被动锁模及飞秒激光技术

1、第二十九讲第二十九讲被动锁模及飞秒激光技术被动锁模及飞秒激光技术29.1 被动锁模被动锁模2/l c将将放放在在激激光光谐谐振振腔腔内内，当当小小于于光光脉脉冲冲在在可可饱饱和和吸吸收收体体其其上上能能级级腔腔内内往往返返一一次次的的时时间间时时，则则可可得得到到一一系系寿寿命命列列锁锁模模脉脉冲冲。91210aqlsc 时时域域分分析析光光泵泵开开始始后后，激激活活粒粒子子由由基基态态激激发发到到高高能能态态，产产生生自自发发辐辐射射。当当腔腔中中增增益益等等于于损损耗耗时时，则则形形成成激激光光振振荡荡。由由于于大大量量纵纵模模的的相相互互干干涉涉，使使谐谐振振腔腔中中激激光光输输出出幅幅

2、度度出出现现了了强强的的波波动动。 随随着着振振荡荡次次数数的的增增加加，这这些些辐辐射射场场的的强强度度逐逐渐渐增增强强，并并获获得得了了周周期期结结构构，但但仍仍保保持持它它的的噪噪声声特特性性。 由由于于激激光光工工作作物物质质的的增增益益色色散散效效应应，各各个个尖尖峰峰的的频频谱谱宽宽度度将将压压缩缩几几十十倍倍。2/l c 在在一一个个振振荡荡周周期期中中（）充充满满了了若若干干个个强强度度随随机机分分布布的的尖尖峰峰脉脉冲冲。， 初初始始激激光光脉脉冲冲光光强强对对强强脉脉冲冲吸吸收收得得少少的的起起伏伏很很大大在在吸吸收收体体染染而而对对弱弱脉脉冲冲料料吸吸收收得得多多中中29

3、.1 被动锁模被动锁模线线性性放放大大阶阶段段：非非线线性性吸吸收收阶阶段段：， 在在激激光光介介质质中中产产生生线线性性放放大大其其结结果果就就发发生生自自然然选选模模作作用用。，此此阶阶段段内内激激光光介介质质的的增增益益虽虽然然是是线线性性的的，但但激激光光辐辐射射场场的的最最强强脉脉冲冲使使饱饱和和吸吸收收体体呈呈现现非非线线性性吸吸收收大大量量的的弱弱脉脉冲冲受受到到染染料料的的吸吸收收而而被被抑抑制制掉掉， 使使发发射射脉脉冲冲变变窄窄谱谱线线增增宽宽。， 选选择择出出的的强强脉脉冲冲不不但但能能使使染染料料吸吸收收饱饱和和而而且且使使激激光光工工作作物物质质的的增增益益达达到到饱

4、饱和和29.1 被动锁模被动锁模非非线线性性放放大大阶阶段段：， 前前沿沿及及中中心心部部位位放放大大得得多多致致 当当强强脉脉冲冲经经过过使使脉脉冲冲后后沿沿放放大大得得激激活活介介质质时时甚甚至至得得不不到到放放大大少少， 其其结结果果使使前前后后沿沿小小脉脉冲冲几几乎乎被被完完全全抑抑制制最最后后输输出出一一个个高高强强度度窄窄脉脉宽宽的的变变陡陡脉脉冲冲变变窄窄脉脉冲冲序序列列。频频域域分分析析2/ 2sql cqfcl 每每次次强强脉脉冲冲漂漂白白可可饱饱和和吸吸收收材材料料就就相相当当于于 开开关关开开关关一一次次，每每过过的的时时间间漂漂白白一一次次，类类似似于于 开开关关频频率

5、率。29.1 被动锁模被动锁模可可饱饱和和增增益益介介质质可可饱饱和和吸吸增增益益与与损损耗耗的的饱饱和和效效由由于于，由由和和共共同同产产生生的的脉脉冲冲收收材材料料应应压压窄窄过过程程29.1 被动锁模被动锁模经经过过增增益益介介质质时时候候前前沿沿被被放放大大，后后沿沿被被衰衰直直到到光光脉脉冲冲经经过过可可饱饱和和吸吸收收体体与与群群速速度度色色散散导导致致的的脉脉冲冲时时前前展展宽宽沿沿被被削削减减效效应应，减减，相相平平衡衡。29.1 被动锁模被动锁模被被动动锁锁模模器器件件激激光光器器的的典典型型腔腔型型结结构构如如图图所所示示。为为得得到到锁锁模模效效果果好好，稳稳定定性性高高

6、的的激激光光超超短短脉脉冲冲，器器件件设设计计应应注注意意以以下下几几点点：“”，为为消消除除 子子腔腔效效应应可可饱饱和和吸吸收收体体与与全全反反射射镜镜最最好好合合而而为为一一。，饱饱和和吸吸收收谱谱线线与与激激光光增增益益谱谱线线相相匹匹配配且且不不小小于于增增益益线线宽宽。2/l c，饱饱和和吸吸收收体体具具有有适适当当的的饱饱和和光光强强和和静静态态透透过过率率以以及及高高上上能能级级寿寿命命要要远远小小于于的的抗抗光光损损伤伤阈阈值值其其。cryagsesam用用于于被被动动锁锁模模的的可可饱饱和和吸吸收收材材料料，除除了了传传统统的的染染料料之之外外，近近年年来来还还有有：晶晶体

