（物理电子学专业论文）飞秒光参量振荡器及声光可编程色散滤波器的研究.pdf

中文摘要 本论文主要对共线非临界相位匹配的飞秒光参量振荡器( o p o ) 进行了理论 和实验的分析，对一种新的色散可编程控制器件一声光可编程色散滤波器 ( a o p d f ) 进行了理论研究。论文的主体包括一下几个部分： 1 阐述了飞秒激光器、飞秒光参量振荡器的发展历史、研究现状和应用领域， 及声光可编程色散滤波器的特性。 2 在第二章中详细阐述了飞秒光参量振荡器的泵浦源一高平均功率的钛宝石 飞秒激光器，包括高平均功率飞秒激光器的特点、克尔透镜锁模的原理、钛 宝石飞秒振荡器的装置，并对其主要参数进行了实验测试。 3 从飞秒o p o 的原理出发，针对晶体相位匹配类型、角度、以及谐振腔的参 数等进行了实验设计。 4 飞秒o p o 的实验及分析。本论文以高平均功率的k l m 激光器作泵浦源， k t p 晶体为非线性晶体，对共线泵浦非临界相位匹配的飞秒o p o 进行了实 验研究。理论和实验都证明既要有精确的谐振腔调整又要有严格的腔长匹配 是实现飞秒o p o 的关键。本论文分别从s e s a m 被动锁模、比较泵浦源重复 率与n d ：y a g 激光器的纵模拍频两种方法实现了腔长的精确匹配。 5 对一种可以实现位相和幅度同时独立调制地色散控制器件一声光可编程色 散滤波器进行了理论研究，通过耦合波理论推导，得到了输出脉冲的群延迟 与调制声波的频率、啁啾、带宽等参数的关系。并对其应用在放大系统中补 偿色散及增益窄化进行了数值模拟。 6 总结和比较论证了各种超短脉冲整形方法，分析了相位对脉冲时域波形的影 响。对用可编程色散控制器件对超短脉冲进行自适应脉冲压缩和整形时获取 调制函数的几种优化算法进行了理论研究和比较，提出用反复傅立叶变换法 和s p i d e r 相结合的一次整形装置。 关键词：飞秒脉冲，光参量振荡器，共线相位匹配，声光可编程色散滤波器， 脉冲整形 a b s t r a c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e so fn o n c r i t i c a l p h a s e m a t c h e df e m t o s e c o n do p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r ( o p o ) a n d t h ea c o u s t o o p t i c p r o g r a m m a b l ef i l t e r s ( a o p d f ) a r ep r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o n a r ec l a s s i f i e da sf o u o w s ： 1 t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o ft h ef e m t o s e c o n d p u l s el a s e r s ，t h e f e m t o s e c e n do p oa n dt h ea o p d fa r ei n 打o d u c e d f i r s t l y 2 t h ek g h a v e r a g ep o w e rt i ：s a p p h i r eo s c i l l a t o r t h ep u m p s o u l t c eo ft h e f e m t o s e c o n do p oi si n t r o d u c e di nc h a p t e r2 n l et h e o r yo fk e r rl e n sm o d e l o c k i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eh i g ha v e r a g ep o w e r f e m t o s c c o n dl a s e r s ，t h e s e t u p o f t h et i ：s a p p h i r eo s c i l l a t o ra n dt h e p a r a m e t e r s o f t h e o u t p u tp u l s e sa r e i n c l u d e d 3 1 1 1 e p r i n c i p l e a n d e x p e r i m e n t a ld e s i g no f f e m t o s e c o n do p o a r ep r e s e n t e d 4 t h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i n go ft h ef e m t o s e c o n do p oa r ei n 仃o d u c e di n c h a p t e r 4 t h ef o c a lp o 缸o f t h e e x p e r i m e n t i sc a v i t yl e n g t hm a t c h i n g 5 s e r v e da