飞秒激光在充气中空光子晶体光纤中的传输

飞秒激光的频谱调谐和脉宽压缩近年来一直是飞秒光学研究热点之一，有很大的应用前景。在此领域最常利用的是三阶克尔效应混合其他效应展宽光谱，用光学参量放大调谐波长或拉曼频率自红移调谐波长。我们提出用激光取向分子，利用分子取向导致的脉冲时间内的折射率随时间的变化来改变光脉冲自身的频谱分布，利用充气中空光子晶体光纤的色散设计影响脉冲的传输，最终达到光脉冲的频谱调谐或脉宽压缩的目的。这个方法在频谱展宽的同时光谱中心红移，与其他方法互补。在频谱调谐上，需要的功率远比光学参量放大要求的功率也低，适用于激光功率比较低的情况；与拉曼频率自红移相比，没有反斯托克效应的蓝移作用，红移更干净。

我们按计划完成了申请书和计划书的研究内容，取得以下成果：.1..发展理论分析方法。.通常的研究中，对色散的作用只能看一定设计下色散改变后导致的传输后的脉冲时域和频率分布，通过比较不同色散下的结果，来选择最好的。我们发展了新的方法，利用唯象参数来了解色散作用，从而有针对的调整色散。.2..理论上我们研究了激光参数对取向及取向随时间变化率的关系，发现我们通常意义上的窄脉宽即远远小于转动周期下取向度与脉冲能量有关而与脉宽无关的推论是不严格的。一般在脉宽小于转动周期5%时候，认为远远小于的概念可以使用。但我们的研究发现，只有当脉宽小于转动周期的0.5%时，取向才只与能量相关。.3..理论上研究了气体温度对取向和取向变化率的影响，发现在不同脉宽下，其影响是不同的，对取向和取向变化率的影响也不同。在不同温度下，最佳脉冲宽度是不同的，且取向最大对应的最佳脉宽与取向变化率对应的最佳脉宽也不同。.4..我们研究了激光参数和温度对取向和取向变化率依赖关系的原因，阐明了其物理机制。.5..多脉冲可以用来增强取向。我们计算了在一米一个大气压的氮气下多脉冲对取向和取向变化率增强的影响，研究表明在比较合适激光参数下，两个脉冲可以获得最佳取向增强的结果，此时频谱展宽和频移可以获得两倍的效果。更多的取向脉冲反而使探测光频谱变化减弱。.6..实验我们研究了色散对光谱展宽的影响，发现在空心光纤中，可以获得比较好的展宽。实验表明，24fs的激光脉冲，通过啁啾调制到100fs时，通过O2可以获得较大的展宽，对应傅立叶变换极限的8fs脉冲。.7..实验研究了300K和90K温度下，飞秒脉冲经1m充氮气空心光纤中传输后光谱变化，研究表明在24fs脉宽下，光谱变化以三阶非线性极化为主，而在100fs激光作用下，光谱变化以取向贡献为主。在低温100K下，24fs入射激光的光谱便于与300K下结果差别不大，而100fs入射激光光谱得到较大增宽。.8..我们对色散进行了调制，利用我们发展的分析方法，发现一定的正色散可以使激光脉冲频谱整体红移。正色散不够大时，蓝边拖尾到入射激光蓝边；正色散太大又使脉冲宽度很快变宽从而使取向效果减弱。而负色散则会使脉冲出现尖峰效应，不适合用于光谱展宽和红移。合理的正色散可以通过设计空心光子晶体光纤的结构而获得。