Author Affiliations
Abstract
1 Applied Physics Division, Soreq NRC, Yavne, Israel
2 Applied Physics Institute, The Hebrew University, The Edmond J. Safra Campus - Givat Ram, Jerusalem, Israel
Here we report on a simple-to-implement and cost-effective approach for laser pulse contrast enhancement, based on the ${\chi}^{(3)}$ nonlinear self-focusing effect. An intentionally induced and gently controlled self-focusing in a thin glass transforms the time-dependent intensity into variation in beam divergence. Followed by a spatial discriminating filter, only the strongly focused fraction traverses the setup, at the expense of efficiency. A numerical model, accounting for the pulse and material parameters via a Gaussian ABCD matrix, provides an estimate for the instantaneous beam waist and transmission efficiency, which enables us to evaluate the resulting contrast enhancement. The estimated contrast enhancement spans between 0.5 and 2.5 orders of magnitude, in conjunction with approximately 25%–90% estimated efficiency, depending on the pulse parameters. In a preliminary experiment we demonstrated the effect with 10s-μJ sub GW regime with approximately 40 $\%$ efficiency and a contrast improvement of more than or equal to 20 dB.
nonlinear optics pulse contrast self-focusing ultrafast laser High Power Laser Science and Engineering
2024, 12(2): 02000e18
1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学物理学院，湖北 武汉 430074
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
4 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
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。
非线性光学 高次谐波 极紫外光源 飞秒激光器 极紫外成像检测
1 太原师范学院物理系，山西 晋中 030619
2 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
3 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
研究了在高抽运功率下，单共振光学参量振荡器（SRO）腔型对其输出特性的影响。在理论分析的基础上，实验搭建了基于掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂（MgO∶PPLN）晶体的两镜驻波腔和四镜环形腔SRO。驻波腔SRO的阈值抽运功率为3.2 W，当抽运光功率为14.2 W时，信号光和闲频光功率分别为5.2 W和2.2 W。当抽运光功率大于15 W时，驻波腔SRO输出功率的实测值随抽运光功率的增大而减小，与理论预测偏差较大。环形腔SRO的阈值抽运功率为7.2 W，当抽运光功率为25 W时，信号光和闲频光功率分别为8.1 W和3.6 W。环形腔SRO输出功率的实测值和理论预测基本一致。驻波腔及环形腔SRO输出的信号光在2 h内的功率波动分别优于±2.76%和±2.53%，驻波腔及环形腔SRO输出的闲频光在2 h内的功率波动分别优于±1.24%和±1.19%。驻波腔及环形腔SRO输出信号光的长期频率漂移分别优于±40 MHz及±28 MHz。
非线性光学 单共振光学参量振荡器 连续单频红外激光 高功率 环形腔
1 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
2 华东师范大学重庆研究院精密光学重庆市重点实验室，重庆 401121
