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基于光学超晶格材料的超快激光脉冲整形和压缩研究

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光脉冲整形可作为飞秒光脉冲产生的补充手段。在过去几十年间，人们已经发展了一系列光波形合成（或脉冲整形）方法，可根据使用要求产生复杂的超短光学波形。已经证明，脉冲整形系统为超快光谱学，非线性光纤光学和强场物理提供了前所未有的控制超短光脉冲波形的手段。本文介绍了超短光脉冲整形的两种办法，第一种是即基于空间光调制器的光脉冲整形，其核心是利用模板（Mask）对在空间色散开来的各频率成分进行平行调制，从而获得所需的波形，它不改变脉冲的频谱成分，被称之为位相型整形技术，这种技术一般只改变光脉冲所包含的单色光的位相。第二种是利用各种光学非线性手段展宽脉冲的频谱宽度，然后再利用位相型整形技术来产生各种脉冲波形，然而有些技术将这两步整合到一起，完成所需的功能。这个技术就是利用光学超晶格材料中的倍频效应来进行脉冲整形与压缩。 近年来，各种微结构的准位相匹配材料广泛应用于频率转换领域，准位相匹配技术有很多优点：可以利用材料较大的非线性系数，不必再使用临界角匹配技术，不需要再利用材料的双折射，最重要的是，只需要相互作用的光在材料的透明范围内，利用单种材料就可以产生各种非线性过程，这对于倍频超短脉冲非常具有价值，准位相技术可以设计器件的振幅和位相响应，因此这种技术非常适合脉冲整形。 在本论文中，我们从波动方程出发，在慢变包络近似下，重新推导出了在准位相光栅中耦合波动方程的频域表达式，给出了一般色散条件下的谐波输出表达式，分析了在忽略GVD及以上的色散，谐波输出的简化表达式，详细解释了它对脉冲整形的意义。Gennady Imeshev等人根据这些公式给出了设计各种整形功能光栅的一般步骤，并实现了fs脉冲的压缩与整形。Gennady Imeshev等人给出的这些设计方法实现起来有一定的难度，并且对于必须考虑高阶色散条件下，设计比较繁琐，我们仔细分析了脉冲整形与压缩原理，并结合准位相匹配光栅的优点，提出了另一种方案。这方案的实现涉及到函数优化问题，需要用随机搜索优化算法来算输出的谐波脉冲。由于搜索的空间较大，目标函数特性复杂，一般的搜索算法难以满足需求，本论文提出了一种改进的算法，级联遗传算法，该算法搜索效率高，实现较为简单。因此我们成功地模拟了不同条件下的谐波输出情况，找到了实现脉冲压缩的光栅结构，该方案不仅可以实现脉冲压缩，对于更一般的脉冲整形也是可以实现的。该方案使实现各种功能的光栅设计和实现变得更加简单。

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