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超短脉冲激光在二阶非线性介质中的时空调制及其应用

作　者: 徐晗
导　师: 曾和平
学　校: 华东师范大学
专　业: 光学
关键词: 级联二阶非线性效应时空调制不稳定性 X光子弹不对称衍射群速度失匹偶极-偶极相互作用共振选择性跃迁
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

超短激光脉冲在正常色散的二阶非线性介质中传输过程中，在级联二阶非线性效应以及衍射、色散等线性效应的相互作用下，输入脉冲的波包能自发转化为X光子弹。所谓“光子弹”即输出脉冲在时间和空间维度被极大的压缩且在传输过程中能保持脉冲包络的形状不变。而“X”是指其时空频谱的特征曲线为一系列双曲线。X光子弹可以广泛的应用于光激发粒子加速、光信息存储、光信息传输以及紫外阿秒脉冲产生等领域。此外，X光子弹的优良的可调谐性使得它有可能成为在量子相干控制技术中理想的光源。本论文主要围绕二阶非线性介质中X光子弹的产生条件以及光强、相位失匹、群速度失匹、衍射不对称等参数对X光子弹的调制作用展开了详细讨论。论文的主要内容包括：1．以正常色散的BBO倍频晶体为原型，建立了超短脉冲激光传输的三维理论模型。综合考虑了衍射、色散、群速度失匹等线性效应和二阶非线性效应。编写了能够数值求解三维激光脉冲传输模型的软件。数值模拟显示入射的高斯型光束能够自发的转化为X光子弹。并得出了X波产生的必要条件：1．入射激光能量足够大。2．入射脉宽足够短。3．合适大小的自聚焦类型的相位失匹。2．研究了X光子弹在不对称衍射情况下的稳定性。发现了在输入椭圆光束导致的衍射不对称情况下，选择合适的相位失匹以及光强等参数，X光子弹仍能稳定存在而不发生分裂。输入的椭圆高斯光束演化为椭圆的X光子弹。并提出稳定传输的机制：脉冲传播过程中产生类似于波导功能的虚拟光纤通道能够对光脉冲起到束缚的作用。3．研究了谐波间群速度失匹对X光子弹的调制作用。发现了在合适的相位失匹和入射光强等参数条件下，基波和一部分二次谐波能够克服群速度失匹而形成移动的X光子弹。群速度失匹的调制作用使基波和二次谐波的频谱都发生了显著的频移，频移方向决定于相位失匹类型以及群速度失匹的符号。数值模拟结果显示，移动X光子弹形成过程中能够自发产生倾斜的波阵面，可以抵消两个谐波波包之间由于群速度不同而导致的相互吸引作用，使得X光子弹能够静止的在以基波群速度移动的坐标系中运动。4．实验中观察到了X波的产生。在合适的参数下，输出脉冲最短可被压缩到15fs。空间上形成了与数值模拟一致的峰结构能量分布。自制的时空频谱仪显示X波的时空频谱具有明显的双曲线型特征。实验结果验证了数值模拟有关椭圆X光子弹和移动X光子弹的结论。5．数值模拟了光稠密三能级系统中选择性共振激发。由于光稠密介质中的偶极—偶极相互作用，入射光场与介质相互作用时可以产生跃迁频率的移动。频移量的大小是可以通过调节输入脉冲的包络、相位以及粒子数密度等参数加以控制的，进而使得我们能够控制三能级系统的跃迁途径，实现选择性激发。

全文目录

论文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章前言  13-27
  1.1 光脉冲的非线性压缩的研究进展  13-23
    1.1.1 光参量放大压缩技术  14-16
    1.1.2 充气空心光纤压缩技术  16-17
    1.1.3 光丝中频谱展宽压缩技术  17-18
    1.1.4 二阶非线性介质内脉冲自压缩及 X光子弹  18-22
    1.1.5 三阶非线性介质中光丝自压缩技术  22-23
  1.2 选题的意义、论文的主要工作及创新  23-27
    1.2.1 选题的意义  23-24
    1.2.2 论文的主要工作  24-26
    1.2.3 论文的创新点  26-27
第二章激光脉冲倍频过程的三维理论模型和三维脉冲包络的实验探测技术  27-41
  2.1 二阶非线性介质中的耦合波方程  27-29
  2.2 一类相位匹配倍频过程的耦合波方程的归一化  29-32
  2.3 数值求解归一化后的耦合波方程  32-35
    2.3.1 分步傅立叶法  33-34
    2.3.2 快速傅立叶变换算法和四阶龙格—库塔算法  34-35
  2.4 数值求解程序的简介  35-37
  2.5 三维脉冲包络的实验探测技术  37-40
  2.6 小结  40-41
第三章二阶非线性介质中的X波  41-59
  3.1 级联二阶非线性效应  41-43
  3.2 时空调制不稳定性  43-46
  3.3 非线性X波  46-47
  3.4 X光子弹的特性和产生条件  47-55
    3.4.1 数值模拟得到的X光子弹及其特性  48-54
    3.4.2 倍频晶体中X光子弹的产生条件  54-55
  3.5 高斯光束自发转化为X波的实验证明  55-58
  3.6 小结  58-59
第四章不对称衍射下的X光子弹—椭圆X光子弹  59-72
  4.1 光孤子在不对称衍射下的空间分裂  60-61
  4.2 椭圆入射光束下的X光子弹  61-69
    4.2.1 椭圆X光子弹的产生  61-65
    4.2.2 椭圆光子弹稳定性研究  65-68
    4.2.3 X波导致稳定传输的讨论  68-69
  4.3 稳定传输椭圆X光子弹的实验验证  69-71
  4.4 小结  71-72
第五章群速度失匹下的X光子弹—移动 X光子弹  72-88
  5.1 光孤子领域群速度失匹的研究  73-76
    5.1.1 群速度失匹对频谱的调制  73-75
    5.1.2 倍频晶体中的移动孤子  75-76
  5.2 移动X光子弹  76-82
    5.2.1 零速度移动X光子弹的产生  76-81
    5.2.2 各参数对移动 X光子弹的影响  81-82
  5.3 实验验证群速度失匹的调制作用  82-87
  5.4 小结  87-88
第六章 X光子弹的时空调制效应  88-98
  6.1 X光子弹在时间和空间上的调制  88-91
    6.1.1 X光子弹形成过程中的时间调制作用  88-90
    6.1.2 X光子弹形成过程中的相位调制作用  90
    6.1.3 X光子弹形成过程中的空间调制作用  90-91
  6.2 X光子弹时空频谱的调制  91-96
    6.2.1 双曲线型时空频谱的自发形成以及群速度失匹的频谱调制作用  91
    6.2.2 输入光强对X光子弹的时空频谱调制  91-93
    6.2.3 相位失匹对X光子弹的时空频谱的调制作用  93-96
  6.3 小结  96-98
第七章超短脉冲时空耦合控制的应用实例—光稠密介质中的选择性激发  98-105
  7.1 三能级系统的选择性激发  98-99
  7.2 光稠密介质的特性以及与超短脉冲光作用的理论模型  99-100
  7.3 偶极—偶极相互作用导致的三能级系统的共振选择跃迁  100-104
  7.4 小结  104-105
第八章本论文工作的总结与展望  105-108
参考文献  108-120
博士期间发表论文列表  120-122
感谢  122

超短脉冲激光在二阶非线性介质中的时空调制及其应用

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