7、体和和半半导导体体可可饱饱和和吸吸收收镜镜（）等等。29.2碰撞锁模（碰撞锁模（cpm）激光器）激光器 80colliding pulse modelocking cpmpsfs 碰碰撞撞锁锁模模（）技技术术在在上上世世纪纪年年代代出出现现，首首先先将将激激光光超超短短脉脉冲冲由由皮皮秒秒压压缩缩到到飞飞秒秒量量级级。cpm常常采采用用如如图图所所示示的的共共振振环环型型腔腔结结构构。其其锁锁模模过过程程概概述述如如下下： 11r、由由激激光光增增益益介介质质产产生生的的光光脉脉冲冲在在分分束束镜镜处处被被分分为为两两个个 强强度度相相等等的的光光脉脉冲冲，在在环环型型腔腔内内相相向向传传播播

8、、可可饱饱和和吸吸收收 体体位位于于环环型型腔腔中中部部，保保证证两两个个光光脉脉冲冲在在可可饱饱和和吸吸收收体体中中 相相碰碰撞撞。 在在光光栅栅的的形形成成过过程程中中 两两个个脉脉冲冲的的前前沿沿被被吸吸收收。29.2碰撞锁模（碰撞锁模（cpm）激光器）激光器 2 、，“”，由由于于两两个个光光脉脉冲冲的的相相干干性性和和波波长长量量级级的的光光程程差差碰碰撞撞时时将将 出出现现 干干涉涉， 其其干干涉涉光光强强在在可可饱饱和和吸吸收收体体内内形形成成空空间间周周期期性性 的的粒粒子子数数密密度度分分布布“”，“”， 表表现现为为光光强强大大对对应应 漂漂白白光光强强小小对对应应未未漂漂

9、白白“”，即即 黑黑白白相相间间的的空空间间光光栅栅29.2碰撞锁模（碰撞锁模（cpm）激光器）激光器00/ 2sn 设设入入射射光光波波长长为为，在在饱饱和和吸吸收收体体中中形形成成驻驻波波，波波腹腹处处光光场场将将饱饱和和吸吸收收体体漂漂白白，波波节节处处不不漂漂白白饱饱和和吸吸收收体体，形形成成“吸吸收收”光光栅栅，光光栅栅常常数数bbragg 该该光光栅栅对对入入射射光光场场产产生生衍衍射射，可可以以求求出出为为：0sin12bsn 2b 2b 则则衍衍射射光光对对入入射射光光的的夹夹角角为为，即即该该光光栅栅对对入入射射光光起起后后向向散散射射作作用用。29.2碰撞锁模（碰撞锁模（c

10、pm）激光器）激光器 3 、，在在，两两个个光光脉脉冲冲相相干干叠叠加加所所形形成成的的空空间间光光栅栅可可饱饱和和吸吸收收体体的的驰驰豫豫时时间间大大于于光光脉脉冲冲宽宽度度的的条条件件下下 对对脉脉冲冲后后沿沿也也有有相相当当大大的的调调制制造造成成的的相相移移拓拓宽宽了了频频谱谱而而散散射射使使脉脉冲冲后后沿沿受受削削，从从整整体体上上压压缩缩了了脉脉冲冲宽宽度度。cpmns锁锁模模激激光光器器属属于于慢慢弛弛豫豫锁锁模模激激光光器器，激激光光介介质质和和可可饱饱和和吸吸收收材材料料的的弛弛豫豫时时间间在在量量级级。cpm，技技术术使使得得被被动动锁锁模模的的非非线线性性过过程程加加强强

11、、加加快快可可获获得得更更窄窄的的锁锁模模脉脉冲冲。101ndyagcpmps，可可以以。 例例如如对对于于：激激光光器器采采用用技技术术后后得得到到的的锁锁模模脉脉宽宽，较较主主动动锁锁模模脉脉宽宽窄窄了了 个个数数量量级级基基本本达达到到增增益益线线宽宽的的倒倒数数 cpm技技术术主主要要适适用用于于驰驰豫豫时时间间大大于于光光脉脉冲冲宽宽度度，慢慢饱饱和和吸吸收收体体的的被被动动锁锁模模。29.2碰撞锁模（碰撞锁模（cpm）激光器）激光器dodci65155cpnmmwagr 为为可可饱饱和和激激光光器器若若丹丹明明泵泵浦浦源源为为激激光光增增为为波波长长下下图图是是染染料料激激光光器器

