超短脈沖-第6章

1、超短脈沖-第6章第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.1 放大器中的脈沖成型6.1.1 增益介質(zhì)的飽和增益介質(zhì)的飽和影響依賴(lài)于時(shí)間的放大系數(shù)。隨著增益的飽和, 產(chǎn)生相位調(diào)制。相位調(diào)制不直接改變脈沖的包絡(luò), 但改變脈沖在介質(zhì)中的傳播過(guò)程。顯示輸出波形對(duì)輸入波形的依賴(lài)關(guān)系。 a.高斯波形。b. 雙曲正割波形。c. 含有尾部的非對(duì)稱(chēng)高斯波形.虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)于入射脈沖。飽和作用有利于產(chǎn)生比較陡的脈沖前沿，脈沖中心向前移動(dòng)。放大后脈沖的兩翼對(duì)輸入脈沖波形非常敏感。如果要減少脈沖的放大中的脈沖展寬或者獲得更窄的脈沖，輸入脈沖波形最好前沿陡一些。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.1 放大器中的脈沖成型6.1.

2、2 增益窄化被放大的脈沖的頻譜寬度超過(guò)一定限度, 或者說(shuō)達(dá)到與增益飽和帶寬相比擬時(shí)，放大后的脈沖帶寬是否保持得住原來(lái)的帶寬？答案：不同的光譜分量得到不同的增益。因?yàn)槊糠N增益介質(zhì)都有有限的帶寬,放大就必然伴隨一個(gè)光譜窄化過(guò)程。應(yīng)用可編程聲光色散濾波器對(duì)種子脈沖整形補(bǔ)償增益窄化。物理學(xué)報(bào) 2005, 54(6):2764第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.2 放大器中非線(xiàn)性折射率的影響6.2.1 自相位調(diào)制強(qiáng)脈沖在傳播和放大過(guò)程中會(huì)引起折射率的變化。因此脈沖中各頻譜分量通過(guò)介質(zhì)的長(zhǎng)度會(huì)不一樣,導(dǎo)致可能的自相位調(diào)制和自透鏡效應(yīng)6.2.2 自聚焦由于非線(xiàn)性非諧振折射率造成的頻率變化是非諧振折射率變化

3、總是在頻率中心導(dǎo)致“上啁啾”。自聚焦長(zhǎng)度定義光的能量在鈦寶石激光器中達(dá)到飽和時(shí), 只有幾cm。Chirped-pulse lification in-volves stretching the pulse before lifying it, and then compressing it later.We can stretch the pulse by a factor of 10,000, lify it, and then recompress it!Advantages: eliminate nonlinear self-focusing improve lification qua

4、lity and efficiencyG. Mourou and coworkers 1985Pulse compressorttSolid state lifier(s)tDispersive delay linetShort pulse oscillatorCPA is THE big development.第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.3 啁啾脈沖放大器Two regens. The design in (a) is often used for kHz-repetition-rate lifiers and the lower (b) at a 10-20-Hz repeti

5、tion rate.The Ti:sapphire rod is usually 20-mm long and doped for 90% absorption.thin-film polarizerPockels cellFaraday rotator第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.3.1 再生放大器（Regenerative Amplifier, Regen）第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量1. 優(yōu)點(diǎn)：再生放大器是把種子脈沖吸入放大器腔內(nèi),待種子脈沖在腔內(nèi)多次往復(fù)被放大到最大能量時(shí),再將脈沖倒出腔外。再生放大器本身也是一個(gè)調(diào)Q脈沖激光器。1) 高效率： 小信號(hào)能量放大倍數(shù)可達(dá)106

6、至107；幾十pJ到幾nJ的種子脈沖放大到幾mJ至數(shù)十mJ。2) 高光束質(zhì)量：再生放大器本身模式可以調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)的TEM00模。如果入射的種子脈沖的模式與再生放大器的腔模相吻合, 則輸出脈沖的模式也可以是很好的TEM00模。6.3.1 再生放大器第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量2. 四分之一波電壓再生放大器：6.3.1 再生放大器再生放大器諧振腔1: 高重復(fù)頻率低能量型TFP（薄膜偏振片）:只對(duì)某一方向的偏振光反射,對(duì)另一方向的偏振光透射.PC（Pockels Cell普克爾盒）：加四分之一波長(zhǎng)電壓以后作用相當(dāng)于四分之一波片。四分之一波片:偏振光一次通過(guò)變成圓偏振，兩次通過(guò)改變偏振方向。第六章