sa n a m p l i t u d e a n d p h a s em o d u l a t o r , t h ea c o n s t o - o p t i c p r o g r a m m a b l ef i l t e r ( a o p d f ) i s i n t r o d u c e d i tc a n c o m p e n s a t e f o r d i s p e r s i o na n dp r e c o m p e n s a t e f o r g a i nn a r r o w i n g i nf e m t o s e c o n d c h i r p - p u l s e a m p l i f i e r ( c p a ) i nr e a lt i m e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w s t h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ea o p d fi nt h ef e m t o s e c o n dp u l s ec o m p r e s s i o n ，w h i c hu t i l i z e st h e l i n b 0 3c r y s t a la sa na c o u s t o o p t i cc r y s t a l 6 t w oa r i t h m e t i c sa r e c o m p a r e di n t h ec a l c u l a t i o no ft h e o r e t i c a l o p t i m a l s p e c t r a lp h a s ef u n c t i o no fp h a s e - o n l yp u l s es h a p i n gi nc h a p t e r6 t h e ya r e i t e r a t i v ef o u r i e rt r a n s f o r m ( i f t ) a n ds i m u l a t e da n n e a l i n ga r i t h m e t i c s t h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ec o n v e r g e n tr a t ei sf a s t e rb y u s i n gt h e i f t s ow e d e v e l o p e d as i n g l es t e pp u l s e ss h a p i n gt e c h n i cb yu s i n gt h ei f t a n ds p i d e r k e yw o r d s f e m t o s e c o n dp u l s e s ，o p o ，c o l l i n e a rp h a s e m a t c h i n g ，a o p d e p u l s e ss h a p i n g ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壶哮缘签字日期：删年 , 9 z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞建盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：去学留 签字日期：) 刎年，月二日 导师签名：寺茏k 导师签名：苦荽0 k 签字日期：年月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 飞秒激光概述 第一章绪论 飞秒激光是过去2 0 年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒 脉冲是如此的短，目前已经达到了4 f s 以内，l 飞秒( i s ) ，即1 0 1 5 s ，仅仅是l 千 万亿分之一秒，如果将l o 飞秒的时间作为与宇宙寿命的几何平均来衡量宇宙，其 相对寿命不过1 分钟而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大( c p a ) 技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦( t w ，即1 0 屹w ) 甚至拍瓦( p w ， 即1 0 ”w ) 量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大 小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。 飞秒激光技术的研究始于8 0 年代初碰撞脉冲锁模的问世，至9 1 9 8 6 年，美国贝 耳实验室的研究人员进一步利用压缩技术产生t 6 f s 的光脉冲“1 ，这一结果曾保持 了近1 0 年的世界纪录，但是，以染料介质为核心的该技术在稳定性及重复性方面 不尽理想。1 9 9 1 年，s p e n c e 等人发现了掺钛蓝宝石激光器的自锁模效应，导致了 超快激光技术的革命性发展仁】。