超短脈沖第六章

超短脈沖第六章第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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)的飽和影響依賴于時間的放大系數(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)中的傳播過程。顯示輸出波形對輸入波形的依賴關(guān)系。a.高斯波形。b.雙曲正割波形。c.含有尾部的非對稱高斯波形.虛線對應(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。放大后脈沖的兩翼對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。。第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.1放大器中的脈沖成型6.1.2增益窄化被放大的脈沖的頻譜寬度超過一定限度,或者說達(dá)到與增益飽和帶寬相比擬時，放大后的脈沖帶寬是否保持得住原來的帶寬？答案：不同的光譜分量得到不同的增益。因為每種增益介質(zhì)都有有限的帶寬,放大就必然伴隨一個光譜窄化過程。應(yīng)用可編程聲光色散濾波器對種子脈沖整形補償增益窄化。物理學(xué)報2005,54(6):2764第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.2放大器中非線性折射率的影響6.2.1自相位調(diào)制強脈沖在傳播和放大過程中會引起折射率的變化。因此脈沖中各頻譜分量通過介質(zhì)的長度會不一樣,導(dǎo)致可能的自相位調(diào)制和自透鏡效應(yīng)6.2.2自聚焦由于非線性非諧振折射率造成的頻率變化是非諧振折射率變化總是在頻率中心導(dǎo)致“上啁啾”。自聚焦長度定義光的能量在鈦寶石激光器中達(dá)到飽和時,只有幾cm。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日Chirped-pulse

amplificationin-

volvesstretchingthe

pulsebeforeamplifyingit,

andthencompressingitlater.Wecanstretchthepulsebyafactorof10,000,amplifyit,andthenrecompressit!Advantages:eliminatenonlinearself-focusingimproveamplificationqualityandefficiencyG.Mourouandcoworkers1985PulsecompressorttSolidstateamplifier(s)tDispersivedelaylinetShortpulseoscillatorCPAisTHEbigdevelopment.第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.3啁啾脈沖放大器第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日Tworegens.Thedesignin(a)isoftenusedforkHz-repetition-rateamplifiersandthelower(b)ata10-20-Hzrepetitionrate.TheTi:sapphirerodisusually~20-mmlonganddopedfor90%absorption.thin-filmpolarizerPockelscellFaradayrotator第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.3.1再生放大器（RegenerativeAmplifier,Regen）第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量1.優(yōu)點：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,再將脈沖倒出腔外。再生放大器本身也是一個調(diào)Q脈沖激光器。1)高效率：小信號能量放大倍數(shù)可達(dá)106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再生放大器第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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）:只對某一方向的偏振光反射,對另一方向的偏振光透射.PC（PockelsCell普克爾盒）：加四分之一波長電壓以后作用相當(dāng)于四分之一波片。四分之一波片:偏振光一次通過變成圓偏振，兩次通過改變偏振方向。第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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程：（1）垂直偏振的種子

經(jīng)過兩次四分之一波片變成水平偏振。（2）被反射回來的脈沖第二次通過普克爾盒的瞬間,普克爾盒施加于四分之一波長電壓，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腔內(nèi)往復(fù)時間。假定腔長仍為1.5-m,此時要求電壓的上升沿為<8-ns。電壓也只需半波電壓的一半。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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間。電壓的上升沿至少要小于半個腔內(nèi)往復(fù)時間,如果PC是放在腔的正中的話。假設(shè)腔長為1.5m,腔內(nèi)往復(fù)時間就是10ns,因此要求電壓的上升沿為<5ns。有兩個出入口,可以把入射光和出射光分開第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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，將脈沖導(dǎo)出腔外。(c)單脈沖輸出。探測器為Diode。種子脈沖能量2nJ,100fs,脈沖經(jīng)過腔內(nèi)15個循環(huán)放大達(dá)到飽和，放大后的脈沖能量為每脈沖1mJ。第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日Multipass-amplifierarrangement.M1,M2are1

mRoCmirrorsandM3isflatandupto15-cmwide.APockelscellPCandapairofpolarizersareusedtoinjectasinglepulseintotheamplifier

