随着超快激光脉冲宽度不断变窄,进一步产生单周期乃至亚周期的脉冲面临着巨大的技术挑战。通过脉冲载波包络相位精密控制技术相干合成多路超快光场,不仅是目前超快光学的重要前沿内容,也是实现亚周期脉冲极为有效的方案。结合本课题组近年来在相干合成方面的研究进展,介绍相干合成超快光场的主要技术内容,包括超宽带光谱的产生、色散管理及载波包络相位控制等技术。

实验搭建了全保偏结构的掺镱皮秒脉冲光纤激光器, 采用级联放大结构及双包层保偏光子晶体光纤将种子脉冲能量提升至最高10 μJ, 重复频率0.05～20.00 MHz连续可调。主放大器中的纤芯/包层直径为14/135 μm保偏光子晶体光纤, 不仅可以实现与少模双包层光纤的直接熔接, 确保光纤放大器的全光纤结构, 而且有效降低了皮秒脉冲放大过程中的非线性效应, 较好的保持了输出脉冲的时频域特性。采用1 064 nm皮秒脉冲光源结合扫描电镜, 照射浸泡在蒸馏水中的二氧化钛(TiO2)粉末压片, 制备出TiO2纳米颗粒, 利用透射式电子显微镜(TEM)对TiO2纳米颗粒尺寸进行了测量。当采用在100 kHz的重复频率, 每脉冲能量为5 μJ, 脉冲串内3脉冲工作方式, 制备所得的粒子直径分布在50~350 nm之间。当脉冲串内的脉冲数从3个增加至5个后, 制备出纳米颗粒的平均直径从234 nm缩小为162 nm, 且产率从3.9 mg/h提升至5.5 mg/h。

研究了强场超快激光脉冲在光学介质中传输引起的成丝现象。考虑无序的多丝降低了激光光束的光斑质量, 影响了光丝的能量分布, 限制了超快激光脉冲成丝在实际中的应用, 本文介绍了目前对高功率超快激光脉冲在介质中传输时产生的多丝进行控制的方法, 并对各种方法进行了分析和比较。研究表明, 目前对于多丝的控制主要采用振幅调制或相位调制等方法, 已实现了减弱或消除强度微扰与传输介质折射率扰动, 可避免多丝间相互联系及能量的竞争, 使多丝按照预想的空间图样排布, 达到多丝控制的目的。文章指出, 目前多丝控制存在的主要问题是还不能准确完成对多丝长度及间距位置的精确控制。

基于超快光脉冲的非线性传输模型，数值模拟了不同偏振态下的飞秒光脉冲在石英介质中的传输过程，分析了不同偏振度和数值孔径对光脉冲传输特性和脉冲压缩的影响，获得光脉冲出现再聚焦效应的临界椭圆度和临界数值孔径。研究结果表明在松聚焦条件下，自聚焦效应造成了不同偏振光脉冲在传输中表现出明显不同的光强分布和等离子体细丝结构。在光脉冲的时域演化过程中，圆偏振光与线偏振光相比仅出现自压缩，而未出现脉冲分裂。在紧聚焦条件下，由于透镜的线性聚焦相比自聚焦占据主导地位，因此不同偏振光传输特性和脉冲压缩规律趋于一致，且未出现明显自压缩现象。

在超短超强激光装置中, 强激光与靶物质相互作用产生等离子体, 为了获知等离子体的演化规律, 需要准确控制探针光与打靶主激光的相对延时, 精度须达到几十飞秒至几皮秒。为此设计了一台延时测量仪, 该测量仪基于超短脉冲强度二阶单次互相关测量原理, 利用非线性晶体的非共线和频效应, 采用线阵CCD采集探针光与打靶光产生的和频光空间光强分布曲线, 通过测量和频光强峰值的相对移动量, 反映探针光与打靶光的相对延时, 控制延时光路达到两光束的精确延时。详细阐述了该延时测量仪的构型, 讨论了超短脉冲强度互相关测量的原理, 理论分析了两光束的相对时间差与和频光峰值相对移动量之间的关系, 通过数值模拟给出了两光束夹角对延时测量精度的影响, 可根据不同要求改变两光束夹角更换晶体, 以满足延时精度及延时范围的要求。在理论分析的基础上进行了初步的实验验证。

超短脉冲光纤激光器是目前激光技术研究领域中最具有活力的研究课题．有着巨大的应用前景。本文介绍超短脉冲光纤激光器的发展概况及最新进展，论述掺稀土超短脉冲光纤激光器原理，对其关键技术及多种新型技术方案做了介绍和比较，分析超短脉冲激光器的应用前景及发展趋势。

超短高功率脉冲激光系统的小型化实用化极大地促进了激光与物质相互作用的物理和应用研究。回顾加拿大魁北克大学国立科学研究院材料研究所(简称INRS)的超短高功率脉冲激光产生高温高密度等离子体的最新研究成果及其在分子物理和辐射约束高温高密度等离子体物理中的应用。