超短激光脉冲——锁模技术概要实用教案

1、引言：向更短的光脉冲(michng)进发 普通(ptng)脉冲激光：微秒（s，10-6s），千瓦（KW） 调Q激光 ：纳秒（ns，10-9s）， 兆瓦（MW） 锁模激光 ：皮秒（ps，10-12s），千兆瓦（TW） 飞秒（fs，10-15s）第1页/共23页第一页，共24页。短脉冲(michng)的意义 高峰值功率-高光强 空间影响（热扩散，热畸变） 对过程的影响小 时间影响（瞬时作用(zuyng)，无热积累） 重叠效应（过程的时间尺度关系）第2页/共23页第二页，共24页。超短激光脉冲(michng)的应用 飞秒激光微加工（适用于各种类型材料） 喷墨打印机的硅喷嘴 激光冷烧蚀(ablatio

2、n)-固体直接气化而不提高温度 金属表面深度发黑处理（飞秒激光脉冲使金属表面改形而形成纳米结构） 高精度外科切除，周围组织的损伤随脉冲持续时 间的缩短(sudun)而减小。 眼角膜外科:飞秒激光在角膜中造成泡状物 典型成功之例LASIK（Laser Assisted In-situ Koratomi ）激光原位角膜磨镶术（准分子激光眼科手术）第3页/共23页第三页，共24页。超短激光(jgung)脉冲的应用 非线性光学：二次谐波产生，参量下转换，光学参量振荡，太赫兹辐射产生 光学数据存储：3D光学数据存储（依赖于非线性光化学） 高重复率超短脉冲：大容量通信系统，光子开关器件，大规模集成微处理器

3、的时钟 与超短脉冲相关的宽光谱支持优异的空间分辨（无损(w sn)断层成像技术） 宽带频率梳高精度光频计量全光学原子钟（优于铯原子钟）第4页/共23页第四页，共24页。锁模原理(yunl) 定性描述 锁模：使激光器产生极短持续时间光脉冲的技术 （10-12s或10-15s） 基本原理：造成激光谐振腔模式之间固定的位相关系(gun x)（锁相或锁模）这些模式之间的干涉作用使激光器输出等间距的脉冲列。 干涉作用使腔内的进行光波退缩为非常短的脉冲第5页/共23页第五页，共24页。激光(jgung)腔模图2：激光器纵膜结构纵模：驻波形式的分立频率(pnl)集合称为腔的纵 模（谐振腔允许的自在生振荡频率

4、(pnl)）驻波条件：纵模间隔：在简单激光器中，每个纵模独立地振荡，互相没有固定的位相关系，实质上像一组独立的激光器，都在发出频率(pnl)略有差别的光。每个光波的位相不固定，随机变化（材料的热改变等引起）只有少数几个振荡纵模的激光器，纵模之间的干涉可能造成拍频效应输出光强的随机起伏)(2)1010(265腔的共振频率或为大整数，LCqqqqLqLC2第6页/共23页第六页，共24页。激光(jgung)腔模 纵模数目很大的激光器，这些干涉效应趋于平均接近不变的输出(shch)强度连续运转激光器 与此相反，如果各模式之间具有固定的位相关系激光的模式将 呈现周期性地相长干涉产生强的光脉冲爆（bur

5、st）锁模或锁相。 脉冲的时间间隔为 每个脉冲的持续时间由同位相振荡的模式数目决定，如果N个模式被锁定，频率间隔为?，则整个锁模带宽为 N? 该带宽越宽，脉冲持续时间越短。1)(2为腔长往返时间LcL第7页/共23页第七页，共24页。激光(jgung)腔模 实际脉冲持续时间由每个脉冲的形状(xngzhun)决定 高斯形状(xngzhun)： 双曲正割平方形： 其中0.441和0.315为时间带宽乘积。（不同线 型取值不同） 例：He-Ne，光谱宽度1.5GHz，最短高斯脉冲300ps Ti：sapphire，光谱宽度128Thz，最短高斯脉冲3.4fsNt441. 0Nt315. 0第8页/共

6、23页第八页，共24页。理论(lln)分析 激光(jgung)腔中电场的一般描述： 当 激光(jgung)器实现锁模。 在时域，EM场呈周期重复 N个周期的归一化频谱：第9页/共23页第九页，共24页。理论(lln)分析 N个周期(zhuq)的归一化功率谱：第10页/共23页第十页，共24页。理论(lln)分析 时域激光( jgung)腔中EM波的周期重复：第11页/共23页第十一页，共24页。理论(lln)分析三模同位三模同位(tn wi)相相十一十一(ShY)模随机位相模随机位相第12页/共23页第十二页，共24页。十一十一(ShY)模同位相模同位相第13页/共23页第十三页，共24页。第