实验和理论研究表明，腔内的光阑和激光晶体的 克尔非线性效应引发的自聚焦作用等价于一个类似快饱和吸收体的自振幅调制 器，所以，这项技术被称之为克尔透镜锁模( k l m ) 。目前，克尔透镜锁模的振 荡级直接输出的脉冲已达n 5 f s 以内。随着啁啾镜1 3 】和半导体可饱和吸收镜 ( s e s a m ) - q 技术的发展，使得克尔透镜锁模的激光器变得更紧凑、稳定，并实 现了自启动运转。 飞秒激光的许多应用所需要的峰值功率要比直接从锁模振荡器输出所能够 获得的功率高得多，因此，必须对锁模激光器输出的飞秒脉冲进行放大。然而， 克尔非线性效应引起的自聚焦将导致峰值功率急剧上升，过商的功率会在增益介 质中产生多种非线性效应，使得光束质量和增益降低，还会破坏晶体，这极大地 限制了固体飞秒放大器的输出功率。1 9 8 5 年，s t r i c l d a n d 和m o u r o u 提出了啁啾脉 冲放大的设想吼将一个低能量超短脉冲在放大前在时域上展宽( 通常利用光栅 对) ，在放大后利用光栅对再将其压缩，这样在放大过程中脉冲的峰值功率较低， 脉冲得到充分地放大。随着展宽器和压缩器设计的发展，目前，啁啾脉冲放大已 经成为一项成熟的技术，钛宝石啁啾脉冲放大器已经获得峰值功率高达1 0 0 t w 【，” 的输出。此外，人们已经利用t i ：s n d ：g l a s s 碉啾脉冲放大系统获得p w 级脉冲，脉 天津大学硕士学位论文第一章绪论 冲聚焦后高达1 0 2 1 w e r a 2 的峰值功率密度 7 1 。 近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来 的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，一方面脉冲宽度和能量的 记录在不断刷新，另一方面在于获得飞秒脉冲变得轻而易举了。正如桑迪亚国家 实验室的r t r e b i n o 所说，“过去1 0 年中，( 超快) 技术已有显著改善，钛蓝宝石 激光器和现在的光纤激光器正在使这种( 飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这 种激光器现在人们己可买到，而1 0 年前，你却必须自己建立”。比如，著名的飞 秒激光器件生产商c l a r k - m x r 公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成 到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上不用调整( n o t w e a k ) 的设计，形成超稳定、紧凑的c p a 系统。这种商品化的系统不需要飞秒专家来协 作，完全可以用于工业应用。 根据飞秒激光超短和超强的特点。其应用研究领域大体上可以分成超快瞬态 现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的 增加而不断的得以深入和发展。 飞秒脉冲激光的最直接应用是作为光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦 探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入 微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制化学、 半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合，使人们可以研究半导体 的纳米结构( 量子线、量子点和纳米晶体) 中的载流子动力学。在生物学方面，人 们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱d o a s ( d i f f e r e n f i a l0 t p t i c a l a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ) 、泵浦探测技术，研究光合作用反应中心的传能、转能 与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。 飞秒激光的第二个应用就是超强及超高强光物理研究。在这一领域研究中， 由于超短激光场的作用己相当或大大超过原子中电子所受到的束缚场，徼扰论已 不能成立，新的理论处理有待于发展。在l o ”w c m 2 的光强下，可以实现模拟天 体物理现象的研究。1 0 1 9 - 1 0 引w ，c m 2 的超高强激光产生的热电子 ( 2 0 0 k e v e 1 m e v ) 可以加热大量离子而引发核聚交。这种惯性约束核聚变 ( i c f ) 快点火概念的最终实现将为国家安全和能源利用作出不可估量的贡献。 飞秒激光的另一个重要的应用就是超精细微加工。通常，按激光脉冲标准来 说，持续时间大于l o 皮秒( 相当于热传导时间) 的激光脉冲属于长脉冲，用它来 加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只 有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的 熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至 生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 等。