超短激光脉冲中时空耦合效应的研究

The nearly ubiquitous nature of spatio-temporal couplings (STCs) in ultrashort laser pulses and their significant contributions to light–matter interactions makes these couplings impossible to disregard. These STCs can be detrimental or beneficial. Avoiding or minimizing these effects when they are unwanted, and properly using them when they are to be exploited, requires understanding their physics and origins. This project focuses on the study of the causes, propagation characteristics, evaluations, applications and avoidance of these effects. The main contents can be summarized as follows. First we will study the propagation characteristics of the first-order STCs. Second we will discuss the causes and characteristics of some higher-order STCs in ultrashort laser pulses. Finally, we will study the effects of STCs on some ultrafast experiments, such as pulse compression, pulse focusing and pulse shaping. Base on these, we try to find how to avoid or utilize STCs, and provide some references for the research and application of ultrashort laser pulse.

时空耦合效应在超短激光脉冲系统中非常普遍，且对光与物质相互作用过程影响甚大。这使得它们越来越受到人们的重视。对超短激光脉冲的应用而言，时空耦合效应有利有弊。当它们有副作用时，要尽量避免或减少它们；而当它们有利时，就要对它们进行较好的控制。这就要求我们去深入研究时空耦合效应的物理机制和起源，并掌握消除或利用时空耦合效应的方法。本项目拟对超短激光脉冲中时空耦合效应的产生原因、传输特性、评价方法、利用和消除手段等展开系统的研究。主要研究内容：第一，研究一阶时空耦合效应的传输特性与演化规律；第二，探讨某些高阶时空耦合效应产生的本质原因与特点；第三，研究时空耦合效应对超短激光脉冲压缩、聚焦、整形等过程的影响。通过以上研究，找到消除或利用时空耦合效应的方法，为超短激光脉冲系统的研究和应用提供一些理论依据。

提出了一种利用振幅关联函数来分析超短脉冲中时空耦合效应的方法。定义了关联带宽和振幅关联度。这两个参数可用来评价任意阶的振幅耦合效应。采用振幅关联函数研究了由衍射引起的二阶空间啁啾效应以及由角色散元件引起的一阶空间啁啾和角色散效应，并给出了相应的振幅关联度的解析表达式。通过研究发现：由自由空间衍射引起的二阶空间啁啾效应会随着传输距离的增大而减弱；角色散引起的空间啁啾将会随着传输距离的增大而增加直至趋于一定值，但角色散元件引起的角色散效应并不会随着传输距离的变化而变化；宽带激光脉冲衍射和折射的频率依赖性是导致超短脉冲振幅关联度下降并出现空间啁啾、角色散等振幅耦合现象的根本原因。另外，我们在考虑了透镜的色差的情况下，对一阶空间啁啾高斯脉冲光束聚焦前后的时空分布、脉宽、束宽、空间啁啾程度等展开了系统的研究。推导出了经透镜聚焦后光束的解析表达式。数值模拟了聚焦前后的光强分布。数值分析了光束的脉宽、束宽以及振幅耦合系数随透镜后传输距离的变化，并与理想情况下的结果进行了对比。研究结果表明：不考虑透镜色差的理想情况下，一阶空间啁啾高斯脉冲光束经过透镜聚焦后仍然是一阶空间啁啾高斯脉冲光束；考虑透镜色差时，一阶空间啁啾高斯脉冲光束的脉宽、束宽以及振幅耦合系数都会随着传输距离而改变；透镜色差对一阶空间啁啾高斯脉冲光束聚焦后的束宽和振幅耦合系数没有影响，但会导致聚焦后脉宽加宽。目前本项目已发表CSCD论文两篇，完成了预期目标。