12、示示意意图图，谐谐振振腔腔为为，功功率率为为环环形形腔腔，以以，。益益吸吸收收体体介介的的质质激激光光器器。dodci6g激激光光器器中中的的棱棱镜镜组组是是脉脉冲冲压压缩缩器器件件，用用以以补补偿偿和和若若丹丹明明的的群群速速度度色色散散。608062020fsmhznmmw该该激激光光器器可可以以产产生生脉脉宽宽的的激激光光输输出出，脉脉冲冲重重复复率率为为，中中心心波波长长为为，平平均均功功率率。29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术一一、飞飞秒秒激激光光技技术术的的发发展展材材料料科科学学的的进进步步推推动动了了超超短短脉脉冲冲激激光光技技术术的的发发展展。231010tial ofs以以

13、掺掺钛钛宝宝石石（ ：）为为代代表表的的自自锁锁模模飞飞秒秒激激光光器器，由由于于具具有有极极宽宽的的增增益益带带宽宽（几几乎乎是是钕钕玻玻璃璃的的倍倍）意意味味着着它它特特别别适适应应于于作作为为飞飞秒秒激激光光介介质质，全全固固化化掺掺钛钛兰兰宝宝石石自自锁锁模模激激光光器器能能直直接接产产生生量量级级的的光光脉脉冲冲。蓝蓝，cr lisafcr forsterite另另外外，掺掺铬铬氟氟化化铝铝锶锶铌铌（: :）和和掺掺铬铬镁镁橄橄榄榄石石（: :）也也可可以以作作全全固固化化、高高效效率率产产生生飞飞秒秒激激光光的的材材料料29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术钛钛宝宝石石飞飞秒秒激激光光

14、系系统统29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术 selfmodelocking自自锁锁模模二二、补补偿偿色色散散、频频率率牵牵引引和和纵纵模模 跳跳变变维维持持各各纵纵模模的的等等间间隔隔分分布布有有确确定定的的相相位位关关系系本本身身当当激激活活介介质质能能够够等等无无规规则则随随机机因因素素能能并并且且，实实现现的的超超短短脉脉序序的的非非列列输输线线激激光光器器称称为为自自锁锁模模出出，则则该该性性极极满满足足锁锁模模条条化化。光光件件激激器器效效应应“”，2henend yagco 在在激激光光器器、红红宝宝石石、钕钕玻玻璃璃: :激激光光器器以以及及半半导导体体和和激激光光器器上上都都观

15、观察察到到自自锁锁模模现现象象， 但但输输出出极极不不稳稳定定锁锁模模脉脉冲冲不不能能得得到到持持续续无无实实用用价价值值有有时时还还要要作作为为影影响响激激光光器器稳稳定定运运转转的的负负面面因因素素设设法法予予以以消消除除。， 并并且且输输出出稳稳定定性性好好可可获获得得最最短短的的锁锁模模脉脉冲冲是是目目前前产产生生飞飞秒秒超超短短脉脉冲冲的的主主要要器器件件。，29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术90上上世世纪纪年年代代初初首首次次在在掺掺钛钛宝宝石石激激光光器器上上获获得得飞飞秒秒量量级级的的超超短短脉脉冲冲，蓝蓝，锁锁 模模 激激光光 器器结结构构简简 活活介介 这这类类质质本本身身

16、就就是是锁锁激激件件自自单单模模元元，锁锁模模谱谱线线宽宽度度也也就就是是增增益益线线宽宽，最最简简单单的的自自锁锁模模掺掺钛钛兰兰宝宝石石激激光光器器的的结结构构装装置置如如图图所所示示。29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术即即透透过过率率从从较较为为广广能能完完全全瞬瞬自自时时锁锁模模的的随随也也属属于于被被光光强强而而变变泛泛的的意意义义上上讲讲并并且且通通常常是是因因此此脉脉冲冲前前、后后动动锁锁模模沿沿损损耗耗快快饱饱和和吸吸收收大大中中心心峰峰值值处处损损耗耗小小方方式式，。 opticalkerr 能能在在空空间间对对于于自自锁锁模模的的飞飞秒秒激激光光介介质质具具有有一一上上改改

17、变变光光脉脉冲冲的的时时间间分分布布性性质质个个非非常常重重要要的的性性质质即即使使快快饱饱和和吸吸收收的的锁锁模模得得到到进进一一步步增增强强。光光克克尔尔效效应应，目目前前，几几乎乎所所有有的的飞飞秒秒脉脉冲冲都都是是通通过过光光克克尔尔效效应应进进行行被被动动锁锁模模的的。三三、光光克克尔尔透透镜镜效效应应 ni t 二二次次电电光光效效应应外外电电场场的的平平方方成成正正比比通通常常的的克克尔尔效效应应也也称称为为即即介介质质折折射射率率的的变变化化与与在在光光光光强强成成正正比比频频范范畴畴内内，与与的的介介质质折折射射率率变变化化，。克克尔尔效效应应属属于于三三阶阶非非线线性性光光