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。飞秒激光能用于切 割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超 精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症， 甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。 相信随着飞秒技术的不断进步和完善，飞秒脉冲一定会在更多的领域得到更 多的应用。 1 2 飞秒o p o 概述 目前各种固体飞秒脉冲激光器的波长调谐范围多在近红外波段，例如钛宝石 是7 0 0 - 9 0 0 r i m ，镁檄榄石是1 2 0 0 一1 3 6 0 a m ，掺铬石榴石是1 3 6 0 一1 5 7 0 r i m 。在实 际应用中，往往需要更广泛的波长，这就需要对现有的波长做频率变换，例如倍 频，三倍频，以及参量发生( o p g ) 、振荡( o p o ) 和放大( o p a ) 。这些过程对 于连续波或长脉冲来说，人们已经有了相当成熟的了解。而对于飞秒脉冲，与一 般短脉冲波长变换技术不同之处首先在于它对非线性晶体的色散比较敏感。色散 对波长变换的作用一是展宽脉冲、二是降低效率。另外，空间走离和群速度失配 ( 时间走离) 也对频率变换起着极其重要影响。不仅如此，其频率变换过程的动力 学机制与连续波或长脉冲也不尽相同，由此形成了一门新的研究课题一飞秒非线 性光学。 光参量振荡器自首次实现频率转换以来，一直是激光研究的焦点之一。光参 量振荡器在实现频率转换的同时，可以保持输出脉冲的时域特性，所以成为主要 的宽带可调谐超短脉冲激光光源之一。 从原理上讲，光参量放大是利用非线性晶体作为参量耦合元件，将一个强的 高频激光辐射( 泵浦光) 和一个弱的低频光波( 信号光) 同时入射到非线性晶体 内，信号光被放大，同时产生另一个低频光波( 闲频光) 。根据光予守恒定律， 每湮灭个高频光子。就会同时产生两个频率不同( 除简并点外) 的低频光子。 显然，光参量放大过程实质是个差频过程，由于二阶非线性极化，频率为绵 的泵浦光与频率为钆的信号光在非线性晶体内产生一个频率为幼= 唧劬的差频 光，此闲频光的振幅正比于泵浦光与信号光振幅的乘积；闲频光又与泵浦光发生 非线性耦合，再由二阶非线性极化辐射出频率为纰= 嘞卿的信号光，其振幅正比 于泵浦光和闲频光振幅的乘积，即信号光被放大。上述非线性混频过程持续进行， 泵浦光的能量不断耦合到信号光和闲频光中，从而形成参量放大( o p a ) 。 当把非线性晶体置于光学谐振腔内，当参量放大的增益等于或大于腔内损耗 加上耦合损耗时，可分别在信号光频率和闲频光频率处得到持续的相干光振荡输 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 出，这就是光参量振荡器( o p o ) 。对于o p o ，实际上，由于非线性晶体中存在 着自由辐射机制产生的噪声辐射，故不必入射信号种子光，仅入射泵浦光，自发 噪声辐射就可以自动在腔内形成参量振荡。而在泵浦光很强时，既不加谐振腔， 又不入射种子光，这样获得参量输出我们称之为光参量产生( o p g ) 。 1 9 8 9 年，e d e l s t e i n 等人报道了第一个飞秒o p o “1 ，该系统将非线性晶体k t p 放到c p m 的染料激光器的谐振腔内“，这是由于染料激光器输出平均功率只有几 十个m w 原因。这种腔内泵浦的飞秒o p o 最终输出脉冲宽度为l o o f s ，可以在7 0 0 h m 到3 5 恤m 范围内调谐，输出平均功率为几个m w 。现在k 锁模的钛宝石固体激 光器的平均功率已可达到2 w 以上，因此，腔外泵浦已经成为主要的泵浦方式， 这样泵浦源和o p o 的谐振腔可以分别独立进行调整，飞秒o p o 盼输出平均功率也 有所提高，一般在3 0 0 m w 左右。 直到现在，第一个被应用在飞秒o p o 中的k t p 晶体仍然是主要的o p o 晶体， 这是由它的特性决定的。比如，k t p 晶体具有大的非线性系数，大的允许角，高 的热稳定性和高的损伤阙值，宽的通光范围和低的吸收系数等等。以k t p 为非线 性晶体的飞秒o p o 主要有两种，一种是在x z 平面内的临界i i 类相位匹配( o = e + o ) ，如图1 1 所示，一般采用非共线泵浦：另种是沿x 轴的非临界i i 类相 位匹配( e = e + o ，相对于x y 平面) ，该类型o p o 将在后面章节中详细论述。 囝1 1 非共线i i 类相位匹配的k t po p o 系统装置图( 左) 及其相应的相位匹配曲线( 右) 如图1 1 是1 9 9 5 年c l t a n g 等人报道的非共线k t po p o 。其腔的全反端镜 可装在压电陶瓷( p z t ) 上，用于微调腔长或对腔长进行反馈主动控制来稳定波 长。