激光技术第五讲.ppt

激光技术-第五讲 Femtosecond Stroboscopy 第一节 锁模基本原理 6.1.1 多模激光器的输出特性 6.1.2 锁模的基本原理 6.1.3 锁模的方法 第二节 主动锁模 6.2.1 振幅调制锁模 第三节 被动锁模 第四节 同步泵浦锁模 第五节 锁模新技术与进展 6.3.2 染料激光器的被动锁模 在染料激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料，可以实现染料激光器的被动锁模，产生飞秒量级超短脉冲。 碰撞锁模原理当在被动锁模激光器中，存在两沿相反方向传播的两束光，此两束光同时达到可饱和吸收体，在吸收体中相撞产生干涉，在吸收体处形成光强的空间调制，因而造成吸收介质上下能级粒子数的空间周期分布－粒子数分布光栅；两个脉冲每经过光栅一次，前后沿均得到切削，使脉冲压缩过程加快。 可饱和吸收染料 染料增益介质 同步泵浦锁模激光器采用一台锁模激光器的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。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是它的整数倍。 在最大的增益时域内形成一短脉冲，其脉冲宽度比泵浦脉冲宽度短得多。同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义，因为染料具有很宽的增益线宽（1013~1014Hz），可得到fs激光脉冲。 6.4.1 同步泵浦锁模原理 采用一台主动锁模氩离子激光器泵浦染料激光器，泵浦脉冲宽度Tp为100~200ps，而染料激光器的激光上能级的的弛豫时间T31为纳秒量级，T31大于泵浦脉冲宽度，而小于光在谐振腔的环程时间T 激活介质的反转粒子数仅取决于这一瞬间得到的泵浦能。泵浦使增益系数增大，达到阈值以上。从这一瞬间起产生受激辐射，激光脉冲能量迅速上升。 ①增益阶段：由于泵浦脉冲序列的周期与光子在染料激光器中往返一周的时间相等，故谐振腔内的起始脉冲，只有与泵浦脉冲同时到达染料盒时，染料恰好处于粒子数反转状态，因此，激光脉冲的能量经过增益介质后得到放大，经过多次循环后脉冲得到较大的能量。 ②脉冲压缩阶段：当脉冲比较强时，每经过增益介质一次，由于饱和效应，只有前沿及中间部分得到放大，而后沿由于得不到放大而被抑制，脉宽得到压缩，最后形成一稳定的窄激光脉冲序列。 典型的同步泵浦染料激光器包括泵浦源、光学谐振腔、激光介质及调谐元件等。 激活介质中泵浦光的光束束腰必须与染料激光的光束束腰很好的重叠。为此，两光束间的夹角应尽量小，并采用良好的像散补偿措施。 借助调谐元件，如F-P标准具或双折射滤光片等，可连续改变激光频率，其波长可在420~1000nm的光谱范围内连续可调。采用不同染料，就可在同步泵浦激光器中产生不同脉冲宽度的脉冲。脉宽可小于1ps。 6.4.2 同步泵浦锁模激光器的结构 目前人们研究的焦点主要集中在自锁模（克尔透镜锁模）和SESAM(半导体可饱和吸收体)锁模技术上。 6.5.1 自锁模 在激光腔内勿需插入任何调制元件，而是利用激光介质本身的非线性效应就可以实现锁模，称之为自锁模，主要应用于掺钛蓝宝石激光器中。其自锁模原理至今尚无统一的理论解释。 大多数认为，其自锁模现象与掺钛蓝宝石增益介质的克尔效应引起的光束自聚焦效应有关，属于被动锁模。 从时域角度看，首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子，然后利用锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小于1，而使脉冲中间的增益大于1，脉冲在腔内往返过程中，不断被整形放大，脉冲宽度被压缩，直到稳定锁模。 重频65MHz，平均功率120mW，峰值功率0.37MW 6.5.2 SESAM被动锁模 Pp=31kW 半导体可饱和吸收镜 的结构示意图 Pp=1.25MW * * 主动锁模 锁模基本原理 第六章 超短脉冲技术 被动锁模 同步泵浦锁模 锁模新技术与进展 10ps激光与35ns调Q激光加工质量的比较 20ps激光对半导体逻辑器件的加工 100fs激光对熔融石英和不锈钢的加工 100fs激光对聚甲基丙烯酸甲酯的加工 超短脉冲激光的脉宽在ps到fs量级，通过锁模技术产生，是对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，并在激光加工领域有重要应用。 先讨论未经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。对腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，由于模式竞争和环境的扰动，这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。 假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N+1个纵模，激光器输出的光波电场是N+1个纵模电场的和。 在一般情况下，由于环境的扰动和激光器自身的噪声，这N+1个纵模的相位?q之间是无关的，各纵模之间不相干。输出激光强度分布具有噪声特性。某一瞬时的输出光强为： 接收到的光强是在一段比激光周期大得