第三章 超短脉冲技术

1、福建师范大学光电学院2014.11.17超短脉冲技术3.1 概述 调调Q Q技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有 效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用 调调Q Q技术只能获得脉宽为技术只能获得脉宽为毫、微秒量级毫、微秒量级的激光脉冲。的激光脉冲。 利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉 冲。冲。sms3101sps12101sfs1510119958 fs年年，钛钛宝宝石石固固体体飞飞秒秒激激光光器器产产生生的的脉脉冲冲宽宽度度降降至至19967. 5 fs年年

2、，西西安安光光机机所所的的许许林林在在奥奥地地利利产产生生了了的的超超短短激激光光脉脉冲冲19964. 5 fs年年，毕毕业业于于西西安安光光机机所所的的魏魏志志义义博博士士在在荷荷兰兰创创造造了了全全固固态态腔腔倒倒空空压压缩缩后后的的记记录录1998,25 ,4 fsfs年年 西西安安光光机机所所的的程程昭昭则则在在奥奥地地利利利利用用亚亚毫毫焦焦耳耳的的的的脉脉冲冲产产生生了了强强白白光光连连续续谱谱 将将其其近近红红外外部部分分用用超超宽宽带带啁啁啾啾镜镜腔腔外外压压缩缩 得得了了的的最最佳佳结结果果。这这些些都都是是当当时时的的国国际际最最高高指指标标。 1810ass 目目前前正正

3、进进入入未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。假定在在腔内振荡的模式有假定在在腔内振荡的模式有2N2N1 1个。纵模表示式个。纵模表示式 2cL 纵模频率频率间隔 ( )cos()qqqqE tEtLqcvq2多模激光的输出特性多模激光的输出特性无锁模激光器的输出功率与频率无锁模激光器的输出功率与频率锁模技术的基本原锁模技术的基本原理理呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始位相无确定关系且互不相关。位相无确定关系且互不相关。无锁模激光器的输出功率与时间无锁模激光器的输出功率与时间瞬时输出功率是这些模式无规则的叠

4、加，输出瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出功率随时间无规则起伏。功率随时间无规则起伏。 经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲，出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁这种技术称为锁模技术。模技术。假设第假设第q q个振荡模为：个振荡模为：锁模的基本原理锁模的基本原理通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是模式的振幅、初始相位均无确定

5、关系，它们之间是互不相干的。互不相干的。由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强的简单和诸模光强的简单和qqII( )cos()qqqqEtEtt=0t=0和和t=2L/ct=2L/c时，峰值平均光强为：时，峰值平均光强为：02max12INI）（合成光场的光强为：合成光场的光强为：22201sin (21)()2( )( )1sin()2NtI tA tEt纵模锁定激光器的输出特性分析纵模锁定激光器的输出特性分析1. .两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内往两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内往 返一次的时间：返一次的时间：2.2.

6、两个锁模主脉冲之间有两个锁模主脉冲之间有2N2N个零点个零点,2N-1,2N-1个次极大值。个次极大值。主脉冲宽度为：主脉冲宽度为： ，增益曲线越宽，越可能得到窄的锁模脉冲。增益曲线越宽，越可能得到窄的锁模脉冲。q1121）（ Ngv1mincLT23.锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了 2N+12N+1倍。倍。4.4.实现了实现了 常数，输出了一个峰值功率常数，输出了一个峰值功率 高、脉冲宽度窄的序列脉冲。高、脉冲宽度窄的序列脉冲。1qqv主动锁模：调制器的调制特性人为主动可控。主动锁模：调制器的调制特性人为主动可控。 振幅调制锁模 相位调制锁模

7、v被动锁模：其过程非人为可以控制。被动锁模：其过程非人为可以控制。v同步泵浦锁模：主动锁模激光器泵浦另一激光器同步泵浦锁模：主动锁模激光器泵浦另一激光器v自锁模自锁模实现锁模的方法实现锁模的方法 如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相位调制器，适当控制调制频率和调制深度可以实位调制器，适当控制调制频率和调制深度可以实现激光器的纵模锁定。现激光器的纵模锁定。3.3.2 2主动锁模主动锁模q振幅调制原理振幅调制原理 设调制信号为： 调制前光场： 经过调制后，腔内光场变为： sincccE tEt tAtamm21sin)sin()cos(1 )ccmctw