还用一对s f - 1 4 的棱镜在腔内补偿色散。该装置泵浦光平均功率2 5 w 时( 波 长7 9 0 h m ) ，脉冲宽度9 0 r s 时，输出信号光平均功率3 5 0 r o w 以上，脉宽5 7 f s ， 若不用棱镜对腔内压缩，输出的信号光脉冲宽度为5 0 0 f s “3 。 在近红外波段，k t p 家族的其他晶体如k t a ( k t i o h s 0 4 ) 、e t a ( c s t i a s 吼) 、 r t a ( r b t i o h s 瓯) 也被用于飞秒o p o ，它们主要用于替代在3 - 5 邮波段吸收较大 的k t p 晶体。在中红外波段，a g ( ；a s e 。和a g g a s ：都是可用作o p o 的优良非线性晶 天津大学硕士学位论文第一章绪论 体“。 在可见光范围，用钛宝石飞秒脉冲经b b o ( l b o ) 晶体倍频得到二次谐波来 泵浦的o p o 是最常用的。一般将用于倍频的b b o ( l b 0 ) 放在o p o 腔内，如图l - 2 。 值得一提的是，1 9 9 5 年，g a l e 等人曾用这种同类型的装置获得了1 3 f s 的信号光， 对目前的o p o 来说是也是非常窄的脉冲输出了“。除此之外，也可将k t p 作为非 线性晶体的o p o 进行腔内倍频获得可见光输出”1 。 囝1 2 腔内倍频的共线b b oo p o 装置图( 德国a p eg m b h 产品目录) 随着周期性极化技术的发展，用p p l n ( 周期性极化l i n b o 。) 、p p l t ( 周期 性极化l i t a 0 。) 、p pk t p ( 周期性极化k t p ) 等晶体也逐渐用于飞秽0 p o 。它们 的优点是频率转换效率高，所需泵浦阈值低，均可设计成共线泵浦，克服了空问 走离。例如用钛宝石飞秒激光器泵浦p p l n0 p 0 ，其泵浦阈值6 5 m w ，并可在 i 7 - 5 ，4 脚范围内的到闲频光输出，最大可达2 0 0 m w ( 其在5 4 “m 处的输出功率 可达2 0 m w 以上) 。“，而用钛宝石飞秒激光器泵浦的p pk t po p o ，其阅值也达可 到1 5 0 m w 。”。近几年来，光纤在激光器件中的应用成为研究的热点。u k e l l e t 小 组研究了光纤反馈的飞秒0 p 0 ，其原理图如1 3 所示。泵浦源用s e s a m 被动锁模 的y b ：y a g 激光器( 波长l _ 0 3 岬，脉宽7 3 0 f s ，脉冲重复率3 5 r l z ，平均功率8 w 以内) ，输出信号光1 4 3 - 1 4 7 岬，脉宽8 0 0 f s ，最大平均功率2 7 w 。”，这种光 纤反馈的0 p o 不需要主动腔长稳定器件，波长漂移非常小( 在腔长匹配的动态范 围0 5 m m 内都能保持出毙) 。 图1 3 光纤反馈的p p l t o p o 实验装置固 目前，作为飞秒钛宝石激光的频率扩展器，同步泵浦的飞秒参量振荡器已经 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 有商品出售，如美国相干公司所产的m i r a - o p o ，稳定的输出脉宽小于2 0 0 飞秒， 泵浦阈值5 0 0 r o w ；德国a p e 公司的i r 系列o p o ( 包括线型和环形腔) ，l - 2 5 w 泵 浦( 波长8 0 0 n m ，泵浦阂值5 0 0 m w ) 时，输出信号光2 0 0 m w 。 围1 4a p eg m b h 的i r 系列0 p o 系统的波长调谐范围， 包括环腔腔内倍频( r i n g - s h g ) 与和频( s f m ) 飞秒o p o 具有高时间分辨率、高光谱连续可调谐范围、高的脉冲重复率、 高的稳定性、高的性噪比以及高的光束质量，它的最大应用就是超快光谱学。比 如在研究某些材料( 如半导体等) 的超快响应时，最常用的两种方法是是泵浦探 测( p u m p p r o b e ) 和时间分辩荧光测量( t i m er e s o l v e dl u m i n e s c e n c e m e a s u r e m e n t s ) ，这都需要稳定可靠、能多方面调谐的超快光源。飞秒o p o 还被 用于光学频率梭及光谱合成技术的研究，用谐波重复率法获得重复率高达g h z 水平的飞秒o p o 也是光通讯实验的理想光源【! 。 1 3 声光可编程色散滤波器( a o p d f ) 概述 飞秒脉冲技术发展至今从染料激光器到掺钛蓝宝石等固体飞秒激光器，不 仅脉冲能量越来越大，脉冲宽度也越来越窄。对于一个飞秒脉冲振荡或放大系统， 如果具有足够宽的光谱，则总体色散量越小，就越有可能获得更窄的脉冲。因此， 色散补偿是获得窄脉宽的一项关键技术。传统的色散补偿器件有光栅对、棱镜对、 g t 干涉仪以及啁啾镜等。但飞秒激光系统在运转过程中色散是会发生变化的， 而上述这些器件不可能实时的适应这种变化。可编程色散滤波器的出现改变了这 种状况，它可通过程序控制脉冲的各阶色散，提供色散补偿。 在飞秒时域内，很多反应不仅取决于脉冲的持续时间即脉冲长度，也取决于 脉冲的形状和位相，很多应用也需要把输出的脉冲修改成特定的形状。比如说， 阴极光子注入需要矩形的紫外超短脉冲。