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宽带三倍频不等速群速匹配规律研究

作　者: 杨义胜
导　师: 谭吉春；郑万国
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理学
关键词: 群速度群速匹配宽带三倍频超短脉冲相位调制强度调制 FM-to-AM效应折返点波长非共线相位匹配电光效应
分类号: O437.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

基于二阶非线性效应的宽带三倍频是最重要的非线性光学效应之一。作为紫外超短脉冲产生、激光惯性约束聚变等系统的关键环节,宽带三倍频的转换效率和带宽等指标直接影响着系统的各项性能。然而,严重的群速失配问题,使得在宽带三倍频过程中难以兼顾效率和带宽,从而严重制约着紫外超短脉冲产生、激光惯性约束聚变等系统的整体性能。经典理论指出,宽带三倍频的理想群速匹配条件是“三波包完全等速”。由于受到晶体色散的影响,利用现有晶体和谐波转换技术,难以实现“三波包完全等速”。本文探索在“三波包不等速”状态下,实现高效率的宽带三次谐波转换的方法。本文分为两个部分:第一部分基于非线性三波耦合方程组,对群速度在宽带三次谐波转换中的作用进行了深入细致的研究;分别从超短脉冲、正弦相位调制脉冲和晶体折返特性等三个方面,开展不等速群速匹配规律的理论与数值模拟研究;第二部分讨论不等速群速匹配规律在实验中的应用,提出群速度主动控制技术,在“三波包不等速”条件下,基于不等速群速匹配规律实现宽带三倍频的高效谐波转换。取得了以下五项主要结论:一、在小信号近似下,首次从理论上得到了超短脉冲三倍频的三波包群速匹配准则——为基频、倍频脉冲脉宽的平方比122;本文称该表达式为“不等速群速匹配关系式”,并据此首次提出了“不等速群速匹配”这一广义群速匹配概念。基于离散傅立叶变换和Runge-Kutta积分法的数值模拟结果验证了理论结果的正确性。二、理论并数值研究了正弦相位调制宽带脉冲的三次谐波转换过程;首次得到正弦相位调制脉冲的三倍频群速度匹配关系式——这一关系式与超短脉冲三倍频的不等速群速度匹配关系式具有形式上的统一性,唯一不同的是参量x所代表的物理意义不同。此时,x所表征的是倍频脉冲和基频脉冲的相位调制深度比三、基于晶体自身的色散特性,理论研究了晶体折返特性与群速匹配之间的关系,得到晶体三倍频折返点对应的三波群速度关系为这一表达式与不等速群速匹配关系式同样具有形式上的一致性,是后者在参量时的一个特例。模拟结果表明:当晶体工作在其三倍频折返点时,对超短脉冲的三次谐波转换,可以获得最大的谐波转换效率和最大的转换带宽;对正弦相位调制脉冲的三次谐波转换,可以有效地抑制FM-to-AM效应的产生。四、理论、数值分析了基频倍频脉冲群速度失配对超短脉冲三次谐波转换过程中的影响,得出了三次谐波振幅关于基频、倍频脉冲群速度的解析表达式。结果表明:三次谐波转换效率与基频倍频脉冲之间群速度失配量的平方呈指数衰减的关系。五、提出利用晶体电光效应等技术实现宽带三次谐波转换的不等速群速度匹配;在控制外加电场的作用下,可以得到可调谐的三倍频折返点波长;同时,本文还提出了基于不等速群速匹配的群速度快波延迟技术,通过控制基频、倍频脉冲进入晶体的时间差,提高超短脉冲的三次谐波转换效率。本文的工作对于揭示宽带脉冲三次谐波转换的群速度匹配内在物理规律,解决宽带三次谐波转换的群速失配问题具有重要的意义。所得研究结果为寻求补偿三倍频群速度失配的技术途径提供理论依据和支撑,对提高现有激光惯性约束聚变、紫外超短脉冲光源产生等系统中三次谐波转换器件的性能具有理论指导作用。