超短强激光脉冲与物质相互作用产生的高次谐波辐射是一种相干的极紫外或软X射线光源，并且在时间上还是阿秒脉冲串。在不同介质中探寻更有效的高次谐波产生方案一直是研究热点。利用飞秒激光烧蚀低密度等离子体羽可将高次谐波扩展到几乎任何固体材料，极大地丰富了媒介的选择性。由于某些材料的等离子体内低电离态离子共振跃迁频率与谐波波长存在匹配，使得在极紫外波段特定阶次谐波表现出明显的共振增强效应，从而能够获得强单色的高次谐波辐射。结合纳米颗粒的近场增强效应和较大的电子回撞截面，极紫外波段的高次谐波转换效率可以进一步得到提高。激光等离子体高次谐波有望产生高脉冲能量、增强阶次可调和高重复频率的相干极紫外辐射。综述单阶谐波共振增强效应的产生原理和研究进展，分析各种优化方法和光场调控手段，并对未来的发展趋势进行展望。
非线性光学 高次谐波 低密度等离子体 共振增强 极紫外波段
1 国防科技大学理学院，湖南 长沙 410073
2 极端条件物理及应用湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
自本世纪初超快科学进入阿秒领域以来，阿秒脉冲以其超宽频谱和超短时间分辨，为研究阿秒时间尺度的瞬态过程提供了有力工具，推动了人们对光与物质相互作用以及微观超快动力学机制的理解。基于高次谐波的单个阿秒脉冲产生技术已日臻成熟，通过发展多种时空选通门技术，阿秒脉冲脉宽不断缩短，已达到的最短纪录为43 as。相较于阿秒脉冲的产生，对其精确测量与表征是深入研究和应用的基础，目前主流表征方法是通过阿秒条纹相机技术测量获得条纹能谱，进而从中提取阿秒脉冲的时域信息。首先简要回顾了高次谐波产生、单个阿秒脉冲选通及测量的发展，然后介绍了阿秒条纹相机技术的原理，并重点阐述了基于阿秒条纹能谱的表征算法，对其主要优缺点进行分析，最后对阿秒脉冲表征的发展进行了总结和展望。
非线性光学 单个阿秒脉冲 阿秒条纹相机 相位反演与表征
1 中国科学院物理研究所，北京凝聚态物理国家研究中心，北京 100190
2 松山湖材料实验室，广东 东莞 523808
高重复频率极紫外光源已被广泛应用于电子动力学研究，并且在阿秒谱学研究和显微成像中有广阔的应用前景。高重复频率极紫外光源正在朝更高重复频率、更高光子通量、更高光子能量和更短脉宽的方向发展。介绍了高重复频率极紫外光源的产生和调控，以及极紫外光源应用的分辨能力优化，并展望了高重复频率极紫外光源的未来发展趋势。
非线性光学 超快光学 高次谐波 极紫外光源
1 太原师范学院物理系，山西 晋中 030619
2 西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室，陕西 西安 710071
3 太原师范学院计算与应用物理研究所，山西 晋中 030619
基于分数阶非线性薛定谔方程，采用虚时演化的数值方法研究了部分宇称时间（PT）对称的光孤子及其自发对称破缺现象，通过线性稳定性分析并结合数值模拟研究了分数衍射效应对二维光孤子稳定性和传输的影响。结果表明：分数衍射系统中存在部分PT对称的二维光孤子，分数衍射效应随着莱维指数的减小而增强，莱维指数的改变影响光孤子的稳定性。当孤子功率超过特定的临界值时，部分PT对称的光孤子发生自发对称破缺，并转变为复传播常数的不对称态。通过分析莱维指数与孤子自发对称破缺临界功率之间的关系，发现将莱维指数从2减小至1时，孤子的自发对称破缺临界功率由1.6降低为0.4。这表明增强分数衍射效应使得部分PT对称的二维光孤子的稳定性变弱，进而在更小的孤子功率情况下发生自发对称破缺。该研究结果为分数衍射的非厄米非线性光学波导中控制孤子的形态和传输提供了理论依据。
非线性光学 对称破缺 分数非线性薛定谔方程 部分宇称时间对称
1 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，天津 300072
2 中国计量科学研究院时间频率计量研究所，北京 100029
3 国家市场监管重点实验室（时间频率与重力计量基准），北京 100029
4 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，吉林 长春 130012
中红外飞秒光学频率梳在天文学、药物检测、生物化学、大气检测和材料科学等领域中有着广阔的应用前景。报道了一个高功率中红外飞秒光学频率梳系统，该系统主要由掺铒光纤飞秒光学频率梳、超连续谱产生装置、双包层掺铥光纤放大器和基于透射式衍射光栅对的压缩器四部分构成。掺铒光纤光学频率梳输出平均功率为350 mW、中心波长为1565 nm、重复频率为198 MHz、脉冲宽度为55 fs的飞秒激光，并将其注入到一段正色散高非线性光纤中，产生1100~2200 nm超连续光谱。超连续光通过由掺铥光纤构成的自泵浦放大器，产生中心波长为1925 nm、平均功率为50 mW的飞秒脉冲。将此脉冲作为双包层掺铥光纤放大器的种子源，功率被放大到36.07 W，压缩后得到平均功率为22.72 W、脉冲宽度为240 fs的飞秒激光脉冲输出。
非线性光学 光学频率梳 飞秒激光 啁啾脉冲放大 中红外波段
呼吸子泛指一类具有周期演化或周期分布结构的非线性波，它已成为非线性光学系统的研究热点之一。研究多种呼吸子的时空动力学特征具有实际的物理意义。本文基于孤子理论中的Darboux变换方法构造出AB系统在椭圆函数背景下的多呼吸子解，并进一步分析了呼吸子的非线性动力学特征。首先，基于AB系统的Lax对，通过修正的平方波函数法与行波变换法获得该系统的椭圆函数周期解以及Lax对的基本解。然后，通过椭圆函数积分公式和Darboux变换迭代算法，推导出dn和cn两种椭圆函数背景下的一阶和二阶呼吸子解的解析表达式。另外，讨论了三种呼吸子的动力学特征，主要包括一般呼吸子（GB）、Kuznetsov-Ma呼吸子（KMB）和Akhmediev呼吸子（AB）。最后，研究了在dn背景下GB和KMB相互作用的时空结构以及在cn背景下两个GB相互作用的时空结构。本文研究结果将有助于理解在非线性光学领域中周期背景下的呼吸子动力学特征和相互作用行为。
非线性光学 呼吸子 Darboux变换 AB系统