，而相干量子控制需要控制脉冲位相和 脉冲空间间隔“。这对于纳秒和皮秒脉冲来说，只需在时域范围内操作即可，而飞 天津大学硕士学位论文第一章绪论 秒脉冲整形必须依赖频域内的振幅或位相调制。 目前，基于4 f 系统的液晶空间光调制器自适应脉冲压缩或整形已经广泛应 用，用这种光调制器已经获了3 4 f s 的光脉冲【圳。面声光可编程色散滤波器 ( a o p d f ) 是另一种类型的可编程色散滤波器件。这种声光器件可以直接插入 光路不需要4 f 系统，避免了像差以及液晶空间间隔带来的工作死区，并且它可以 同时提供频域振幅和位相调制，用于飞秒啁啾放大系统中还可抑制增益窄化。 a o p d f 是利用不同波长、不同模式的激光在介质中传播速度不同而产生所 需要的群速度延迟，其最主要的理论依据是同向耦合模理论【2 2 】。由于光弹效应， 有声波传播的媒质可以近似看成周期性媒质，在这样的媒质中同时有光波传播 时，光波的能量会在几个传播模式之间来回转换。但当满足布喇格条件时，只有 一对模式之间能发生强烈的耦合，光能量能够由一个模式完全转换成另一个模 式。由于不同模式的光的折射率不同，这样就可以产生所需要的群延迟【玎】。 由于a o p d f 能方便的对超短脉冲的频域位相和振幅进行独立控制，很多研 究者选择它来进行脉冲自适应压缩或整形。目前，使用a o p d f 改进放大系统已 经获得1 7 f s 、i m j 的脉冲输出1 2 4 l ，而放大的脉冲经过空芯光波导进行光谱展宽后 用a o p d f 补偿色散获得了最短的8 f s 、7 2 n j 的脉冲输出【二”。 1 4 论文主要工作及创新 本论文的主要内容： 1 ) 介绍了飞秒o p o 的泵浦源一一氩离子激光器泵浦的钛宝石飞秒激光器。 2 ) 系统阐述了飞秒o p o 的原理，针对选择晶体、相位匹配类型、相位匹配曲线、 腔的参数等进行了实验设计。同时对实验所需的光学、机械元件进行设计加 工。 3 ) 飞秒o p o 以及s e s a m 被动锁模的实验及分析。 4 ) 声光可编程色散滤波器的原理及在放大系统中补偿色散及增益窄化的数值 模拟。 5 ) 自适应脉冲压缩和整形中确定调制函数的优化算法。 本论文的创新点包括： 1 ) * 备s e s a m 被动锁模用到飞秒o p 0 的腔长匹配中，用模拟示波器测量其重复频 率，其理论精度可至0 3 0 1 a n a 。 2 ) 对用l i n b 0 3 为声光晶体的a o p d f 方案进行理论设计，其优点是可以采用共 线的声光作用，可提供较大的可编程群延迟，对其补偿色散和补偿增益窄化 天津太学硕士学位论文第一章绪论 进行了数值模拟。 3 ) 比较和分析了几种算法在脉冲整形时获取位相调制函数的特点，提出了将反 复傅立叶变换法与s p i d e r 结合的实验装置，其优点是可利用反复傅立叶变 换法的算法速度，实现一步整形。 天津大学硕士学位论文第二章飞秒o p o 的泵浦源高平均功率k l m 钛宝石激光器 第二章飞秒o p o 的泵浦源一高平均功率k l m 钛宝石激光器 飞秒光参量振荡器( o p o ) 从1 9 8 9 年以来一直是人们研究的一个热点。由 于染料激光器较低的输出功率，开始时的o p o 只能将非线性晶体放置于染料 c p m 激光器的谐振腔内。钛宝石k l m 激光器出现后，为飞秒o p o 提供了一个 最佳的泵浦源。由于钛宝石激光器输出的平均功率高，可以将非线性晶体置于泵 浦源的谐振腔外，减小非线性晶体对泵浦源工作状态的影响。然而为了产生足够 强的非线性作用，一般要求泵浦源的输出功率大于i w ，并且要具有非常好的稳 定性k “。本章简要介绍高平均功率( 大于1 w ) 飞秒锁模激光振荡级的锁模特性， 以及在实验中得到的锁模脉冲参数。 2 1 高平均功率k l m 激光器概述 在一些应用领域对飞秒激光器的峰值功率和脉冲能量要求并不是很高，但又 要求有比较高的重复频率，这就是高平均功率飞秒激光器的应用范围。比如有很 多非线性光学过程( 如飞秒o p o ) 的研究。高平均功率k l m 钛宝石激光器 1 0 0 m h z 左右的脉冲重复频率是一般的放大器所不能达到的。还有，近年来很热 的一个研究方向是用飞秒激光脉冲在玻璃等透明材料中超精密微加工，用以制造 三维二迸制数据存储器件或直接在玻璃体材料中刻划光波导器件。人们在进行这 些实验的时候首先用到的是经过再生放大后的激光脉冲，单脉冲的能量一般在u 量级，重复频率在k h z 量级【l 。腔倒空技术也可以用来产生类似能量和重复频 率稍高( 1 m h z ) 的飞秒脉冲序列b 8 1 。但是无论是再生放大激光器还是腔倒空激 光器，系统都比较复杂，耗费甚大，并且相对激光振荡器来说，重复频率比较低。 这限制了材料处理的速度以及处理过程中的精确控制。j g f u j i m o t o 的研究小组 利用多通腔( m u l t i p l e - p a s sc a v i t y , m p c ) 激光器所产生的8 0 f s 重复频率为4 m h z ， 单脉冲能量高达1 0 0 n j 的光脉冲对硼硅酸盐玻璃进行处理，制作出一个x 形的光 耦合器，处理速度为1 0 m m s 2 9 】( 而用再生放大激光脉冲处理的速度为2 0 p m s 。) 高脉冲能量的飞秒激光振荡器具有非常好的处理透明材料，以形成三维数据存储 器和光波导器件的能力。