面向飞秒超连续光源的激光成丝优化及控制研究

The filamentation in transparent optical media induced by powerful femtosecond laser pulses receives more and more attention due to the accompanying supercontinuum generation which has many important applications in white-light LIDAR, few-cycle pulse generation, spectral imaging and so on. The control and energy output of the radiation are essential in enhancement of supercontinuum white light source quality. In this project, based on the characteristics of the femtosecond supercontinuum generation, we propose for the first time to optimize and control the filamentation process in fused silica by using liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM) and micro-lens array (MLA), and to investigate the adaptive optimization and control of the supercontinuum emission. We will study systematically the influences of the spatio-temporal shaping of femtosecond laser pulses on filamentation and supercontinuum generation, and will lay more emphases on some key scientific issues including the controllable filamentation and spectral scope and supercontinuum conversion efficiency by shaped laser pulses. We will adaptively optimize and control the filamentation and supercontinuum via spatio-temporal shaping of femtosecond laser pulses, which has not been reported up to now. The implementation of this project will enable us to own core technologies of high-power femtosecond supercontinuum source, and contribute to its commercialization.

超强飞秒激光脉冲在透明光学介质中的非线性成丝产生的超连续辐射由于在白光激光雷达、超短脉冲产生、光谱成像等领域具有重要应用价值而备受关注，其中成丝超连续辐射的可控性以及高能量输出是提高超连续白光光源品质的关键，由此，本项目首次提出对飞秒激光脉冲同时进行时空调控，以实现对其成丝过程及超连续辐射的自适应优化及控制。系统研究基于液晶空间光调制器的飞秒激光脉冲整形技术以及微透镜阵列的空间调制对其成丝过程及超连续辐射的影响规律和物理机制，研究脉冲时空优化后的成丝以及超连续辐射谱宽以及转换效率等关键科学问题，掌握超连续辐射及光谱品质的自适应优化控制技术。本项目提出的研究内容在国际上尚未报道，通过本项目的实施，将有助于理解和掌握时空调控激光脉冲的成丝及超连续辐射的物理机制，进而掌握高功率飞秒超连续光源的核心技术, 为飞秒超连续白光激光的研究及其商品化提供理论和技术基础。

飞秒激光成丝产生的超连续辐射作为一种超宽带光谱光源，为白光激光雷达、超短脉冲产生和光谱成像等领域提供了一种独特而重要的光源。本项目通过实验与理论研究相结合，利用液晶空间光调制器进行激光脉冲的时域整形，利用微透镜阵列(MLA)进行激光光束的空间调制，实现了飞秒激光脉冲的时空调制，进而实现了整形激光成丝及其超连续辐射的操控和优化，揭示了时空整形脉冲成丝及其超连续辐射特性影响的物理机制，完成了项目研究计划，并取得了多项创新性研究成果。. 研究了不同MLA条件下飞秒激光在熔融石英和空气中的成丝和超连续辐射过程，实现了激光成丝模式以及超连续辐射特性（光谱范围、强度和转化效率等）的控制，在熔融石英中实现了GW量级的超连续辐射，相对于普通透镜条件下产生的超连续辐射强度提高了三个量级，揭示了MLA空间调制对激光成丝及超连续辐射影响的物理机制。. 研究了几种典型脉冲（双脉冲、线性和高阶啁啾脉冲、陡峭前沿和陡峭后沿脉冲平顶脉冲）的成丝及超连续辐射过程。实现了不同脉冲波形下激光成丝和超连续辐射的优化控制，得到了脉冲波形对成丝和超连续辐射的影响规律，并分析了相应的物理机制。基于以上研究，我们编写了基于遗传算法的整形脉冲成丝及其超连续辐射的反馈控制程序，实现了熔融石英中整形激光成丝及超连续辐射特性（成丝位置、长度和强度、超连续辐射的光谱范围、强度和转化效率等）的闭环优化控制。并结合脉冲的时域整形和MLA的空间调制，进行了飞秒激光成丝产生超连续辐射的反馈优化实验研究，实现了对超连续辐射强度和展宽的反馈控制。