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超短脉冲激光和窄线宽激光及其波长拓展作为激光的重要研究方向,在强场物理、光谱学等领域具有广泛的应用。本文针对其中的若干前沿研究问题,基于掺钛蓝宝石激光分别开展了超短脉冲激光的色散计算、宽谱增益和窄带激光光谱压窄、可调谐及两类激光的非线性频率变换、高能量三倍频紫外激光的产生及光谱法测量火焰速度分布应用等研究,取得的主要进展和创新成果有:
1.针对超快光学频率梳在光学任意波形产生中的应用,对基于光梳梳齿光谱整形系统中的四种空间色散结构进行了计算并编写软件,这为整形系统中的元件参数选择和光源参数要求提供理论依据,为相关实验的开展奠定基础。同时也对光学频率梳的相干傅立叶变换光谱测量过程进行了初步理论模拟,对精密物理参数测量应用具有参考意义。
2.针对超快啁啾脉冲放大系统中色散补偿和脉冲对比度提高的需要,对时间展宽器及压缩器引入的色散进行了追迹计算,获得了Offner、Martinez、Grism、光栅对及材料色散的准确表达式,并据此编写了色散计算的程序,对各阶色散对脉冲和对比度的影响进行了分析,此外也分析计算了超短脉冲激光非共线光参量放大过程中的参量带宽与增益过程,这些工作为啁啾脉冲放大系统的色散补偿和对比度提高提供了设计及计算依据。
3.针对脉冲激光波长拓展的需要,分别进行了超短脉冲激光和长脉冲激光非线性频率变换的研究,获得了飞秒钛宝石激光的二倍频、四倍频输出及高能量的纳秒钕玻璃激光三倍频。
4.针对精密光谱学的需要,设计搭建了高功率高重复频率的可调谐窄线宽激光,通过在腔内插入双折射滤光片和标准具,获得了单级平均功率＞8W,线宽＜0.05nm,重复频率5kHz的激光输出,频率变换得到了功率8mW的深紫外激光。进一步通过放大和倍频利特罗结构的钛宝石种子激光,获得了重复频率1kHz,线宽＜1GHz,功率＞50mW的200nm波长紫外激光,据知这是国内高重复频率深紫外可调谐窄线宽激光的最高功率。
5.针对光谱学应用,采用光热偏转光谱法进行泵浦探测,获得了煤油火焰不同高度层的速度分布,对于激光与物质作用的参数测量具有参考意义。