并且振荡器以其简单的结构、稳定的输出、低廉的耗费 和较快的处理速度比脉冲放大器更具有优势。 不光多通腔( m p c ) 结构的振荡器可以产生十几n j 以上的脉冲序列，就是 天津大学硕士学位论文 第- - g r 飞秒o p o 的泵浦源一商平均功率k l m 钛宝石激光器 最常见的z 型或x 型四镜腔在1 0 0 m h z 左右，以2 w 的平均功率就能产生2 0 n j 的脉冲序列。后来人们也将它用于超精细微加工的研究。当然，此时的泵浦光功 率也相当高( 氩离子激光器或5 3 2 n m 连续绿光) ，般在1 0 w 左右。 2 2 克尔透镜锁模( k l m ) 原理 k l m 由激光介质的克尔效应引起的，克尔效应的本质是激活介质自身的折 射率随外部光强的变化而产生相应变化，即折射率的非线性效应，用公式表示可 写成 n = n o + n 2 i( 2 1 ) 其中秘为非线性折射率系数，为光强。从高斯光束横截面来看，由于光强的高 斯分布，导致激活介质的折射率中心高，边缘低，光通过介质时，形成类透镜效 应。对应于允质的某- 4 , 段，其类透镜的焦距为 删，2 。= 2 百 (22)4 “, 6 t n 越 。7 其中。为入射到这段介质的光斑大小，a 为常量，为该段介质的长度， 为入射光轴线上折射率的变化量。根据式2 1 ，可表示为 a n = ，( 2 3 ) ，为入射到这段介质上光束近轴的光强。从脉冲包络的时域上看，脉冲前后 沿的光强小于脉冲中间部分的光强。根据( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式可知，脉冲中间部分对应 的类透镜焦距磊小于脉冲前后沿对应的焦距。这样，当一个光脉冲通过自聚焦 介质后，光脉冲前后沿的高斯光束参数与脉冲中部的高斯光束参数不再一致。脉 冲通过自聚焦介质后由于自聚焦效应，在时间上的光强变化得以在空间上反映出 来。如果在脉冲中部光强自聚焦形成的束腰附近加上光阑，根据上面的分析就可 以使光脉冲前后的损耗大于脉冲中部的损耗。即激光器中由于自聚焦效应和腔内 光阑的存在，受到一个与光强有关的损耗调制，即 口= a o , o l ( 2 4 ) 脉冲在腔内循环时，其前后沿就会不断地被损耗，而脉冲中间部分被放大， 脉冲宽度被压缩，当脉冲压缩过程与色散引入的展宽过程相平衡时，最后形成稳 定的锁模脉冲系列。因此，自聚焦效应加光阑就等价一个快可饱和吸收体。由于 光学克尔效应的响应时间比真实的快可饱和吸收体快得多，因此k l m 可以获得 更窄的光脉冲。k l m 激光器腔内无附加调制元件，结构简单、损耗小、运转稳 定，是目前飞秒激光器最常用的锁模方式。 天津大学颐士学位论文第二章飞秒o p o 的泵浦源一高平均功率k l m 钛宝石激光器 2 3 钛宝石飞秒振荡级的结构及输出脉冲参数 本实验所用钛宝石飞秒激光振荡嚣的光路结构见图2 ，l 。 囝2 1 钛宝石飞秒激光振荡器光路圈 钛宝石飞秒激光振荡器为x 型腔结构，由光谱物理公司生产的氩离子激光 器全线泵浦( 最大输出功率2 0 w ) 。氩离子激光输出为s ( 垂直) 偏振，经过一 个潜望镜p f l ，改交光束高度，同时变为p ( 水平) 偏振。图中f 1 是聚焦镜，焦 距为1 0 g i f t ；m 2 和m 3 是双色镜，对泵浦光透射，对f 1 0 0 n m 激光全反，焦距均 为5 一c ：n - i ：o c l 是1 2 的输出镜；石英棱镜对p 1 、p 2 用于补偿腔内色散，振荡 器的总腔长为18 5 m 。 钛宝石晶体长9 - m m ，以布儒斯特角切割，并且腔内激光以布儒斯特角入射 到钛宝石晶体中，保证了激光输出为p ( 水平) 偏振。当光束斜入射到透明介质 时，会带来像散，同时，光束斜入射到透镜或者球面镜时也会带来像散。但是这 两种情况产生的像散恰好檑反，在设计谐振腔时，当参数满足一定条件对，两种 情况产生的像散可以相互补偿。在晶体长度、球面镜曲率半径一定的条件下，通 常选择球面镜上光束的入射角作为调节像散的参数，并称之为像散补偿角口。像 散补偿角可以通过下面的方程求解： 尺t a n o s i n 0 = 掣三 r ( 2 5 ) 其中月是球面镜曲率半径，上是钛宝石晶体的长度， 是钛宝石晶体的折射 率，疗= 1 7 6 。在本装置中。尺= 1 0 0 m m ，l = 9 咖，则计算出像散补偿角目。 1 0 6 。 用一对熔融石英棱镜来补偿谐振腔内的色散，调节棱镜对的插入量和棱镜对 间距可以调节棱镜对产生的二、三阶色散，使棱镜对的二阶色散补偿激光谐振腔 天津大学硕士学位论文第二章飞秒o p o 的泵浦源一高平均功率i c l m 钛宝石激光器 中的二阶色散和s p m 效应带来的啁啾，得到稳定的锁模脉冲输出。 ，- 、 - i 、 x 兰 t - n ) 一 c t i m e ( r l s ) 图2 2 飞秒激光振荡器输出的脉冲序列曲线 图2 2 是由示波器测得的飞秒激光脉冲序列，重复频率约8 3 一m h z ：图2 3 是用光谱仪测量的脉冲光谱曲线，中心波长约为8 0 0 一衄，脉冲谱宽约3 0 - n m 。 7 2 0 7 3 0 7 4 0 7 5 07 6 q7 7 0 7 8 0 7 9 08 0 0 8 1 0 8 2 0 8 3 0 8 4 0 e s o 8 6 0 8 7 0 8 8 0 w a v e l e n g t h 、n m 囝2 3 飞秒激光振荡器输出脉冲的光谱 振荡级输出脉冲的自相关曲线如图2 4 所示，从图中读出的脉冲宽度约为 3 0 f s 。 