8、twmAtE（调制系数设激光器中增益曲线中心频率处的纵模首先振荡，加入调制后，其电场强度为： 展开上式：)sin()cos(1 )ccmctwtwmAtE（)sin(21)sin(21)sin(cmcccmccccctwwmAtwwmAtwAE（t)= 腔损耗正弦调制的结果，是使频率为腔损耗正弦调制的结果，是使频率为 的纵模又产生了频率分的纵模又产生了频率分别为别为 ， 初始位相不变化的两个边频带。振幅初始位相不变化的两个边频带。振幅调制锁模式纵模有相同的初始位相，保持恒定的频率差调制锁模式纵模有相同的初始位相，保持恒定的频率差 ，各模的振幅关系通过选择各模的振幅关系通过选择 可控制。可控制。

9、它们相干叠加的结果使激它们相干叠加的结果使激光器得到锁模序列光脉冲输出。光器得到锁模序列光脉冲输出。0Lc20Lc20Lc2mq相位调制锁模原理相位调制锁模原理 激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，有不同的相位延迟。在不同的时刻通过介质，有不同的相位延迟。 调制前光场： 经过调制后，腔内光场变为： coscccEtAt coscosccmE tAtmt只有与相位变化的极值点（极大或极小）相对应的时刻才能在腔内保存下来，不断被放大，成为周期为2L/c的

10、脉冲序列。 相位调制的特点： 调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同。 相位调制的结果，使各纵模相位固定。 -满足锁模条件 输出的光波是间隔为 的脉冲序列，具有 锁模激光器特性。 脉冲位置不稳定。2mcL10qq2Lc调调制制器器可可以以是是声声光光损损耗耗（驻驻波波场场）、电电光光相相位位、电电光光损损耗耗。 Q主主动动锁锁模模激激光光器器中中所所有有光光学学元元件件的的要要求求应应比比一一般般调调 激激光光更更加加严严格格，端端面面的的反反射射率率必必须须控控制制在在最最小小，各各元元件件的的反反射射端端面面应应切切成成布布儒儒斯斯特特角角，倾倾斜斜放放置置或或镀镀增增透透膜膜，反反射射镜

11、镜做做成成锲锲形形。调调制制器器应应尽尽量量放放在在腔腔内内靠靠近近反反射射镜镜处处。调调制制尺尺寸寸在在通通光光方方向向的的尺尺寸寸应应尽尽量量小小。 /2/4/2s MMqqsAPffcLLc 振振锁锁模模调调制制器器的的频频率率必必须须非非常常严严格格幅幅调调调调谐谐相相位位制制锁锁模模到到或或者者调调制制锁锁模模 。3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点其其基基本本思思路路是是利利用用激激光光输输出出信信号号变变化化所所产产生生的的误误差差信信号号来来校校正正驱驱动动振振荡荡频频率率或或校校正正腔腔长长。117mNdYAGfKHzL 对对于于光光学学腔腔长长为为 米米的的：锁锁模模

12、激激光光器器，其其调调制制频频率率只只允允许许少少于于的的偏偏差差，相相当当于于腔腔长长 的的变变化化量量必必须须少少于于m m。采采用用电电子子反反馈馈、实实时时跟跟踪踪、闭闭环环控控制制、伺伺服服装装置置。 222mqccfLLL 采采用用热热不不灵灵敏敏腔腔型型，用用热热膨膨胀胀系系数数小小的的殷殷钢钢或或大大理理石石作作为为光光学学导导轨轨，与与外外界界绝绝热热、隔隔震震。22mmqfLLfLc 最最好好采采用用半半导导体体泵泵浦浦和和精精密密的的半半导导体体致致冷冷以以及及风风冷冷散散热热方方式式。提提高高泵泵浦浦源源的的稳稳定定度度，消消除除冷冷却却液液的的非非匀匀速速流流动动和和