18、学学效效应应。29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术 002nkernnrnni t 光光效效应应： 22 0n tn i tn从从时时域域上上分分析析光光强强导导致致折折射射率率的的变变化化对对光光脉脉冲冲的的前前、后后沿沿和和中中心心部部分分将将在在介介质质中中对对应应不不同同率率变变化化的的折折射射，。 n ti t 对对于于玻玻璃璃和和晶晶体体等等材材料料其其响响应应时时间间为为飞飞秒秒量量级级因因此此可可以以认认为为能能 实实时时地地跟跟随随的的变变化化。，“”中中间间大大、两两边边小小从从空空间间上上看看一一个个高高斯斯型型分分布布的的光光束束在在横横截截面面上上的的光光强强分分布布是

19、是导导致致折折射射率率梯梯度度分分布布从从而而形形成成一一个个等等效效的的会会聚聚透透镜镜克克尔尔聚聚。应应即即自自焦焦效效， 225.6 5.74mmmmmmfn lnni ti 为为轴轴线线上上为为光光斑斑大大小小为为入入射射到到 为为 其其焦焦距距，式式中中，； 折折射射率率变变化化 介介质质上上光光一一常常量量，一一束束的的近近般般，为为轴轴光光强强。 光光脉脉冲冲峰峰值值处处的的光光强强所所形形成成的的自自聚聚焦焦距距最最短短。29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术1个个光光脉脉冲冲中中不不同同的的时时间间区区域域内内对对应应着着不不同同的的自自聚聚焦焦的的焦焦距距。，光光强强的的大大小

20、小对对应应焦焦距距即即。的的短短长长： 再再利利用用通通常常的的谐谐振振腔腔模模式式分分析析方方法法，不不难难得得出出光光脉脉冲冲前前后后沿沿与与峰峰值值处处，各各自自相相对对应应的的高高斯斯光光束束参参数数。高高强强度度区区对对应应短短焦焦距距其其光光斑斑半半径径较较低低强强度度区区对对应应长长焦焦距距其其光光斑斑半半径径一一较较小小般般大大来来讲讲，。“”利利用用光光阑阑或或介介质质本本身身的的自自孔孔径径选选模模作作用用，将将脉脉冲冲前前、后后沿沿对对应应的的低低强强度度光光强强空空间间 滤滤波波 。相相当当于于对对光光脉脉冲冲在在时时域域上上的的进进行行压压缩缩29.3 飞秒激光技术飞

21、秒激光技术 0i t 自自聚聚焦焦效效应应和和光光阑阑的的结结合合相相当当于于一一个个快快弛弛豫豫饱饱和和吸吸收收体体，当当外外界界泵泵浦浦的的光光功功率率和和光光斑斑尺尺寸寸确确定定后后对对于于光光克克尔尔透透镜镜自自锁锁模模激激光光器器所所谐谐振振腔腔设设计计必必须须考考虑虑以以下下因因素素 : :，即即峰峰值值处处的的 损损耗耗最最少少 净净 增增益益最最大大经经过过多多次次振振荡荡后后脉脉冲冲宽宽度度不不断断被被压压缩缩 ， 对对于于掺掺钛钛兰兰宝宝石石自自锁锁模模激激光光器器在在光光克克尔尔效效应应的的作作用用下下，可可获获得得飞飞 秒秒量量级级的的超超 。 短短脉脉冲冲，克克尔尔介

22、介质质与与反反射射镜镜的的相相当当位位置置光光阑阑处处的的光光斑斑尺尺折折叠叠腔腔镜镜的的象象散散补补偿偿和和腔腔型型的的寸寸稳稳以以及及定定性性两两个个反反射射镜镜的的曲曲率率和和对对锁锁模模效效果果的的影影。间间距距响响等等等等，另另外外，消消除除寄寄生生反反射射和和避避免免自自聚聚焦焦对对介介质质的的光光损损伤伤也也很很重重要要。29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术自自锁锁模模激激光光器器四四、自自锁锁模模激激光光器器属属于于被被动动锁锁模模。从从时时域域角角度度看看任任何何带带有有被被动动性性质质的的锁锁模模激激光光器器腔腔内内都都存存在在元元件件，某某种种，它它们们首首先先从从噪噪声声

23、中中选选取取强强度度较较大大的的脉脉冲冲作作为为脉脉冲冲序序列列的的种种子子，然然后后利利用用其其锁锁模模器器件件的的非非线线性性效效应应使使脉脉冲冲的的前前后后沿沿的的增增益益小小于于，而而使使脉脉冲冲中中间间的的增增益益大大于于损损耗耗损损耗耗，脉脉冲冲在在腔腔内内往往返返过过程程中中不不断断被被整整形形放放大大脉脉冲冲宽宽度度被被压压缩缩直直到到稳稳定定锁锁模模。，因因此此，自自锁锁模模脉脉冲冲形形成成可可以以分分为为以以下下两两个个阶阶段段：29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术初初始始脉脉冲冲的的形形成成：理理论论分分析析和和大大量量的的实实验验证证明明连连续续运运转转的的掺掺钛钛蓝蓝宝

