超短脈沖激光技術(shù)

1、超短脈沖激光技術(shù)報(bào)告人：xxx主要內(nèi)容主要內(nèi)容l超短脈沖激光及其特點(diǎn)l調(diào)Q激光l鎖模激光技術(shù)l飛秒激光技術(shù)超短脈沖激光及其特點(diǎn)什么是超短脈沖激光？什么是超短脈沖激光？一般是指時(shí)間寬度小于10(-12)秒的激光脈沖10(-12)秒皮秒；10(-15)秒飛秒；10(-18)秒阿秒一般超短激光脈沖：5飛秒幾百飛秒超短脈沖激光的特點(diǎn)超短脈沖激光的特點(diǎn)u時(shí)間寬度非常短時(shí)間寬度非常短u光譜含量非常豐富光譜含量非常豐富u光脈沖峰值功率高光脈沖峰值功率高中科院物理所TW級(jí)飛秒激光裝置極光極光號(hào)裝置號(hào)裝置脈沖激光器的發(fā)展超短脈沖激光的應(yīng)用超短脈沖激光的應(yīng)用巨脈沖的產(chǎn)生原理：調(diào)Q普通運(yùn)轉(zhuǎn)激光器中的馳豫振蕩泵浦作用

2、下，激光器達(dá)到其振蕩閾值產(chǎn)生激光振蕩，腔內(nèi)光子數(shù)上升長(zhǎng)產(chǎn)生激光；隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)被大量消耗，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度下降，然后腔內(nèi)光子數(shù)密度下降。此時(shí)泵浦的繼續(xù)抽運(yùn)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度重新上升，重復(fù)上述過(guò)程，輸出一系列尖峰脈沖馳豫振蕩產(chǎn)生的激光脈沖的特點(diǎn)：l脈沖的峰值功率低l增大抽運(yùn)能量只會(huì)增加小尖峰的個(gè)數(shù)l脈寬度約為ms量級(jí)馳豫振蕩示意圖調(diào)調(diào)Q原理原理馳豫振蕩脈沖能量低的原因在于每個(gè)脈沖總在閾值附近產(chǎn)生要產(chǎn)生高能量脈沖，必須控制腔內(nèi)損耗，即調(diào)節(jié)腔內(nèi)的品質(zhì)因數(shù)Q設(shè)法在光泵浦初期將激光器內(nèi)的振蕩閾值調(diào)高，從而抑制激光振蕩，使工作物質(zhì)的上能級(jí)粒子數(shù)得到積累。隨著光泵的繼續(xù)激勵(lì)，上能級(jí)粒子數(shù)逐漸積累到

3、最大值。此時(shí)，突然將器件的閾值調(diào)低，那么，積累在上能級(jí)的大量粒子便雪崩式地躍到激光下能級(jí)，從而獲得貶值功率極高的激光脈沖輸出。調(diào)Q原理調(diào)Q示意圖電光調(diào)Q示意圖鎖模激光器原理鎖模激光器原理腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其縱模的頻率間隔為：自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器一般都包括很多超過(guò)閾值的縱模普通多模激光器的輸出特性這些模的振幅及相位都不確定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。如果激光工作物質(zhì)的增益曲線內(nèi)包含2N+1個(gè)縱模，激光輸出的光波場(chǎng)是2N+1個(gè)縱模的和，而平均光強(qiáng)則是各縱模光強(qiáng)之和。鎖模激光器的輸出特性鎖模激光器鎖模激光器是指腔內(nèi)振蕩的各縱模間隔相等，并具有確定 的相位關(guān)系，激光

4、器的輸出是列時(shí)間間隔一定的超短脈沖。非鎖模和理想鎖模激光器的信號(hào)結(jié)構(gòu), (a) 非鎖模,（b)理想鎖模示波器輸出的鎖模脈沖序列圖要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，就是要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，就是使各縱模相鄰頻率間隔相等，并且相鄰縱模位相差為常量。這一點(diǎn)使各縱模相鄰頻率間隔相等，并且相鄰縱模位相差為常量。這一點(diǎn)在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。2N+1個(gè)縱模鎖模后的輸出：個(gè)縱模鎖模后的輸出：2N+1個(gè)振蕩的模經(jīng)過(guò)鎖相以后，總的光場(chǎng)變?yōu)轭l率為0的調(diào)幅波。振幅(t)是一隨時(shí)間變化的周期函數(shù)7個(gè)縱模鎖定后的輸出光強(qiáng)為討論方