第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.3.2多通放大器第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日Multi-passamplifierpumpinputoutputgainPockelscellpolarizergainpumpinput/outputRegenerativeamplifier第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.3.2多通放大器

兩者比較第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日再生放大器（預(yù)放）多通放大器（功率放大）光束質(zhì)量因為再生放大器本身就是一個工作在TEM00模的激光器，輸出光束可以認(rèn)為是高斯光束，復(fù)制入射脈沖的光束，而且是由于非共線入射，還會附加一些非均勻性。指向穩(wěn)定性再生放大器的指向穩(wěn)定性完全取決于放大器腔的穩(wěn)定性。振蕩器和展寬器的指向變化不會影響放大器的輸出光束的指向。指向穩(wěn)定性追溯到振蕩器的穩(wěn)定性。放大器泵浦光的能量變化會導(dǎo)致放大介質(zhì)熱透鏡的微小變化，導(dǎo)致光束在空間的變化能量穩(wěn)定性因為很容易靠增加種子光在腔內(nèi)的往復(fù)次數(shù)以保證增益飽和，再生放大器有很高的穩(wěn)定性。必須增加泵浦能量以保增益飽和，但是要增加一個或更多的放大次數(shù)并不容易。可靠性因為往返次數(shù)幾乎可以無限制地調(diào)節(jié)，晶體不需要非常高的泵浦能量，也就不會有打壞晶體。為了獲得非常高增益，,需要非常高的能量來泵浦，極容易打壞晶體適應(yīng)性因為展寬器可以設(shè)計得容納很大的材料色散，腔外增加光學(xué)元件，只須稍微調(diào)節(jié)一下壓縮器。因為展寬器設(shè)計為只容納很小的材料色散，增加光學(xué)元件會引起脈沖寬度很大變化脈沖可壓縮性展寬器和壓縮器可以設(shè)計得容納再生放大器中的材料色散，使得脈沖可以壓縮到較小的水平。由于材料色散較小，展寬器的可以設(shè)計得有更大的帶寬，可以壓縮更短的脈沖。能量效率效率取決于再生放大器腔的效率。一般可達(dá)20%因為是非共線放大，效率較再生放大器低復(fù)雜性再生放大器的設(shè)計一般來說比較簡單。準(zhǔn)直也不要很多時間。多通放大器需要更多的光學(xué)元件，需要更多的空間，也需要更多的準(zhǔn)直時間。6.3.2多通放大器第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日復(fù)習(xí)題：

如何求寬帶激光脈沖經(jīng)過色散介質(zhì)后引起的色散？那么如何來補償色散？飛秒脈沖為什么不能直接放大？飛秒激光放大過程中會出現(xiàn)哪些效應(yīng)？光線追跡法——追蹤光脈沖在光學(xué)系統(tǒng)中的蹤跡，計算光脈沖激光每一次經(jīng)過色散原件引起的各階色散，對于脈沖經(jīng)過色散介質(zhì)情況，各階色散通過折射率對波長（或角頻率）的各階導(dǎo)數(shù)求的，而折射率對波長的依賴關(guān)系可以通過塞爾麥耶公式得到。對于光柵對和棱鏡對空間色散元件,求各階色散即是對空間路徑求各階導(dǎo)數(shù)?？偟纳⒓礊榭偟囊浑A、二階、三階…..色散。如何補償：一般來說，完全補償各階色散不太可能（材料有限），通常在完全補償二階色散基礎(chǔ)上，盡可能的使三階或高階色散盡可能的小，當(dāng)然，對于脈寬越小，高階色散作用越明顯，補償起來越苦難。第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日第一個棱鏡有什么用？角度β隨波長有無變化？由于第一個元件色散，使得不同的波長光程略有不同，即光程是波長的函數(shù)第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.4飛秒脈沖的自相關(guān)測量測量超短脈沖寬度須把時間信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g信號。自相關(guān)法——入射光分為兩束，其中一束光通過延遲線，

