少周期激光脉冲在共振二能级介质中的非线性传播特性研究
发布时间：2020-07-30 06:47
【摘要】：光-物质相互作用领域自激光器诞生至今便是光学研究的热门方向。随着激光技术的不断发展,近年来在实验上已经能够产生仅包含几个光学周期的超短激光脉冲,使激光技术在科学领域上的应用日趋蓬勃。超短超强激光脉冲的发展同样使光-物质相互作用研究不断开拓和发展,许多有趣的非线性光学现象先后被人们发现,比如拉比振荡(Rabi flopping,RF)、自感应透明(Self-induced transparency,SIT)和光子回波等。而当少周期脉冲与物质发生相互作用时,除了会产生更强的非线性现象以外,在一定条件下还能够产生脉冲持续时间更短的脉冲,以及在超强光场的调控方面有着突出的优势,因此关于少周期脉冲与物质相互作用特性的研究具有重要意义。少周期激光脉冲是与传统长周期脉冲有着明显特性差异的激光脉冲,因为在少周期脉冲瞬态相干作用中,脉冲载波变化太快导致介质对其响应比较迟缓,从而传统的解析长周期脉冲的缓变包络近似(Slowly varying envelope approximation,SVEA)和旋转波近似(Rotating wave approximation,RWA)都会失效,因此需要对载波精确求解才能研究少周期脉冲的传输效应。本论文将采用时域有限差分(FDTD)法精确数值求解全波麦克斯韦-布洛赫方程(Full-wave Maxwell-Bloch equations),研究少周期脉冲在共振二能级中的传播特性。论文的主要研究内容如下:1.详细地讨论了少周期脉冲在真空共振二能级介质中传输的现象。包括介质原子数密度对脉冲传输的影响、“面积定理”的极限适用范围、少周期脉冲的自感应透明现象和阿秒量级的脉冲在共振介质中的传输,系统地总结了少周期脉冲在传输时的非线性现象。2.详细地讨论了少周期脉冲在介电共振二能级介质中的传输现象。研究了介电系数对脉冲传输的影响,发现了“压缩效应”,且介电系数越高,脉冲被压缩的越明显;研究了较大面积少周期脉冲在传输时受到介电系数的影响,发现了电介质电介质材料可以弱化载波拉比振荡,使得少周期脉冲传输时载波的变化并不像在自由介质中那样剧烈。本论文为少周期激光脉冲的研究提供了良好的理论基础,并发现了少周期脉冲在电介质材料中传输时的一些特殊效应和现象。这些现象都是此前并未有相关文献报道的,因此能够为超强超短脉冲激光的研究提供一定的启发。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24
【图文】：
的超短激光脉冲自从被动锁模技术被应用到钛宝石激光器后，这一巨大技术逡逑革新在过去３０年里飞快拉动了飞秒钛宝石激光的发展，将激光脉冲的输出持续时逡逑间压缩了邋２个量级，峰值功率提高了邋４个量级，如图１－２所示。逡逑Ｍｏｄｅ－Ｌｏｃｋｅｄ邋Ｌａｓｅｒ逡逑Ｔ，逡逑ｔｎ邋？邋？邋Ｐｐ邋＝邋Ｎ．Ｐａｖ逡逑Ｈ邋Ｎ逡逑Ｎ：锁定模式数目；＆平均输出功率逡逑图１－１锁模激光脉冲输出原理。引自文献［９］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ邋ｌａｓｅｒ邋ｐｕｌｓｅ．逡逑随着激光脉冲的不断被压缩和脉冲的峰值功率不断被提升，但是由于激光器逡逑增益介质阈值损伤的限制，在峰值功率达１０９ｆｆ／ｃｍ２时已至瓶颈，为了突破这一极逡逑限，人们研宄发明了脉冲啁啾放大技术（ＣＰＡｆ％。这一技术的革新极大的提高了激逡逑光脉冲峰值功率。ＣＰＡ技术的原理大致是：将锁模产生的超短激光脉冲经过色散逡逑原件（衍射光栅、棱镜等）以展宽其脉冲包络，在时间上将脉冲拉宽，这样峰值功率逡逑便得以降低；随后，将低峰值功率的脉冲通过增益介质以放大，由于脉冲被展宽，逡逑这样便可以提取更多的能量而不损伤增益介质；最后，将放大的脉冲通过压缩器逡逑（反色散器件）