7、飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量2. 四分之一波電壓再生放大器：6.3.1 再生放大器再生放大器諧振腔1: 高重復(fù)頻率低能量型放大過(guò)程：（1）垂直偏振的種子 經(jīng)過(guò)兩次四分之一波片變成水平偏振。（2）被反射回來(lái)的脈沖第二次通過(guò)普克爾盒的瞬間, 普克爾盒施加于四分之一波長(zhǎng)電壓 ，則返回的脈沖偏振方向仍為水平偏振。 （3）反復(fù)經(jīng)過(guò)放大介質(zhì)能量達(dá)到最大值, 將脈沖倒出腔。 PC放在腔的一端, 要求電壓的上升沿幾乎等于整個(gè)腔內(nèi)往復(fù)時(shí)間。假定腔長(zhǎng)仍為1.5-m, 此時(shí)要求電壓的上升沿為8-ns。電壓也只需半波電壓的一半。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量3. 半波電壓再生放大器6.3.1 再生放大器再生放大器諧

8、振腔1: 高重復(fù)頻率低能量型PC加半波電壓, 即普克爾盒變?yōu)榘氩ㄆＣ}沖的入射與出射完全取決于施加于普克爾盒電壓的時(shí)間。電壓的上升沿至少要小于半個(gè)腔內(nèi)往復(fù)時(shí)間, 如果PC是放在腔的正中的話(huà)。假設(shè)腔長(zhǎng)為1.5m, 腔內(nèi)往復(fù)時(shí)間就是10ns, 因此要求電壓的上升沿為5ns。有兩個(gè)出入口, 可以把入射光和出射光分開(kāi)第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量4. 脈沖在再生放大器腔內(nèi)的演化6.3.1 再生放大器(a)脈沖在再生放大器中的演變；(b)當(dāng)脈沖在腔內(nèi)達(dá)到最大值時(shí)，將脈沖導(dǎo)出腔外。(c)單脈沖輸出。探測(cè)器為Diode。種子脈沖能量2nJ, 100fs,脈沖經(jīng)過(guò)腔內(nèi)15個(gè)循環(huán)放大達(dá)到飽和，放大后的脈沖能

9、量為每脈沖1mJ。Multipass-lifier arrangement. M1, M2 are 1m RoC mirrors and M3 is flat and up to 15-cm wide. A Pockels cell PC and a pair of polarizers are used to inject a single pulse into the lifier 第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.3.2 多通放大器Multi-pass lifierpumpinputoutputgainPockels cellpolarizergainpumpinput/output

10、Regenerative lifier第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.3.2 多通放大器 兩者比較6.3.2 多通放大器第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量復(fù)習(xí)題： 如何求寬帶激光脈沖經(jīng)過(guò)色散介質(zhì)后引起的色散？那么如何來(lái)補(bǔ)償色散？飛秒脈沖為什么不能直接放大？飛秒激光放大過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)哪些效應(yīng)？光線(xiàn)追跡法追蹤光脈沖在光學(xué)系統(tǒng)中的蹤跡，計(jì)算光脈沖激光每一次經(jīng)過(guò)色散原件引起的各階色散，對(duì)于脈沖經(jīng)過(guò)色散介質(zhì)情況，各階色散通過(guò)折射率對(duì)波長(zhǎng)（或角頻率）的各階導(dǎo)數(shù)求的，而折射率對(duì)波長(zhǎng)的依賴(lài)關(guān)系可以通過(guò)塞爾麥耶公式得到。對(duì)于光柵對(duì)和棱鏡對(duì)空間色散元件, 求各階色散即是對(duì)空間路徑求各階導(dǎo)數(shù)?？偟纳⒓礊榭偟囊?/p>