然后兩束光合并，通過倍頻晶體（

或雙光子吸收/發(fā)光介質(zhì)），改變延遲可得到一系列信號。信號的強度對延遲的函數(shù)即為脈沖的自相關(guān)信號。6.4.1強度相關(guān)假設(shè)分束板分出的兩束光強度相等,強度自相關(guān)可用下式表示是其中一束光的時間延遲如果已知入射脈沖波形,這個積分可以做出來第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.4.1強度相關(guān)對于高斯型脈沖,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)圖形兩束場強分別和激光,在同方向共線情況下,相干疊加后的場強第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.4.1強度相關(guān)對于高斯型脈沖,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)圖形兩束場強分別和激光,在同方向共線情況下,相干疊加后的場強第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.4.2干涉條紋分辨的相干自相關(guān)圖形讓這個場強通過倍頻晶體,倍頻信號的強度與基頻光強的平方成正比展開積分號內(nèi)括號內(nèi)的項,可以改寫為：其中：第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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，且兩束光場強相等,位相為零，即倍頻自相關(guān)信號為：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，則入射脈沖則有：第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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)

是強度相關(guān)信號。是兩脈沖完全重合時強度相關(guān)信號。是背景信號的強度。

脈寬20飛秒的脈沖的條紋分辨自相關(guān)波形當(dāng)所有項的信號都被記錄下來時，倍頻自相關(guān)信號在時取得最大值。信號與背景之比8:1，與脈沖的形狀無關(guān)。圖形都是對稱的。處于中心的必然是一個最大值。相干條紋之間的間隔是一個頻率周期。第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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,是何種類型的自相位調(diào)制;定量地測量線性啁啾;與脈沖的光譜一起,擬合確定脈沖的波形。高斯脈沖對于不同的啁啾參數(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的高斯波形：對含有啁啾的脈沖,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。第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量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倍頻晶體。對于1m以上到1.6m的飛秒脈沖，可以用Si光電二極管作為非線性元件。光束被分束片分為相等的兩束光，被兩個直角反射鏡反射并在分束片上重新重合，其中一個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。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.5飛秒激光脈沖的位相測量（FROG）高階非線性相關(guān)頻率分辨光學(xué)開關(guān)法頻率分辨光學(xué)開關(guān)法(frequencyresolvedopticalgating,FROG)用了一個克爾開關(guān)取代了二階非線性自相關(guān)器。Opt.Lett.1993,18:823頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量相位的裝置被測脈沖先被分成兩束,一束較強作為開關(guān)的泵浦光;另一束較弱

作為信號光。泵浦光與信號光被聚焦后在石英玻璃片上在時間和空間上重合。當(dāng)沒有泵浦光時,沒有信號透過。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.5飛秒激光脈沖的位相測量（FROG）頻率分辨光學(xué)開關(guān)法測量相位的裝置當(dāng)泵浦光與信號光重合時,泵浦光的非線性作用使得開關(guān)打開，使得信號光通過。透過光開關(guān)的信號光電場強度：是光開關(guān)函數(shù)。經(jīng)過傅里葉變換，其頻率分辨的強度即為實際探測得到的信號光的強度分布。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量利用FROG方法獲得的信號物理學(xué)報2003,52(2):362如何從測量得的信號獲得脈沖電場和相位信息呢?這就要采用一個所謂脈沖重建(reconstruction)程序。利用位相迭代算法(程序):已知開關(guān)函數(shù)g(t-τ),先假定一個初始脈沖電場E(t)(如高斯脈沖),可以算出強度分布IFROG(ω,τ)。與實驗測量得到的強度分布IFROG(ω,τ)比較,修改由計算得到的強度分布IFROG(ω,τ).將修改后得到的信號值做反傅里葉變換得到一個新的E(t)，完成一次迭代(電場實部為強度值,虛部為相位)。第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量利用FROG方法獲得的信號物理學(xué)報2003,52(2):3626.5飛秒激光脈沖的位相測量（FROG）FROG行跡計算程序示意圖和流程圖物理學(xué)報2003,52(2):362FROG位相迭代算法程序框圖，計算程序可以在市場上買到。