ｒｅｖｅｒｓｅ＊邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｆｉｒｓｔ邋ｐａｉｒ，邋ａｎｄ邋ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｅｓ邋ｔｈｅ邋ｐｕｌｓｅ．邋署逡逑图１－３脉冲啁啾放大原理图。逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｃｈｉｒｐｅｄ邋ｐｕｌｓｅ邋ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ．逡逑通过几十年的发展，无数科学家在理论和实验上前赴后继、不断革新，一次次逡逑刷新了激光脉冲的持续时间和输出功率，使得这一领域逐渐变得成熟。如今在工业逡逑上利用飞秒激光进行精密加工，在不损伤样品的情况下对物件进行非接触式精密逡逑加工己经成为了可能，比如：激光切割半导体晶圆、集成电路中的开槽等等。超短逡逑脉冲激光加工有着许多优点，比如，１．由于超短脉冲激光的峰值功率高，但平均功逡逑率低，在瞬间便可完成加工且热效应比较小；２．加工效率高且无污染；３．不与样品逡逑３逡逑
逦１９９０逦２０９０逡逑图１－２．激光脉冲峰值功率和脉冲持续时间的发展。引自文献［９］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｌａｓｅｒ邋ｐｕｌｓｅ邋ｐｅａｋ邋ｐｏｗｅｒ邋ａｎｄ邋ｐｕｌｓｅ邋ｄｕｒａｔｉｏｎ．逡逑Ｉｎｉｔｉａｌ邋ｓｈｏｒｔ邋ｐｕｌｓｅ逦Ａ邋ｐａ丨ｒ邋ｏｆ邋ｇｒａｔｉｎｇｓ邋ｄｉｓｐｅｒｓｅｓ逡逑逦邋Ａ逦ｔｈ？邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｅｔｃｈｅｓ逡逑ＨＨＨＨＨＨＨＨＭＨ邋Ｉ邋＼邋ｙ逦Ｍ＾逦ｔｈｅ邋ｐｕｌｓｅ邋ｂｙ邋ａ邋ｆａｃｔｏｒ逡逑ｍｔｍ－ｖｆ逦Ｉ、。 逡逑Ｓｈｏｒｉ－ｐｕＪｓ？邋ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ逡逑ｉ逡逑Ｔｈｅ邋ｐｕｌｓｅ邋ｉｓ邋ｎｏｗ邋ｌｏｎｇ逦ｙ逦＼／逦＼Ｊ逡逑ａｎｄ邋ｌｏｗ邋ｐｏｗｅｒ，邋ｓａｆｅ逦４ｓ逦＊逡逑ｆｏｒ邋ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ逡逑ｎ逦ｇ逡逑S茫у危掊澹椋危龋椋纾桢澹澹睿澹颍纾澹穑酰欤螅邋澹幔妫簦澹蝈澹幔恚穑欤椋妫椋悖幔簦椋铮铄义襄五义希
本文编号：2775182
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24
【图文】：
的超短激光脉冲自从被动锁模技术被应用到钛宝石激光器后，这一巨大技术逡逑革新在过去３０年里飞快拉动了飞秒钛宝石激光的发展，将激光脉冲的输出持续时逡逑间压缩了邋２个量级，峰值功率提高了邋４个量级，如图１－２所示。逡逑Ｍｏｄｅ－Ｌｏｃｋｅｄ邋Ｌａｓｅｒ逡逑Ｔ，逡逑ｔｎ邋？邋？邋Ｐｐ邋＝邋Ｎ．Ｐａｖ逡逑Ｈ邋Ｎ逡逑Ｎ：锁定模式数目；＆平均输出功率逡逑图１－１锁模激光脉冲输出原理。引自文献［９］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ邋ｌａｓｅｒ邋ｐｕｌｓｅ．逡逑随着激光脉冲的不断被压缩和脉冲的峰值功率不断被提升，但是由于激光器逡逑增益介质阈值损伤的限制，在峰值功率达１０９ｆｆ／ｃｍ２时已至瓶颈，为了突破这一极逡逑限，人们研宄发明了脉冲啁啾放大技术（ＣＰＡｆ％。这一技术的革新极大的提高了激逡逑光脉冲峰值功率。ＣＰＡ技术的原理大致是：将锁模产生的超短激光脉冲经过色散逡逑原件（衍射光栅、棱镜等）以展宽其脉冲包络，在时间上将脉冲拉宽，这样峰值功率逡逑便得以降低；随后，将低峰值功率的脉冲通过增益介质以放大，由于脉冲被展宽，逡逑这样便可以提取更多的能量而不损伤增益介质；最后，将放大的脉冲通过压缩器逡逑（反色散器件）
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