24、宝石石激激光光器器中中的的噪噪声声脉脉冲冲由由于于达达不不到到锁锁模模的的启启动动阈阈值值，故故该该种种激激光光器器的的自自锁锁模模不不能能自自启启动动。，因因此此，必必须须首首先先在在腔腔内内引引入入一一个个瞬瞬间间扰扰动动，造造成成高高损损耗耗，当当腔腔镜镜复复位位时时，腔腔中中的的光光强强产产生生强强烈烈涨涨落落。当当它它们们通通过过增增益益介介质质时时由由于于增增益益介介质质的的自自聚聚焦焦效效应应它它与与腔腔内内光光阑阑的的结结合合等等效效于于可可饱饱和和吸吸收收体体，sam经经过过自自振振幅幅调调制制（）和和增增益益介介质质的的线线性性放放大大对对脉脉冲冲进进行行选选择择、放放大大

25、、初初步步压压缩缩形形成成初初始始脉脉冲冲。，29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术稳稳定定锁锁模模脉脉冲冲的的形形成成：spm腔腔内内初初始始锁锁模模脉脉冲冲形形成成以以后后，因因为为它它的的峰峰值值功功率率较较大大，所所以以在在增增益益介介质质中中由由非非线线性性克克尔尔效效应应，脉脉冲冲产产生生自自相相位位调调制制（）严严重重地地改改变变了了脉脉冲冲的的相相位位。gvd当当光光脉脉冲冲通通过过掺掺钛钛蓝蓝宝宝石石棒棒时时，又又引引起起了了很很大大的的二二阶阶正正群群速速度度色色散散（）和和三三阶阶色色散散。在在这这一一阶阶段段中中增增益益介介质质的的自自振振幅幅调调制制和和增增益益放放大大仍

26、仍起起主主要要作作用用只只是是由由于于脉脉冲冲功功率率增增大大不不可可避避免免地地要要产产生生自自相相位位调调制制和和很很大大的的正正群群速速度度色色散散不不利利于于进进一一步步压压缩缩脉脉宽宽，因因而而要要用用合合适适的的负负色色散散去去补补偿偿才才可可以以得得到到最最窄窄的的脉脉冲冲宽宽度度。，29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术大大量量的的实实验验及及分分析析计计算算表表明明自自锁锁模模必必须须采采用用附附加加措措施施来来启启动动（最最初初工工作作在在连连续续状状态态）。，最最简简单单的的方方法法是是轻轻敲敲平平台台或或某某一一腔腔镜镜以以产产生生一一个个强强度度扰扰动动以以启启动动自自锁

27、锁模模。启启动动后后的的激激光光器器在在锁锁模模稳稳定定运运转转时时受受周周围围环环境境扰扰动动的的影影响响一一旦旦失失锁锁必必须须重重新新启启动动，为为此此人人们们发发明明了了许许多多主主动动和和被被动动的的启启动动与与维维持持自自锁锁模模运运转转的的方方法法：利利用用饱饱和和吸吸收收体体也也可可以以启启动动自自锁锁模模激激光光器器。hitci在在激激光光腔腔内内插插入入一一个个饱饱和和吸吸收收体体（如如）改改变变染染料料浓浓度度直直至至最最终终形形成成的的锁锁模模脉脉冲冲。，饱饱和和吸吸收收体体的的作作用用只只是是引引入入最最弱弱的的调调制制来来启启动动自自锁锁模模。29.3 飞秒激光技术

28、飞秒激光技术利利用用声声光光调调制制再再生生启启动动的的方方案案：即即在在原原自自锁锁模模激激光光器器内内加加入入一一个个声声光光调调制制器器使使其其频频率率与与谐谐振振腔腔周周期期的的倒倒数数匹匹配配，psps激激光光器器输输出出为为几几十十到到几几百百量量级级的的脉脉冲冲脉脉冲冲重重复复频频率率这这时时由由激激调调制制光光器器器器的的驱驱动动处处于于主主动动频频率率决决。定定锁锁模模状状态态，fs适适当当调调整整谐谐振振腔腔，使使激激光光器器进进入入自自锁锁模模，产产生生脉脉宽宽在在 量量级级的的锁锁模模脉脉冲冲。使使用用振振动动镜镜启启动动：250.5hzmm用用线线性性外外腔腔或或直直

29、接接振振动动一一个个腔腔镜镜（一一般般为为全全反反镜镜）频频率率振振幅幅小小于于可可使使掺掺钛钛蓝蓝宝宝石石激激光光器器由由连连续续状状态态进进入入自自锁锁模模状状态态。，29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术掺掺钛钛蓝蓝宝宝石石激激光光器器介介绍绍五五、掺掺钛钛蓝蓝宝宝石石的的吸吸收收光光谱谱（左左）和和掺掺钛钛蓝蓝宝宝石石的的荧荧光光光光谱谱（右右）10.98fsfs 目目前前输输出出最最窄窄脉脉冲冲为为，去去掉掉棱棱镜镜对对，使使用用控控制制色色散散的的啁啁啾啾介介质质镜镜时时，可可获获得得脉脉冲冲。29.3 飞秒激光技术飞秒激光技术23:20,1.5 2.0tial ommm晶晶体体长长端