13、温温度度波波动动。稳稳定定性性措措施施 在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。系列的锁模脉冲。3.3.3 3 被动锁模被动锁模被动锁模分为：被动锁模分为：固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模q固体激光器的被动锁模固体激光器的被动锁模 线性放大阶段：一个周期2L/c时间内，光脉冲通过有机染料和工作介质各一次，在激光介质中产生线性放大，发生自然选模作用。线性放大过程使频谱变窄，被放大后的信号起伏得到平滑和加宽。非线

14、性吸收阶段：强脉冲增长。弱脉冲被抑制，发射脉冲变窄，频谱增宽。非线性放大阶段：前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几乎完全被抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的脉冲序列。 结构如下图所示，为得到高重复率的高质量结构如下图所示，为得到高重复率的高质量锁模脉冲序列，对燃料浓度、泵浦强度和谐振腔锁模脉冲序列，对燃料浓度、泵浦强度和谐振腔的设计及调整等都要有严格的要求，否则，激光的设计及调整等都要有严格的要求，否则，激光输出将极不稳定。输出将极不稳定。100%100%反射镜反射镜接触接触染料盒染料盒泵浦光泵浦光滤光片滤光片激光棒激光棒光阑光阑输出耦合输出耦合反射镜反射镜被动锁模固体激光器原理示意图被动锁模固体激

15、光器原理示意图3.3.3.1 3.1 被动锁模固体激光器的结构被动锁模固体激光器的结构q染料激光器的被动锁模染料激光器的被动锁模 染料激光器产生脉冲的过程和固体激光器被动锁模相似。（通过染料吸收体的非线性吸收和激光介质的放大作用，从涨落的噪声背景中选择出强涨落峰值，通过可饱和吸收体和激光介质饱和作用的联合作用，形成超短脉冲。） 由于染料的谱线宽，激光上能级的寿命短，所以染料锁模激光器可以输出比固体锁模激光器更窄的脉冲。v采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模。v实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或者是它的整数倍。v

16、同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义。3.3.4 4 同步泵浦锁模同步泵浦锁模 1）增益阶段 2）脉冲压缩阶段同步泵浦锁模原理同步泵浦锁模原理 图3.4-1 同步泵浦染料激光器特性v稳定的脉冲状态（锁模区）l(1)泵浦能量越大或反射率越大，则脉冲能量越大 而脉宽越窄。在反射率或泵浦能量比较小的情 况下，脉冲宽度倒数和脉冲能量显示出单调的 特性。 l(2)泵浦能量和反射率不同，产生的最窄脉冲的时 延也不同。 v稳定的脉冲状态（锁模区）l(3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦 能量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。 反之，随着泵浦能量和反射率的增大脉冲逐 渐呈不对称型。泵浦能量保持不变而

17、脉冲宽度 改变，对激光脉冲的参数影响不大。 v相位调制脉冲 （一定条件下不存在稳定态） 泵浦激光器染料激光器高频发生器声光锁模器Ar+激光器染料激光器染料盒光学滤波器n同步泵浦锁模激光器结构同步泵浦锁模激光器结构同步泵浦染料激光器结构示意图M1M4M2M3n能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图 快速控制回路慢速控制回路采用两种控制回路的同步泵浦染料激光器采用这种系统能产生0.7ps的脉冲调调Q与锁模的区别与锁模的区别1.锁模一般可以用调Q的手段来实现2.锁模：对多纵模进行调制，其频率由谐振腔的长 度决定。 调 Q：对谐振腔内损耗的调节，是对光子数的调 整。其频率