7、14页/共23页第十四页，共24页。锁模方法(fngf) 1966年，梅曼演示世界上第一台激光器6年之后De Maria.等人做出第一台锁模激光器（可饱和吸收体自锁） 主动式锁模:主动式锁模通过调制腔损耗(snho)或者调制往返相位改变实现锁模（如图）声光调制器为最常用方法：电信号驱动的正弦调幅（AM）对每个纵模进行调制。如果调制频率接近纵模间隔 ，则两个边带将非常接近选定纵模的临界模，边带和纵模将在介质中互相竞争最大放大作用。然而最有效地使用增益介质的能量是让纵模的位相锁定在边带上。这转而造成(zo chn)在整个光谱分布中的总体锁相（global phase-locking），总体锁相将给

8、出包含腔内能量的单一振荡脉冲。第15页/共23页第十五页，共24页。锁模方法(fngf)被动式锁模在腔内被动式锁模在腔内放置可饱和吸收体，放置可饱和吸收体，引入自调幅可以产引入自调幅可以产生比主动锁模短得生比主动锁模短得多的脉冲，这是因多的脉冲，这是因为当可饱和吸收体为当可饱和吸收体 被已经非常短的脉被已经非常短的脉冲驱动时，可以调冲驱动时，可以调制腔损耗制腔损耗(snho)比任何电子调制器比任何电子调制器快得多！快得多！第16页/共23页第十六页，共24页。锁模方法(fngf) 通常可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜（SESAM），它具有光强依赖透射性质(xngzh)：允许高强光透射而吸收低强

9、光，脉冲开始形成在腔内进行并遇到增益介质和可饱和吸收体：可饱和吸收体对前沿强烈吸收，由于吸收体弛豫时间比脉冲持续时间长，脉冲尾将通过吸收体而不被衰减，当脉冲达到增益介质，前沿被强烈放大而尾部则经历很小的放大（增益饱和），经过多次振荡，脉冲变强变窄。（因为起始脉冲的中心不被吸收体影响却被放大）两翼则经历相反过程前沿被吸收；后沿不放大。第17页/共23页第十七页，共24页。测量(cling) 超短脉冲的表征一直是一项挑战。多年(du nin)来可能造成超短脉冲但不能测量。测量包括测能量（或功率），形状，持续时间，频谱等。实验表明超短脉冲的表征是困难的，用于较长脉冲的光探测器响应速度不能胜任超短脉冲

10、。 两种常用的间接测量技术： FROG-frequency resolved optical gating（频率分辨光选通） SPIDER-spectral interferometry for direct electric field reconstruction（直接电场重构的光谱干涉量度学）第18页/共23页第十八页，共24页。以上两种技术使用相关(xinggun)函数：涉及两个关键点：（1）光脉冲一皮秒进行300微米（空气中）一个容易测量和标定的长度（2）从两个含时间的函数开始： 和 ，其中一个例如 已知，测量 将直接给出另一个其中 为延时， 为一阶相关(xinggun)函数： 要测

11、一个时间事件需要更短的时间事件。对于超短 持续时间的脉冲，脉冲用于测量它自己！)(tF)(tF)(tF)(G)(GdttFtFG)()()(测量(cling)(tF第19页/共23页第十九页，共24页。展望(zhnwng)超短激光物理领域已存在40多年，可以认为它的产生，操控，测量，和使用已相当成熟，但仍是当今激光研究的前沿。研究新的增益介质，有趣的性质和优越的性能 a) 掺镱晶体如sesquixoides，钨酸盐更高功率的超短脉冲 b) Cr2+：ZnSe（掺铬锡化锌）预期不久产生20fs脉冲锁模光纤激光器进展神速，将来可能取代体激光器 高平均功率，好的光束质量。目前尚无光纤激光器在7001

12、100nm取代钛宝石激光器阿秒物理学刚露出地平线（Attsecond，10-18s）要产生周期(zhuq)小于1fs的脉冲必须使用极紫外（XUV）或X射线波段的波长。阿秒激光的出现将最终使我们看见电子在原子轨道上的动态行为。（高速摄拍的动作）超短脉冲技术的发展任重而道远！第20页/共23页第二十页，共24页。总结(zngji) 锁模技术非常重要超快过程的基础，技术 难度很大。 对锁模过程的深入理解,精心设计和计算 和精细(jngx)的实验调试 。 参考文献：Herman A.Haus: Mode-Locking of Lasers IEEE Journal of selectd Topics in Quantun Electronics Vo1.6,No6 November/December 2000. 第21页/共23页第二十一页，共24页。欢迎(hunyng)学习交流Thank you 第22页/共23页第二十二页，共24页。谢谢您的观看(gunkn)！第23页/共23页第二十三页，共24页。NoImage内容(nirng)总结引言：向更短的光脉冲进发。光学数