30、端面面切切成成布布儒儒斯斯特特角角，置置于于四四折折叠叠镜镜腔腔的的中中心心，腔腔长长。00. .temarb r f 泵泵浦浦源源为为连连续续模模激激光光器器，用用进进行行谐谐振振腔腔波波长长调调谐谐，12()ppgvd和和 组组成成的的棱棱镜镜对对起起到到脉脉冲冲压压缩缩作作用用，以以抵抵消消谐谐振振腔腔的的群群速速度度色色散散。845 950nm自自锁锁模模状状态态一一般般由由外外界界的的微微扰扰引引入入，波波长长在在范范围围内内。29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩由由锁锁模模激激光光器器的的性性质质可可知知锁锁模模脉脉冲冲宽宽度度越越短短其其频频谱谱就就越越宽宽在在一一个个超超短短光

31、光脉脉冲冲中中包包含含有有大大量量的的频频率率分分量量。，在在传传输输过过程程中中由由于于介介质质的的色色散散效效应应导导致致不不同同的的频频率率分分量量有有不不同同的的传传播播速速度度使使脉脉冲冲波波型型产产生生变变化化。，831716bk 例例如如对对于于 飞飞秒秒的的高高斯斯型型光光脉脉冲冲经经过过 米米长长的的空空气气或或毫毫米米的的玻玻璃璃后后其其脉脉冲冲宽宽度度变变成成飞飞秒秒为为原原来来的的两两倍倍。，这这对对飞飞秒秒激激光光的的产产生生和和应应用用都都是是不不利利的的必必须须设设法法加加以以克克服服。，29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩一一、群群速速度度定定义义 ccit k

32、zce taede t 光光场场可可以以表表示示成成其其频频率率成成分分的的线线性性叠叠加加，如如果果其其频频率率成成分分，则则集集中中在在范范围围内内 it kzce taed 令令，则则 knc 为为波波矢矢，是是角角频频率率 的的函函数数， ck将将在在点点级级数数展展开开，取取前前两两项项有有： cccccdkdkkkkdd expcccdke taitkzdd 代代入入上上式式，有有 expcccit k zdkeaitzdd 29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩cdkttzd 令令，代代入入上上式式，可可以以得得到到： expccit k ze teait d cccccit k

33、zit k zdke ta tea tz ed expa tait d 令令，有有：表表示示光光场场传传输输过过程程中中，调调制制波波包包络络函函数数形形式式不不变变，即即波波包包形形状状不不变变，只只是是随随着着传传播播距距离离的的增增加加，时时间间上上增增加加延延迟迟项项。cccpctk zvk 代代表表载载波波等等相相位位面面的的运运动动，对对应应着着相相速速度度1ccgdkdktzdvd 代代表表波波包包运运动动，对对应应着着群群速速度度cgkdvdk 29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩波波包包的的扩扩散散二二、dl 波波包包在在介介质质中中经经过过一一段段距距离离 的的传传播播，不

34、不同同频频率率成成分分速速度度不不同同，其其宽宽度度将将会会展展宽宽，展展宽宽为为，则则有有 212112121dgglldkdklvvdddkdkddkdddd 12dddklddl 222211gggd kdddvdvvdgvd 式式中中为为群群速速度度色色散散29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩20 正正色色散散：20 负负色色散散：表表示示脉脉冲冲频频率率分分量量中中高高频频区区的的群群速速度度慢慢低低频频区区的的群群速速度度快快，导导致致脉脉冲冲前前沿沿集集中中了了低低频频分分量量脉脉冲冲后后沿沿集集中中了了高高频频分分量量， chirping形形成成所所谓谓的的正正啁啁啾啾。0gd

35、vd ，redblueggvv ，“红红前前蓝蓝后后”0gdvd ，blueredggvv ，“蓝蓝前前红红后后”低低频频区区的的群群速速度度小小于于高高频频区区高高频频分分量量分分布布在在脉脉冲冲前前沿沿，即即所所谓谓的的负负啁啁啾啾。2200gvd 由由介介质质线线性性极极化化所所决决定定的的效效应应，无无论论是是还还是是，总总是是将将脉脉冲冲在在时时间间和和空空间间上上展展宽宽。29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩 spm自自相相位位调调制制三三、 klmni 对对于于超超短短脉脉冲冲在在介介质质中中传传播播时时除除了了前前面面所所提提到到属属于于三三阶阶非非线线性性极极化化导导致致的的

36、空空间间自自聚聚焦焦效效应应折折射射率率变变化化与与光光强强 在在时时间间域域的的分分布布有有关关，外外，也也。不不同同的的时时间间区区域域所所对对应应由由此此直直接接导导致致超超短短光光脉脉的的光光程程差差冲冲不不同同相相位位差差、在在。spm称称为为自自相相应应调调制制（）。 n t 即即光光克克尔尔效效应应导导致致的的不不仅仅在在空空间间上上导导致致自自聚聚焦焦，而而且且在在时时间间上上还还改改变变了了光光脉脉冲冲的的相相位位： 20022tn t ln i t l 29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩 202dti tn ldtt 由由频频率率和和相相位位的的关关系系可可以以得得到到：