5、便，假定 = 0，則具有如下性質(zhì)：(1)激光器的輸出是間隔為=2L/c的規(guī)則脈沖序列(2)每個(gè)脈沖的寬度 ，可見(jiàn)增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬。qN1121(3)輸出脈沖的峰值功率正比于 ，因此，由于鎖模，峰值功率增大了2N+1倍。 220) 12(NE 脈沖寬度與增益曲線寬度的關(guān)系Bandwidth vs Pulsewidthnarrow spectrumcontinuous wave (CW)broader spectrumpulses (mode-locked)broadest spectrumshortest pulsesbandwidthnndurationnn = const

6、.鎖模的方法鎖模的方法1、主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模是采用周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。主動(dòng)鎖模是采用周期性調(diào)制諧振腔參量的方法?；驹恚涸谥C振腔中插入一個(gè)受外界信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻基本原理：在諧振腔中插入一個(gè)受外界信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當(dāng)選擇調(diào)制頻率等于縱模間隔時(shí)，率周期性地改變腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當(dāng)選擇調(diào)制頻率等于縱模間隔時(shí)，對(duì)各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻，邊頻又與兩個(gè)相鄰縱模的頻率相一致，由此引對(duì)各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻，邊頻又與兩個(gè)相鄰縱模的頻率相一致，由此引起模之間的相互作用。若調(diào)制的強(qiáng)度足夠大，則使所有的振蕩模達(dá)到同步，起模之間的相互作

7、用。若調(diào)制的強(qiáng)度足夠大，則使所有的振蕩模達(dá)到同步，形成周期性的鎖模脈沖序列。形成周期性的鎖模脈沖序列。2、被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模是利用可飽和吸收體和腔內(nèi)光強(qiáng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模3、同步泵浦鎖模鎖模既可以像主動(dòng)鎖模那樣通過(guò)周期性地調(diào)制諧振腔的損耗或光程來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)周期性地調(diào)制諧振腔的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體做法：用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列作為種子脈沖去泵浦另一臺(tái)激光器使其實(shí)現(xiàn)鎖模。4、自鎖模不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，而是利用工作物質(zhì)自身的非線性效應(yīng)來(lái)保持各振蕩縱模頻率的等間隔分布和確定相位關(guān)系。如摻鈦藍(lán)寶石激光器。被動(dòng)鎖模原理被動(dòng)鎖模原理可飽和吸收體的吸收特性在沒(méi)有發(fā)生鎖模以前，假設(shè)腔內(nèi)光子的分

8、布基本上是均勻的，但還有一些起伏。由于染料具有可飽和吸收的特性，弱的信號(hào)透過(guò)率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號(hào)則透過(guò)率大，損耗小，且其損耗可通過(guò)工作物質(zhì)的放大得到補(bǔ)償。所以光脈沖每經(jīng)過(guò)染料和工作物質(zhì)一次。其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會(huì)越來(lái)越大。脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過(guò)，則使脈沖變窄。經(jīng)過(guò)多次往返，經(jīng)過(guò)可飽和吸收體和增益介質(zhì)的共同作用可以產(chǎn)生一個(gè)很短的脈沖 Short time (fs)IntensityRound trips (k)k = 1k = 7弱脈沖被抑制強(qiáng)脈沖被壓縮和放大弱脈沖被抑制強(qiáng)脈沖被壓縮和放大k = 2k = 3被動(dòng)鎖模過(guò)程Z型腔SESAM鎖模諧振腔及輸出脈沖自鎖模激光器某些激光增益工作物質(zhì)的折射率可表示為：式中，第一項(xiàng)為與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的折射率，第二項(xiàng)為非線性折射率。 在橫截面內(nèi)光強(qiáng)呈高斯分布的激光束通過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，由于上述效應(yīng)造成的折射率的橫向分布，將產(chǎn)生自聚集效應(yīng)。自聚焦的焦距和軸線上的光強(qiáng)呈反比。如果來(lái)自外界的擾動(dòng)引起偶然的光脈沖振蕩，由于光脈沖中部的光強(qiáng)大于前后沿，脈沖中部經(jīng)工作