全文目录

摘要  11-13
Abstract  13-15
第一章绪论  15-21
  1.1 宽带三倍频的应用需求和技术难点  15-17
    1.1.1 宽带脉冲三倍频的应用背景与需求  15-16
    1.1.2 宽带三倍频的主要技术难点——群速度难以匹配  16-17
  1.2 群速度失配补偿方法及分析  17-19
    1.2.1 传统（间接）群速度失配补偿技术  17-18
    1.2.2 直接群速度失配补偿方法  18-19
  1.3 本文的主要内容及安排  19-21
    1.3.1 主要研究内容及方法  19-20
    1.3.2 章节安排  20-21
第二章超短脉冲三倍频的不等速群速匹配规律  21-43
  2.1 研究对象与难点分析  21-23
    2.1.1 研究对象简述  21-22
    2.1.2 超短脉冲三倍频难点分析  22-23
  2.2 三次谐波转换过程的群速失配机理及规律  23-31
    2.2.1 三波和频耦合波方程组  23-24
    2.2.2 小信号近似下的解析通解  24-27
    2.2.3 高斯脉冲入射下的不等速群速匹配关系式  27-29
    2.2.4 不等速群速匹配关系式的意义  29-31
  2.3 不等速群速匹配下谐波转换特性理论分析  31-42
    2.3.1 不等速群速匹配对谐波转换特性的影响  31-34
    2.3.2 基频倍频脉冲群速失配对谐波转换特性的影响  34-39
    2.3.3 晶体最佳工作厚度LD  39-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章超短脉冲不等速群速匹配规律的数值模拟研究  43-61
  3.1 本文数值模拟方法  43-45
  3.2 不等速群速匹配关系式的数值验证  45-53
    3.2.1 模拟过程及初始参数设置  45-46
    3.2.2 不等速群速匹配模式下的谐波转换特性  46-49
    3.2.3 不同特殊群速匹配模式的比较  49-53
  3.3 基频倍频脉冲群速失配下的谐波转换特性  53-58
    3.3.1 转换效率随基频倍频群速失配量的变化关系  54-57
    3.3.2 基频与倍频脉宽比的影响分析  57-58
  3.4 本章小结  58-61
第四章正弦相位调制脉冲三倍频的不等速群速匹配规律及模拟研究  61-77
  4.1 正弦相位调制脉冲及其谐波转换难点分析  61-64
    4.1.1 正弦相位调制宽带脉冲  61-62
    4.1.2 正弦相位调制宽带脉冲谐波转换关键难点  62-64
  4.2 FM-to-AM 产生机制与群速匹配关系分析  64-68
    4.2.1 正弦相位调制脉冲入射下耦合波方程组解  64-65
    4.2.2 FM-to-AM 效应转换机制理论分析  65-67
    4.2.3 正弦相位调制脉冲三倍频的群速度匹配规律  67-68
  4.3 正弦相位调制脉冲群速匹配关系式数值验证  68-74
    4.3.1 正弦相位调制脉冲入射下FM-to-AM 效应的抑制  68-73
    4.3.2 基频倍频入射脉宽的影响分析  73-74
  4.4 本章小结  74-77
第五章晶体折返特性下的不等速群速匹配规律及模拟研究  77-95
  5.1 晶体的折返特性分析  77-82
    5.1.1 晶体折返特性  77-79
    5.1.2 晶体的折返曲线与群速度曲线  79-82
  5.2 晶体折返特性下的谐波转换特性  82-89
    5.2.1 超短脉冲下晶体折返点附近谐波转换特性  83-85
    5.2.2 相位调制脉冲下FM-to-AM 效应的有效抑制  85-89
  5.3 特定波长折返点匹配三倍频的可行性分析  89-93
    5.3.1 三倍频折返点波长对晶体色散曲线的要求  89-90
    5.3.2 折返点匹配三倍频的实现方法探讨  90-93
  5.4 本章小结  93-95
第六章基于不等速群速匹配规律的群速度主动控制  95-107
  6.1 不等速群速匹配规律的物理内涵  95-96
  6.2 非共线相位匹配实现不等速群速匹配  96-99
    6.2.1 非共线相位匹配  96-97
    6.2.2 非共线不等速群速匹配实现的模拟分析  97-99
  6.3 利用晶体电光效应实现不等速群速匹配  99-101
    6.3.1 外加电场对晶体折射率的影响  99-100
    6.3.2 利用电光效应实现群速度的匹配  100-101
  6.4 不等速群速匹配下的快波延迟技术  101-105
    6.4.1 不等速匹配关系式与快波延迟关系  101-102
    6.4.2 两种不同群速度关系下谐波转换特性对比  102-105
  6.5 本章小结  105-107
第七章总结  107-111
  本文主要研究工作及结论总结如下  107-108
  本论文的特色与创新之处表现在  108-109
  不足与展望  109-111
致谢  111-113
参考文献  113-121
作者在学期间取得的学术成果  121-122

宽带三倍频不等速群速匹配规律研究

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