11、階、二階、三階.色散。如何補(bǔ)償：一般來(lái)說(shuō)，完全補(bǔ)償各階色散不太可能（材料有限），通常在完全補(bǔ)償二階色散基礎(chǔ)上，盡可能的使三階或高階色散盡可能的小，當(dāng)然，對(duì)于脈寬越小，高階色散作用越明顯，補(bǔ)償起來(lái)越苦難。第一個(gè)棱鏡有什么用？角度隨波長(zhǎng)有無(wú)變化？ 由于第一個(gè)元件色散，使得不同的波長(zhǎng)光程略有不同，即光程是波長(zhǎng)的函數(shù)第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4 飛秒脈沖的自相關(guān)測(cè)量測(cè)量超短脈沖寬度須把時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g信號(hào)。自相關(guān)法入射光分為兩束，其中一束光通過(guò)延遲線(xiàn)， 然后兩束光合并，通過(guò)倍頻晶體（ 或雙光子吸收/發(fā)光介質(zhì)），改變延遲可得到一系列信號(hào)。信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)延遲的函數(shù)即為脈沖的自相關(guān)信號(hào)。 6.4

12、.1 強(qiáng)度相關(guān)假設(shè)分束板分出的兩束光強(qiáng)度相等, 強(qiáng)度自相關(guān)可用下式表示 是其中一束光的時(shí)間延遲如果已知入射脈沖波形, 這個(gè)積分可以做出來(lái)第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.1 強(qiáng)度相關(guān)對(duì)于高斯型脈沖, 其自相關(guān)波形為自相關(guān)波形的半高寬(FWHM)與脈沖寬度的比值為對(duì)于雙曲正割型脈沖, 其自相關(guān)波形為自相關(guān)波形的半高寬(FWHM)與脈沖寬度的比值為1.5436.4.2 干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形兩束場(chǎng)強(qiáng)分別 和 激光, 在同方向共線(xiàn)情況下, 相干疊加后的場(chǎng)強(qiáng)第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.1 強(qiáng)度相關(guān)對(duì)于高斯型脈沖, 其自相關(guān)波形為自相關(guān)波形的半高寬(FWHM)與脈沖寬度的比值

13、為對(duì)于雙曲正割型脈沖, 其自相關(guān)波形為自相關(guān)波形的半高寬(FWHM)與脈沖寬度的比值為1.5436.4.2 干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形兩束場(chǎng)強(qiáng)分別 和 激光, 在同方向共線(xiàn)情況下, 相干疊加后的場(chǎng)強(qiáng)第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.2 干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形讓這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)通過(guò)倍頻晶體, 倍頻信號(hào)的強(qiáng)度與基頻光強(qiáng)的平方成正比展開(kāi)積分號(hào)內(nèi)括號(hào)內(nèi)的項(xiàng), 可以改寫(xiě)為：其中：第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.2 干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形假設(shè)入射脈沖為雙曲正割型，且兩束光場(chǎng)強(qiáng)相等, 位相為零，即倍頻自相關(guān)信號(hào)為：脈寬20飛秒的脈沖的條紋分辨自相關(guān)波形假設(shè) 表示脈沖的半高寬FWHM，

14、則入射脈沖則有：第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.2 干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形干涉條紋可分辨的自相關(guān)圖像的特征：仍設(shè) 是強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)。 是兩脈沖完全重合時(shí)強(qiáng)度相關(guān)信號(hào)。 是背景信號(hào)的強(qiáng)度。 脈寬20飛秒的脈沖的條紋分辨自相關(guān)波形當(dāng)所有項(xiàng)的信號(hào)都被記錄下來(lái)時(shí)，倍頻自相關(guān)信號(hào)在 時(shí)取得最大值 。信號(hào)與背景之比8:1，與脈沖的形狀無(wú)關(guān)。圖形都是對(duì)稱(chēng)的。處于中心的必然是一個(gè)最大值。相干條紋之間的間隔是一個(gè)頻率周期。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.2 干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形 定性地檢查脈沖是否含有自相位調(diào)制, 是何種類(lèi)型的自相位調(diào)制; 定量地測(cè)量線(xiàn)性啁啾; 與脈沖的光譜一起,

15、 擬合確定脈沖的波形。高斯脈沖對(duì)于不同的啁啾參數(shù)的所獲得的相干自相關(guān)波形的包絡(luò)例子：設(shè)入射脈沖是含有啁啾的單位光強(qiáng)的高斯波形：對(duì)含有啁啾的脈沖, 相干自相關(guān)波形在靠近中心的兩翼部分隆起, 偏離8:1的比例。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.4.3 條紋分辨自相關(guān)儀脈沖自相關(guān)儀。PMT是光電倍增管，SHG是倍頻晶體測(cè)量10飛秒以下的脈沖，分束板應(yīng)該越薄越好（例如500m厚）。除了倍頻晶體，可以利用雙光子吸收效應(yīng)，直接用光電二極管接收而不通過(guò)倍頻晶體。對(duì)于1 m以上到1.6 m的飛秒脈沖，可以用Si光電二極管作為非線(xiàn)性元件。光束被分束片分為相等的兩束光，被兩個(gè)直角反射鏡反射并在分束片上重新重合

