的情况下,通过调节飞秒矢量光的偏振态分布,可使弧形条纹的底长(竖直方向的周期)逐渐减小至4 μm。微区反射谱测量表明:弧形周期条纹的存在明显减小了可见至近红外波段的反射率,且反射率随弧形条纹底长的减小而增大。飞秒激光的辐照没有改变金属钨表面的物质组分,因此,反射率的改变完全是由钨表面的二维周期性结构导致的。

激光脉宽和偏振效应对飞秒光丝诱导燃烧中间产物荧光光谱的影响

侯梦瑶,王思琪,姚丹雯,付尧,臧宏伟,李贺龙,徐淮良

吉林大学电子科学与工程学院;吉林大学原子与分子研究所

[摘要]聚焦激光脉宽和偏振对飞秒光丝诱导燃烧场中间产物荧光光谱的影响,通过改变激光脉宽、偏振状态,观测了燃烧中间产物如OH、CH、CN、C2分子和C原子的荧光光谱变化。结果发现:随着激光脉宽和偏振椭圆率增大,各组分荧光信号强度减小,这是因为光丝内激光钳制强度及等离子的密度与激光脉宽、偏振密切相关,进而导致多光子激发燃烧中间产物的信号随之变化。

全正色散非线性放大环形镜保偏掺镱光纤激光器

赵翔,刘洋,周廉,欧阳诚,谢戈辉,罗大平,朱志伟,顾澄琳,李文雪

华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室

[摘要]基于非线性放大环形镜,设计了一种全正色散掺镱光纤锁模激光器。在抽运功率为80 mW的情况下,该掺镱光纤锁模激光器可以实现平均功率为7.8 mW的稳定输出。输出激光脉冲的重复频率为9.9 MHz,中心波长为1064 nm,脉冲宽度约为18 ps,相应的光谱宽度为0.18 nm。该激光器具有结构简单、自启动、稳定性高的优点。

基于倾斜光纤光栅的连续可调谐锁模激光器

戴礼龙,邹传杭,黄千千,黄梓楠,凌远达,邢志坤,闫志君,牟成博

上海大学上海先进通信与数据科学研究院,特种光纤与光接入网重点实验室,特种光纤与先进通信国际合作联合实验室;华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程实验室

[摘要]以45°倾斜光纤光栅为起偏器,采用非线性偏振旋转技术,搭建了一台基于45°倾斜光纤光栅和锥型光纤的波长可调谐被动锁模光纤激光器。当输入抽运功率为454 mW时,可实现稳定的锁模脉冲输出,输出脉冲的中心波长为1568.8 nm,输出功率为2.31 mW,3 dB带宽为4.5 nm,脉宽为1.3 ps。锥型光纤作为可调节衰减器,改变了腔内的损耗,实现了波长从1568.8 nm到1560.24 nm的连续可调谐。该激光器可以应用在传感、光谱测量和通信等领域。

高非线性光子晶体光纤中的声光相互作用

丁思明,杨四刚,杨益,李进延,陈明华,谢世钟

北京信息科学与技术国家研究中心, 清华大学电子工程系;武汉光电国家研究中心

[摘要]高非线性光子晶体光纤具有小纤芯、大折射率对比度的特点,其周期性的空气孔结构使得导引声波布里渊散射(GAWBS)激发的声子被束缚在纤芯区域,产生显著的声光相互作用。声子通过调制光纤材料的折射率,从而对光波的相位进行调制。利用Sagnac干涉环将相位调制转化为强度调制,在光子晶体光纤中实现了1550 nm和1060 nm波段GAWBS声子的激发和探测。实验测得在1550 nm和1060 nm波长抽运下声子基模频率均约为1.24 GHz,验证了前向布里渊散射声子频率与抽运光波长无关的理论。

父脉冲参数对飞秒脉冲相干合成质量的影响

葛爱晨,刘博文,陈伟,田昊晨,宋有建,柴路,胡明列

天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室, 光电信息技术教育部重点实验室

[摘要]利用解析方法研究了父脉冲参数对合成脉冲宽度和质量的影响。研究结果表明,两个父脉冲具有相近的脉冲宽度和脉冲能量时,合成脉冲的时域质量较高。减小父脉冲时域宽度可以有效减小合成脉冲基底。为了验证这一相干脉冲合成的优化方法,在不同的非线性光纤中,对分束后的掺镱光纤飞秒激光器的输出脉冲分别进行非线性频率变换,获得了两个小于30 fs的脉冲,再将二者进行相干脉冲合成,获得了合成脉冲宽度为8 fs的少周期脉冲。

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