第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量FROG行跡圖：上啁啾,無啁啾,以及下啁啾6.5飛秒激光脈沖的位相測量（FROG）含有很強自相位調(diào)制的脈沖的FROG行跡與樂譜的相似性示意圖利用FROG方法測量超短脈沖得到一些示范性結(jié)果。

第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.1光譜相干法空間相干：兩束相位不同光場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）。時間相干：兩個不同時間和到達(dá)一點的脈沖會在合成的光譜上產(chǎn)生干涉條紋。條紋的頻率間隔與延遲成反比,兩個脈沖間的任何光譜相位的差將會表現(xiàn)為條紋的畸變。兩個在時域具有時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間延遲成反比SpectralInterferometry（光譜相干）由法國人佛洛利提出第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.2參考光與信號光的相干未知脈沖與參考脈沖通過分束器合成一束入射到光譜儀中,兩束光之間有一個固定的時間差。干涉條紋就是光譜調(diào)諧分量的函數(shù),寫為兩個在時域具有時間延遲的脈沖在頻域的相干圖形。記錄光譜儀輸出的相對于不同頻率的N個數(shù)據(jù)。為了保證分辨精度,每個條紋至少要記錄三個數(shù)據(jù)點（事實上記錄10個點以上更好）。利用兩次傅里葉變換求出各個頻率點兩個脈沖之間的相位差。第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.3信號光的自參考相干將一個未知的入射脈沖分成兩束,每一束光路上都有一個頻移器件,給每個脈沖各施加一個已知的頻移，這兩個脈沖再合在一起,進(jìn)入光譜儀。光譜儀檢測的信號是:兩個在時域具有時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頻移而不損害原來脈沖的相位。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,以制造出足以測量飛秒脈沖的頻移。第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.3信號光的自參考相干將一個未知的入射脈沖分成兩束,每一束光路上都有一個頻移器件,給每個脈沖各施加一個已知的頻移，這兩個脈沖再合在一起,進(jìn)入光譜儀。光譜儀檢測的信號是:兩個在時域具有時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頻移而不損害原來脈沖的相位。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,以制造出足以測量飛秒脈沖的頻移。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.4自參考光相干電場重建法（Self-referencingSpectralPhaseInterferometryforDirectElectricFieldReconstruction:SPIDER)自參考光相干電場重建法提出用非線性介質(zhì)可以做出能夠覆蓋足夠?qū)挼念l譜的頻移方法。用啁啾脈沖與非線性效應(yīng)產(chǎn)生微小頻移超短脈沖激光展寬為一個帶有啁啾的脈沖。與兩束具有時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），由于延時后的雙脈沖是與展寬后的啁啾脈沖的不同時間片斷(即不同頻率)進(jìn)行和頻變換，因而產(chǎn)生的兩個和頻脈沖相互間具有時間延時τ且光譜頻移。第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.4自參考光相干電場重建法設(shè)側(cè)切（和頻）后脈沖的中心頻率為

和,干涉條紋式重新寫為第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日第六章飛秒激光脈沖放大及特性測量6.6飛秒激光脈沖的位相測量（SPIDER）6.6.4自參考光相干電場重建法將進(jìn)行傅里葉變換，在時域中將出現(xiàn)在不同時間位置（三個量分開）。頻率上轉(zhuǎn)后的兩短脈沖光譜相干的時域強度曲線1）濾波：用濾波方式