18、由调制频率决定。 3.压缩程度不同。调 Q：功率兆瓦级、脉宽纳秒级锁模：脉宽飞秒级。 自锁模就是在激光腔内不需插入任何调制元件，而是利用增益介质本身的非线性效应就可以产生短脉冲的锁模方式。1991年，人们首次在掺钛蓝宝石连续激光器中，成功获得自锁模运转。目前自锁模脉冲宽度可达 6 fs。3.5 3.5 自自 锁锁 模模一、自锁模机理一、自锁模机理 一般认为，自锁模现象是利用增益介质的自聚焦效应形成的克尔透镜和光阑构成一个与强度相关的投射来产生短脉冲。 如果在束腰附近加上光阑，与自聚焦的结合就相当于一个可饱和吸收体。由于脉冲中央光强较大，透镜对脉冲中央有更强的聚焦，使其几乎无损耗地通过光阑。而前

19、后沿的强度较小，透镜对脉冲前后有较小的自聚焦，使其损耗大于脉冲中央。脉冲在腔内循环时，将不断的被抑制而消失，而中间部分不断被放大，使得脉冲不断被压缩，形成稳定的锁模。 掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为：n= no + n2 I (t) no为与光强无关的折射率， n2为非线性折射率，由克尔效应决定，I (t)为脉冲的光强。 自聚焦效应的焦距为:)(142tIcLnfmmmnm = n2 Im (t） 因掺钛蓝宝石激光器的自锁模不能自行启动，所以在腔内引入一个瞬间扰动，造成高损耗，当腔镜复位时，腔中的光强产生强烈涨落。当它们通过增益介质时，经过自振幅调制经过自振幅调制(SAM)(SAM)

20、和增益介质的线性放大，对脉冲和增益介质的线性放大，对脉冲进行选择、放大、初步压缩，形成初始脉冲。进行选择、放大、初步压缩，形成初始脉冲。1. 初始脉冲的形成初始脉冲的形成 掺钛蓝宝石激光器自锁模脉冲的形成分为以下两个阶段：2. 2. 稳定锁模脉冲的形成稳定锁模脉冲的形成 腔内初始锁模脉冲形成以后，因峰值功率大，不仅产生了自相位调制，还引入了很大的正群速度色散，不利于进一步压缩脉宽，因而要用合适的负色散去补偿，才能得到最窄的脉冲宽度。 常用来启动掺钛蓝宝石激光器自锁模的方法：常用来启动掺钛蓝宝石激光器自锁模的方法： （1）在原自锁模激光器内加入一个声光调制器，此时激光器处于主动锁模状态。调整谐振

21、腔，使激光器进入自锁模。 （2）在Ti:S激光腔内插入一个饱和吸收体，改变染料浓度，直至去掉染料装置也能产生自锁。 (3)采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁模。 (4)使用振动镜启动，频率25Hz，振幅小于0.5mm。二、超短脉冲的压缩技术二、超短脉冲的压缩技术 当超短光脉冲在介质中传输时，表现出多种非线性效应，而折射率的非线性效应是最基本的。 折射率非 线性效应 非线性相移脉冲不同部位的瞬时频率不同自相位 调制 频率啁啾 （ ）)()(tt(a)T Tr r p p，脉冲频谱的扩展只是向 。端扩展，即频率向低频端扩展。图3.5-1 超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应 如果考虑介质的色散时，

22、当啁啾和色散同号时脉冲被展宽，异号时变窄。当介质具有正色散时，以负啁啾为特征的脉冲前沿和后沿被压缩，而以正啁啾为特征的脉冲中间被展宽，脉冲波形变成方波。当介质具有负色散时，具有负啁啾的脉冲前沿和后沿被展宽，而脉冲的中间部分被压缩，从而导致整个脉冲波形变窄。 只要选择具有负色散的介质就可以使超短脉冲只要选择具有负色散的介质就可以使超短脉冲进一步的压缩进一步的压缩。利用这种技术，已经得到6 fs的超短光脉冲目前压缩超短脉冲的方法有以下两种：1、光纤-光栅对法 这是在腔外进行，利用光纤提供的正色散将脉冲展宽成啁啾脉冲，再利用光栅提供的负色散对光脉冲进行压缩。2、激光腔内插入负色散元件 由于衍射光栅的