16、，其中一個(gè)直角的反射鏡安裝在掃描器上。重合后的光被聚焦到倍頻晶體或帶放大器的光二極管上。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.5 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（FROG）高階非線(xiàn)性相關(guān)頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法(frequency resolved optical gating, FROG)用了一個(gè)克爾開(kāi)關(guān)取代了二階非線(xiàn)性自相關(guān)器。 Opt. Lett. 1993, 18: 823頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法測(cè)量相位的裝置被測(cè)脈沖先被分成兩束, 一束較強(qiáng)作為開(kāi)關(guān)的泵浦光; 另一束較弱 作為信號(hào)光。泵浦光與信號(hào)光被聚焦后在石英玻璃片上在時(shí)間和空間上重合。當(dāng)沒(méi)有泵浦光時(shí), 沒(méi)有信號(hào)透過(guò)。第六章 飛秒激光

17、脈沖放大及特性測(cè)量6.5 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（FROG）頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)法測(cè)量相位的裝置當(dāng)泵浦光與信號(hào)光重合時(shí), 泵浦光的非線(xiàn)性作用使得開(kāi)關(guān)打開(kāi)，使得信號(hào)光通過(guò)。透過(guò)光開(kāi)關(guān)的信號(hào)光電場(chǎng)強(qiáng)度： 是光開(kāi)關(guān)函數(shù)。經(jīng)過(guò)傅里葉變換，其頻率分辨的強(qiáng)度即為實(shí)際探測(cè)得到的信號(hào)光的強(qiáng)度分布。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量利用FROG方法獲得的信號(hào)物理學(xué)報(bào)2003,52(2):362如何從測(cè)量得的信號(hào)獲得脈沖電場(chǎng)和相位信息呢? 這就要采用一個(gè)所謂脈沖重建(reconstruction)程序。利用位相迭代算法(程序):已知開(kāi)關(guān)函數(shù) g ( t - ) ,先假定一個(gè)初始脈沖電場(chǎng) E( t) (如高斯脈沖) ,

18、可以算出強(qiáng)度分布 IFROG (,) 。與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的強(qiáng)度分布 IFROG (,)比較 ,修改由計(jì)算得到的強(qiáng)度分布 IFROG (,) . 將修改后得到的信號(hào)值做反傅里葉變換得到一個(gè)新的E( t)，完成一次迭代(電場(chǎng)實(shí)部為強(qiáng)度值,虛部為相位)。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量利用FROG方法獲得的信號(hào)物理學(xué)報(bào)2003,52(2):3626.5 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（FROG）FROG行跡計(jì)算程序示意圖和流程圖物理學(xué)報(bào)2003,52(2):362FROG位相迭代算法程序框圖，計(jì)算程序可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到 。 第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量FROG行跡圖：上啁啾,無(wú)啁啾, 以及下啁啾6.5

19、飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（FROG）含有很強(qiáng)自相位調(diào)制的脈沖的FROG行跡與樂(lè)譜的相似性示意圖利用FROG方法測(cè)量超短脈沖得到一些示范性結(jié)果。 第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（SPIDER）6.6.1 光譜相干法空間相干：兩束相位不同光場(chǎng)在空間混合后在屏幕上產(chǎn)生正弦調(diào)制的干涉條紋，兩束光之間相位差表現(xiàn)為條紋間距的變化 （條紋移動(dòng)）。時(shí)間相干：兩個(gè)不同時(shí)間 和 到達(dá)一點(diǎn)的脈沖會(huì)在合成的光譜上產(chǎn)生干涉條紋。條紋的頻率間隔與延遲 成反比, 兩個(gè)脈沖間的任何光譜相位的差將會(huì)表現(xiàn)為條紋的畸變。兩個(gè)在時(shí)域具有時(shí)間延遲的脈沖在頻域的相干圖形。條紋的間隔與脈沖之間的時(shí)間延遲成反