37、 chirpokerrspmchirp由由于于光光克克尔尔效效应应，光光脉脉冲冲不不同同部部位位由由于于光光强强不不同同，导导致致不不同同的的频频移移，即即啁啁啾啾，。 00i tt 光光脉脉冲冲前前沿沿，产产生生低低频频光光子子，红红移移； 00i tt 光光脉脉冲冲后后沿沿，产产生生高高频频光光子子，蓝蓝移移。spm即即产产生生了了正正啁啁啾啾29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩0spm 实实际际上上，由由引引起起的的是是以以消消耗耗中中心心频频率率的的光光子子为为代代价价，产产生生出出新新频频率率的的光光子子。0istokest 对对于于瞬瞬态态响响应应过过程程，脉脉冲冲前前沿沿，出出现

38、现低低频频光光子子分分布布，0istokest 脉脉冲冲后后沿沿，出出现现高高频频反反光光子子分分布布。spm增增加加了了光光脉脉冲冲的的谱谱线线宽宽度度，传传输输过过程程中中在在能能量量恒恒定定的的条条件件下下，对对脉脉冲冲前前、后后沿沿按按光光子子频频率率低低、高高进进行行了了分分配配， 造造成成了了低低频频分分量量的的速速度度大大于于高高频频分分量量速速度度的的效效果果。spm由由于于谱谱线线变变宽宽，因因此此，不不展展宽宽脉脉冲冲的的时时间间宽宽度度。 spmsoliton实实际际上上，也也是是光光纤纤激激光光脉脉冲冲压压缩缩和和孤孤子子激激光光器器的的基基础础。29.4超短脉冲的压缩

39、超短脉冲的压缩 gvdspm 四四、gvdspm将将和和的的效效应应综综合合进进行行分分析析，不不难难得得出出以以下下结结论论：20gvdspmcpa 对对于于的的线线性性正正啁啁啾啾，正正色色散散的的情情形形，加加上上效效应应后后，脉脉冲冲前前、后后沿沿将将拓拓宽宽，光光脉脉冲冲时时间间宽宽度度增增大大，前前、后后沿沿变变陡陡，形形成成所所谓谓的的 “方方波波自自成成形形”，可可用用于于啁啁啾啾脉脉冲冲放放大大（）技技术术。20spmgvd 对对于于负负色色散散的的情情形形，使使高高频频分分量量向向脉脉冲冲前前沿沿部部分分移移动动，低低频频分分量量向向脉脉冲冲后后沿沿部部分分移移动动，形形成

40、成非非线线性性的的负负啁啁啾啾效效应应，正正好好与与的的线线性性正正啁啁啾啾过过程程相相反反，起起到到了了脉脉冲冲压压缩缩的的作作用用。spm由由于于激激光光介介质质对对飞飞秒秒脉脉冲冲的的正正色色散散和和效效应应，主主要要表表现现为为正正啁啁啾啾性性质质，因因此此为为了了获获得得压压窄窄脉脉宽宽，必必须须引引入入负负色色散散器器件件，抵抵消消正正啁啁啾啾带带来来的的脉脉冲冲展展宽宽。29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩五五、脉脉冲冲压压缩缩器器件件1、对对正正色色散散波波段段光光脉脉冲冲的的压压缩缩光光栅栅对对（腔腔外外）利利用用光光栅栅对对，可可以以使使不不同同波波长长的的光光走走不不同同

41、长长度度的的光光程程， 调调整整光光栅栅之之间间的的相相对对位位置置，能能够够使使比比走走较较长长的的光光程程，使使短短波波 蓝蓝光光短短波波 蓝蓝长长波波 红红光光光光 超超前前，即即“蓝蓝前前红红后后”，使使光光栅栅对对成成为为负负色色散散元元件件，20 可可以以抵抵消消正正色色散散介介质质对对波波包包的的展展宽宽作作用用，起起到到压压缩缩脉脉冲冲的的作作用用。缺缺点点：闪闪耀耀光光栅栅损损耗耗较较大大，因因此此一一般般只只能能在在腔腔外外使使用用。29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩2、对对正正色色散散波波段段光光脉脉冲冲的的压压缩缩棱棱镜镜对对（腔腔内内）棱棱镜镜对对的的配配置置按按负