23、插入损耗很大，而且不容易调节它的正负色散量。所以可以在激光腔内插入两块高色散的石英棱镜。光脉冲的光线对于棱镜的入射角和出射角都为布儒斯特角和最小角。3.6 3.6 单一脉冲的选取及超短脉冲测量技术单一脉冲的选取及超短脉冲测量技术一、单一脉冲的选取一、单一脉冲的选取 开始时开关不起作用，偏振器调到最大透过率，由M2输出的锁模脉冲，经透镜聚焦，击穿火花隙，经过脉冲形成网络，将高压脉冲(V/4)加在电光调制器上，锁模脉冲两次经过开关，偏振方向旋转90。，这时偏振光不再透过偏振镜，只能从其界面上反射侧向输出，获得单一脉冲。1. 1. 脉冲透射法脉冲透射法 此方法的缺点缺点：工作阈值较高，腔内元件容易损

24、坏，而且腔内元件多，容易产生标准具效应，且漏光严重，稳定性差。全全反反镜镜半反镜半反镜V/4 P1P2，中间放一个电开关，只要加压时间 2L/c ，得单一脉冲。缺点缺点：需加半波电压，两个偏振棱镜。优点优点：腔内光学元件少，调整方便。2. 2. 腔外选单一脉冲法腔外选单一脉冲法V/2工作过程工作过程：首先在电开关加电压。当第一个锁模脉冲输出后，光电二极管把光信号转换为电信号去触发闸流管，将加在克尔盒的V/4电压短路，则从偏振镜侧向输出单一超短脉冲。闸流管动作时间锁模脉冲间隔2L/c。3闸流管触发电路闸流管触发电路二、超短脉冲的测量技术二、超短脉冲的测量技术 由于锁模激光器输出的脉宽一般几ps-

25、fs量级，而光电接收装置如一般光电二极管和光电倍增管响应时间一般在 s，因此响应时间大于 s，因此无法测量 s - s脉冲。目前主要的测量方法有两种类型：直接观察法和相关测量法。101110 101210121015101. 1. 直接观察法直接观察法 条纹照相机：主要由结构复杂的条纹管构成。它可把光脉冲直接记录在照相底片上，通过光密度分析获得脉冲形状和宽度。近来出现的新型条纹管，利用了光纤，可以直接给出光脉冲强度I(t)的数字记录，分辨力可以测到12ps。缺点：结构复杂，价格昂贵，不适用连续锁模激光器，需取出一脉冲。不能测飞秒脉冲。2 .2 .相关测量法相关测量法 应用较广，间接测量。利用相

26、关函数的测试，但测出的相关函数曲线不是脉冲的实际宽度，要通过换算，才能得到脉宽的近似值。(1)相关函数强度为I(t)的2阶强度相关函数为(2)22( )()( )()( )( )( )I t I tdtI t I tGItIt dt 二阶相关函数测得的脉冲波形对称。因 ,(2)(2)( )()GG如果实际波形不对称，此法测不出。 用高阶相关函数。n阶单延迟相关函数（只能给出脉冲宽度的上限）( )1( )( )()/( )nnnGIt I tIt 这样大大减少了对于测试仪器和接收元件时间响应的要求。 目前比较成熟的二阶相关函数测量法是双光子荧光法和二次谐波法。双光子荧光法双光子荧光法 原理：原理：当入射光为高功率的情况下，基态的粒子吸收两光子跃迁到高能态，然后无辐射跃迁到能级，最后由能级自发辐射跃迁到能级发出荧光，hvf12hvin。实验装置如下：M3 分束镜，把入射光分成相等的两束光，M1、M2全反镜 在系统中，把一束激光分成两束光，沿相反方向进入染料中。重合的少，荧光弱，光全重合，荧光最强。双光子吸收是一种与光强平方成正比的非线性现象，通过观测双光子吸收产生的荧光，测定两个光脉冲的相互关系，再由相关函数获得脉宽数据。M3 特点：1.结构简