激光原理与技术-超短脉冲技术.ppt

激光原理与技术 超短脉冲技术 §3.1概论 激光技术的一个重要的发展方向就是不断获得更窄脉宽的激光输出。 调Q技术的局限性 采用PTM方式，Δt=2L/c，L为光学腔长。 在技术上不可能实现如此短的调Q腔型。 对于上能级寿命非常短的激光器，因为不能实现上能级粒子数的积累，也达不到调Q效果。 锁模技术突破了调Q技术的限制，利用“同步”相干的受激辐射，实现了超短脉冲输出。 §3.1概论 超短激光脉冲的发展历史 脉冲激光技术自1965 年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来,发展十分迅速. 20 世纪70 年代中出现了对撞锁模环形染料激光器,使激光脉冲的宽度进入飞秒范围. 80 年代中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27 fs. 1986 年,中科院西安光机所的陈国夫在英国进修期间,利用对撞锁模环形染料激光器创造了19 fs 的当时国际最短记录. 1990 年,国际上出现了被动锁模钛宝石飞秒激光器. 钛宝石增益带宽宽,因而调谐范围宽(650～1100 nm) ,适用于产生超短脉冲(理论上可以支持产生3 fs 的脉冲) ,由它构成的飞秒激光器可靠性高、使用方便,掀起了国际上发展飞秒激光技术与应用飞秒脉冲的热潮. 1995 年,钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs ; 1996 年,西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs 的超短激光脉冲 ; 1996 年,毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全固态腔倒空压缩后4. 5 fs 的记录 ; 1998 年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs 的脉冲产生了强白光连续谱,将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔外压缩,得了4 fs 的最佳结果. 这些都是当时的国际最高指标. §3.1概论 超短脉冲特性 高时间分辨率：超短脉冲的脉宽在ps、fs甚至更短，能够作为测量固体物理、化学、生物材料等领域超快物理过程的测量工具。 高空间分辨率：超短光脉冲空间长度是脉冲宽度与光速的乘积，随着光脉宽的缩短，其空间长度也不断缩短，已经达到微米量级，这在显微成象方面有很大用途。 高带宽：光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级，脉宽缩短，则带宽增加。100fs的脉冲宽度其带宽达到了10THz，最短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分可见光光谱区，看起来象白光一样。高带宽在光通信方面非常重要。 高功率激光：激光器输出功率提升意味着体积的增加，也意味着费用的增长，fs技术可以用中等输出能量的激光器产生有极高峰值功率激光输出，目前已达到1015W量级的峰值功率和1020W/cm2的光强。 §3.1概论 超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，为人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的物理条件。 就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒（10的负15次方秒）时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒（10的负18次方秒）时代。 就空间角度而言，空间分辨率已经从微米向纳米发展。 飞秒科学技术的发展已有近20年历史，所有这一切，都对自然科学和人类社会的进步产生重要的影响。 §3.1概论 自由运转多模激光器输出特性 §3.1概论 锁模原理 锁模条件 §3.1概论 等振幅近似下锁模脉冲特性 §3.1概论 等振幅近似下锁模脉冲特性 §3.1概论 §3.1概论 等振幅近似锁模脉冲特性 §3.1概论 高斯分布锁模脉冲特性 §3.2声光驻波场振幅调制主动锁模 §3.2声光驻波场振幅调制主动锁模 频域分析 假设处于增益曲线中心q=0的纵模由于增益最大，首先开始起振，则腔内光电场为 这个光电场受到调制器的调制，调制频率为 ，则被调制的光电场为： 产生了两个边频，如果 ，则两个边频正好是q=±1的相邻两个纵模，而且q=0, ±1三个纵模初始位相相同。 这一过程重复下去，则腔内所有纵模初始位相都相同，达到锁模要求。 电光相位调制主动锁模 主动锁模激光器的结构及其设计要点 调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q激光更加严格，端面的反射率必须控制在最小，各元件的反射端面应切成布儒斯特角，倾斜放置或镀增透膜，反射镜做成锲形。 调制器应尽量放在腔内靠近反射镜处。调制尺寸在通光方向的尺寸应尽量小。 锁模调制器的频率必须非常严格调谐到 或者 （相位调制锁模或振幅调制锁模） 被动锁模激光器 时域分析 线性放大阶段：初始激光脉冲光强的起伏很大，在吸收体染料中，