20、比Spectral Interferometry（光譜相干）由法國(guó)人佛洛利提出第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（SPIDER）6.6.2 參考光與信號(hào)光的相干未知脈沖與參考脈沖通過(guò)分束器合成一束入射到光譜儀中, 兩束光之間有一個(gè)固定的時(shí)間差。干涉條紋就是光譜調(diào)諧分量的函數(shù), 寫(xiě)為 兩個(gè)在時(shí)域具有時(shí)間延遲的脈沖在頻域的相干圖形。記錄光譜儀輸出的相對(duì)于不同頻率的N個(gè)數(shù)據(jù)。為了保證分辨精度, 每個(gè)條紋至少要記錄三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（事實(shí)上記錄10個(gè)點(diǎn)以上更好）。利用兩次傅里葉變換求出各個(gè)頻率點(diǎn)兩個(gè)脈沖之間的相位差。 第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)

21、量（SPIDER）6.6.3 信號(hào)光的自參考相干將一個(gè)未知的入射脈沖分成兩束, 每一束光路上都有一個(gè)頻移器件, 給每個(gè)脈沖各施加一個(gè)已知的頻移，這兩個(gè)脈沖再合在一起, 進(jìn)入光譜儀。光譜儀檢測(cè)的信號(hào)是:兩個(gè)在時(shí)域具有時(shí)間延遲的脈沖在頻域的相干圖形關(guān)鍵是怎樣做這樣一個(gè)頻移而不損害原來(lái)脈沖的相位。移頻器是否可用？ 但是現(xiàn)在的調(diào)制技術(shù)的譜寬還不足以覆蓋飛秒脈沖的頻譜, 以制造出足以測(cè)量飛秒脈沖的頻移。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（SPIDER）6.6.3 信號(hào)光的自參考相干將一個(gè)未知的入射脈沖分成兩束, 每一束光路上都有一個(gè)頻移器件, 給每個(gè)脈沖各施加一個(gè)已知的頻移

22、，這兩個(gè)脈沖再合在一起, 進(jìn)入光譜儀。光譜儀檢測(cè)的信號(hào)是:兩個(gè)在時(shí)域具有時(shí)間延遲的脈沖在頻域的相干圖形關(guān)鍵是怎樣做這樣一個(gè)頻移而不損害原來(lái)脈沖的相位。移頻器是否可用？ 但是現(xiàn)在的調(diào)制技術(shù)的譜寬還不足以覆蓋飛秒脈沖的頻譜, 以制造出足以測(cè)量飛秒脈沖的頻移。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（SPIDER）6.6.4 自參考光相干電場(chǎng)重建法（Self-referencing Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction: SPIDER)自參考光相干電場(chǎng)重建法提出用非線(xiàn)性介質(zhì)

23、可以做出能夠覆蓋足夠?qū)挼念l譜的頻移方法。 用啁啾脈沖與非線(xiàn)性效應(yīng)產(chǎn)生微小頻移超短脈沖激光展寬為一個(gè)帶有啁啾的脈沖。與兩束具有時(shí)間延遲的短脈沖激光聚焦到倍頻晶體與啁啾脈沖混頻（和頻），由于延時(shí)后的雙脈沖是與展寬后的啁啾脈沖的不同時(shí)間片斷(即不同頻率)進(jìn)行和頻變換 ，因而產(chǎn)生的兩個(gè)和頻脈沖相互間具有時(shí)間延時(shí)且光譜頻移。第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（SPIDER）6.6.4 自參考光相干電場(chǎng)重建法設(shè)側(cè)切（和頻）后脈沖的中心頻率為 和 , 干涉條紋式重新寫(xiě)為第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6.6 飛秒激光脈沖的位相測(cè)量（SPIDER）6.6.4 自參考光相干電場(chǎng)重建法將 進(jìn)行傅里葉變換，在時(shí)域中 將出現(xiàn)在不同時(shí)間位置（三個(gè)量分開(kāi)）。頻率上轉(zhuǎn)后的兩短脈沖光譜相干的時(shí)域強(qiáng)度曲線(xiàn)1）濾波：用濾波方式（例如用一個(gè)4階超高斯函數(shù)）把交流部分FFTD-ac()或FFTD+ac() （含有相位因子項(xiàng)）過(guò)濾出來(lái)，還原相位需要三個(gè)步驟：第六章 飛秒激光脈沖放大及特性測(cè)量6