42、负色色散散延延迟迟方方式式。 尽尽管管在在透透明明区区，单单个个棱棱镜镜玻玻璃璃是是正正常常色色散散的的，但但是是通通过过调调整整两两个个棱棱镜镜之之间间的的距距离离和和方方位位，可可以以调调节节折折射射光光线线的的几几何何路路径径差差，使使正正啁啁啾啾脉脉冲冲的的经经过过高高低低频频 红红频频蓝蓝移移棱棱分分镜镜对对量量的的时时间间长长于于，实实现现脉脉移移 分分量量宽宽压压缩缩。为为最最大大程程度度地地减减少少插插入入损损耗耗，两两个个棱棱镜镜的的入入射射面面和和出出射射面面互互相相平平行行，入入射射角角和和出出射射角角为为布布儒儒斯斯特特角角和和最最小小偏偏向向角角。采采用用两两个个棱棱

43、镜镜互互相相补补偿偿光光线线的的发发散散，使使出出射射光光束束为为平平行行光光。29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩29.4超短脉冲的压缩超短脉冲的压缩3、压压缩缩脉脉宽宽的的其其他他方方法法与与装装置置包包括括：2girestournis 干干涉涉仪仪，其其特特点点是是通通过过改改变变光光线线的的入入射射角角及及干干涉涉仪仪的的厚厚度度来来改改变变群群速速度度和和的的正正负负号号。 10chirped mirror利利用用特特殊殊设设计计的的宽宽带带低低损损耗耗，具具有有负负色色散散系系数数的的啁啁啾啾镜镜能能产产生生飞飞秒秒以以下下超超短短光光脉脉冲冲。gvd采采用用双双通通式式光光纤纤光

44、光栅栅对对装装置置，可可增增大大量量，减减少少光光栅栅间间隔隔，校校正正光光束束截截面面，还还可可以以在在光光纤纤芯芯部部刻刻蚀蚀衍衍射射光光栅栅来来取取代代光光栅栅对对。晶晶体体中中声声光光效效应应产产生生的的相相位位光光栅栅，也也可可作作为为光光栅栅对对的的替替代代选选择择。目目前前看看来来，为为了了进进一一步步压压缩缩脉脉宽宽，还还必必须须采采用用具具有有光光孤孤子子效效应应的的器器件件装装置置。29.5 超短脉冲激光应用超短脉冲激光应用超超快快光光谱谱：时时间间分分辨辨光光谱谱学学是是应应用用非非常常成成功功或或者者是是应应用用最最广广泛泛的的飞飞秒秒激激光光技技术术。物物质质是是由由

45、分分子子和和原原子子组组成成的的，但但是是它它们们不不是是静静止止的的，都都在在快快速速地地运运动动着着，这这是是微微观观物物质质的的一一个个非非常常重重要要的的基基本本属属性性。飞飞秒秒激激光光的的出出现现使使人人类类第第一一次次在在原原子子和和电电子子的的层层面面上上观观察察到到这这一一超超快快运运动动过过程程。它它主主要要是是把把超超短短脉脉冲冲作作为为一一种种拍拍摄摄超超快快物物理理过过程程的的瞬瞬态态摄摄影影设设备备，就就好好像像几几十十年年前前用用于于拍拍摄摄子子弹弹穿穿越越苹苹果果和和牛牛奶奶滴滴落落的的闪闪光光高高速速摄摄影影像像机机（微微秒秒量量级级）一一样样。fs对对于于

46、脉脉冲冲，一一般般用用来来研研究究微微观观过过程程: :半半导导体体晶晶体体中中光光激激发发电电子子、空空穴穴与与晶晶格格振振动动之之间间以以及及它它们们之之间间的的相相互互作作用用；超超快快激激光光诱诱导导熔熔融融；吸吸收收光光子子后后，视视网网膜膜中中的的大大分分子子物物质质细细菌菌视视紫紫红红质质结结构构重重构构过过程程，对对此此过过程程的的研研究究是是视视觉觉研研究究的的第第一一步步。29.5 超短脉冲激光应用超短脉冲激光应用高高速速电电子子测测试试：高高速速电电子子设设备备开开发发过过程程中中测测试试是是非非常常重重要要一一环环，而而测测试试设设备备往往往往比比被被测测试试的的设设备

47、备速速度度还还慢慢。psps现现在在最最快快的的电电子子设设备备达达到到了了范范围围，那那么么飞飞秒秒激激光光可可以以很很容容易易的的产产生生亚亚的的电电子子脉脉冲冲对对高高速速电电子子设设备备进进行行测测试试。 激激光光等等离离子子体体相相互互作作用用：13210/wcm用用光光强强大大于于的的激激光光照照射射固固体体材材料料时时，可可以以将将原原子子中中的的电电子子电电离离出出来来，形形成成激激光光诱诱导导等等离离子子体体。100 fs在在的的时时间间尺尺度度上上，等等离离子子体体中中的的自自由由电电子子来来不不及及逃逃逸逸，可可以以研研究究温温度度高高达达百百万万度度的的密密度度与与固固体体相相近近的的等等离离子子体体。短短波波长长辐辐射射产产生生：xx 高高强强度度可可见见光光波波段段超超短短脉脉冲冲激激光光可可以以通通过过更更高高阶阶次次非非线线性性谐谐波波产产生生过过程程或或泵泵浦浦射射线线激激光光器器来来产产生生真