弓毋、空丽co芒一可n兰me-oz 天津大学硕士学位论文 第二章飞秒o p o 的泵浦源一高平均功率k l m 钛宝石激光器 t i m ed e l a y f s 图2 4 自相关曲线 用光电二极管监测钛宝石激光器飞秒脉冲输出，将该电信号导入到电谱分析 仪中，可分析得到该电脉冲信号的频谱，如图4 3 所示。重复率基频为8 2 7 m h z 。 2 4 小结 图2 5 用电谱分析仪测得的电脉冲频谱 本章介绍了飞秒o p o 的泵浦源一一氩离子全线泵浦的高功率钛宝石飞秒激 光振荡器。其输出光脉冲宽度约3 0 一f s ，平均功率1 2 w ，中心波长8 0 0 一i l r n ，光 谱宽度3 0 i l r n ，重复频率约8 3 m h z 。 j耍苫历c一c 天津大学硕士学位论文第三章飞秒o p o 的原理和理论设计 第三章飞秒o p o 的原理和理论设计 飞秒o p o 作为获得高重复率、宽范围可调谐飞秒脉冲的手段之，一直受 到研究者的重视。本章主要介绍其基本原理以及一些基本的参数设计。 3 1 飞秒光参量振荡器的原理和组成 参量振荡( o p o ) 与一般的激光振荡原理上最大的不同就是不存在粒子数反 转，即没有能级跃迁，它是一个非线性的频率变换过程。参量振荡的增益来源于 参量放大。参量放大是利用非线性晶体作为参量耦合元件，将一个强的高频激光 辐射( 泵浦光) 和一个弱的低频光波( 信号光) 同时入射到非线性晶体内，信号 光被放大，同时产生另一个低频光波( 闲频光) 。根据光子守恒定律，每湮灭一 个高频光子，就会同时产生两个频率不同( 除简并点外) 的低频光子。显然，光 参量放大过程实质是一个差频过程，由于二阶非线性极化，频率为纰的泵浦光与 频率为地的信号光在非线性晶体内产生一个频率为劬= 纰的闲频光，此闲频光 的振幅正比于泵浦光与信号光振幅的乘积：闲频光又与泵浦光发生非线性耦合， 再由二阶非线性极化辐射出频率为砚= 纰嘞的信号光，其擐循正比于泵浦光和闲 频光振幅的乘积，即信号光被放大。上述非线性混频过程持续进行，泵浦光的能 量不断耦合到信号光和闲频光中，从而形成参量放大( o p a ) 。 当把非线性晶体置于光学谐振腔内，当参量放大的增益等于或大于腔内损耗 加上耦合损耗时，可分别在信号光频率和闲频光频率处得到持续的相干光振荡输 出，这就是光参量振荡器( o p o ) 。对于o p o ，实际上，由于非线性晶体中存在 着自由辐射机制产生的噪声辐射，故不必入射信号光，仅入射强泵浦光，自发噪 声辐射就可以自动在腔内形成参量振荡。 既然光参量振荡过程实质上是光子在非线性晶体中湮灭一产生过程，三个 不同频率的光子必然要满足能量守恒与动量守恒，( 虽然动量守恒条件不是必要 条件，但是满足动量守恒条件可以得到最大增益，而且增益随相位失配迅速减小， 所以一般的光参量放大器都设计成在动量守恒条件下工作) ，此时通常把动量守 恒条件称之为相位匹配条件。相位匹配可以通过晶体的双折射效应、温度效应等 调谐方式实现。 光参量振荡器可分为靠信号光和闲频光共同提供反馈的双谐光参量振荡器 天津大学硕士学位论文第三章飞秒o p o 的原理和理论设计 ( 简称d r o ) ，和仅靠信号光或闲频光单独提供反馈的单谐光参量振荡器( 简称 s r o ) 。应指出的是，信号光和闲频光只是表明在光参量振荡器中存在两种不同频 率的光波是相伴成对出现的，故没有必要去区别两种光的名称，即二者的名称互 易也无妨”。 飞秒光参量振荡器一般由如下几部分组成： ( 1 ) 非线性晶体一飞秒o p o 主要采用b b o 、l b o 、k t p 、k t a 、l i n b o 。等 具有较高二阶非线性系数的晶体，其折射率对角度或温度的变化较 敏感，易于实现参量振荡器频率的连续调谐。由于受空间、时间走 离的影响，晶体一般制成卜2 毫米平行片状。 ( 2 ) 飞秒泵浦源一对于飞秒激光o p o ，一般为氩离子全线( 或其他i o w 左右连续绿光) 泵浦的钛宝石飞秒振荡级，最大平均功率可达2 w 左 右。 ( 3 ) 光学谐振腔一飞秒o p o 的谐振腔一般是类似钛宝石振荡器的四镜x 或z 型折叠腔。 3 2 非线性光学晶体k t p k t p ( 磷酸钛氧钾，k t i o p o 。) ，1 9 7 1 年被生长出来，它是目前频率变换使用 最广泛的晶体。我国的山东大学晶体所和北京人工晶体所均可生长，无论在质量 和尺寸上均达到国际最先进的水平。k t p 是双轴晶体，具有非线性系数大，容许 温度和容许角度大，物化性能稳定，不易潮解，生长技术较成熟，可匹配的泵浦 波长较多等优点，可获得可见中红外波段。由于在短波长工作时的吸收系数远 大于长波长，破坏阈值也低，所以当运转在短波长( 如5 3 2 n m 绿光) 情况下，要 注意k t p 晶体的散热，以避免热损伤。1 。 晶体结构正交，点群m m 2 晶胞参数a = o 6 4 2 0 n m ，b = 1 0 6 0 4 n m ，c = 1 2 8 0 9 n m 熔点1 1 5 0 。c 时部分分解 奠氏硬度稍大于5 密度29 4 5 9 c m 3 比热 0 1 7 3 7 c a l ( g 口c