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1、超短脉冲激光技术报告人：xxx主要内容主要内容l超短脉冲激光及其特点l调Q激光l锁模激光技术l飞秒激光技术超短脉冲激光及其特点什么是超短脉冲激光？什么是超短脉冲激光？一般是指时间宽度小于10(-12)秒的激光脉冲10(-12)秒皮秒；10(-15)秒飞秒；10(-18)秒阿秒一般超短激光脉冲：5飞秒几百飞秒超短脉冲激光的特点超短脉冲激光的特点u时间宽度非常短时间宽度非常短u光谱含量非常丰富光谱含量非常丰富u光脉冲峰值功率高光脉冲峰值功率高中科院物理所TW级飞秒激光装置极光极光号装置号装置脉冲激光器的发展超短脉冲激光的应用超短脉冲激光的应用巨脉冲的产生原理：调Q普通运转激光器中的驰豫振荡泵浦作用
2、下，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数上升长产生激光；随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，然后腔内光子数密度下降。此时泵浦的继续抽运反转粒子数密度重新上升，重复上述过程，输出一系列尖峰脉冲驰豫振荡产生的激光脉冲的特点：l脉冲的峰值功率低l增大抽运能量只会增加小尖峰的个数l脉宽度约为ms量级驰豫振荡示意图调调Q原理原理驰豫振荡脉冲能量低的原因在于每个脉冲总在阈值附近产生要产生高能量脉冲，必须控制腔内损耗，即调节腔内的品质因数Q设法在光泵浦初期将激光器内的振荡阈值调高，从而抑制激光振荡，使工作物质的上能级粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到
3、最大值。此时，突然将器件的阈值调低，那么，积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级，从而获得贬值功率极高的激光脉冲输出。调Q原理调Q示意图电光调Q示意图锁模激光器原理锁模激光器原理腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：自由运转激光器一般都包括很多超过阈值的纵模普通多模激光器的输出特性这些模的振幅及相位都不确定，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。如果激光工作物质的增益曲线内包含2N+1个纵模，激光输出的光波场是2N+1个纵模的和，而平均光强则是各纵模光强之和。锁模激光器的输出特性锁模激光器锁模激光器是指腔内振荡的各纵模间隔相等，并具有确定 的相位关系，激光
4、器的输出是列时间间隔一定的超短脉冲。非锁模和理想锁模激光器的信号结构, (a) 非锁模,（b)理想锁模示波器输出的锁模脉冲序列图要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是使各纵模相邻频率间隔相等，并且相邻纵模位相差为常量。这一点使各纵模相邻频率间隔相等，并且相邻纵模位相差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现的。在单横模的激光器中是能够实现的。2N+1个纵模锁模后的输出：个纵模锁模后的输出：2N+1个振荡的模经过锁相以后，总的光场变为频率为0的调幅波。振幅(t)是一随时间变化的周期函数7个纵模锁定后的输出光强为讨论方
5、便，假定 = 0，则具有如下性质：(1)激光器的输出是间隔为=2L/c的规则脉冲序列(2)每个脉冲的宽度 ，可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉宽。(3)输出脉冲的峰值功率正比于 ，因此，由于锁模，峰值功率增大了2N+1倍。 脉冲宽度与增益曲线宽度的关系Bandwidth vs Pulsewidthnarrow spectrumcontinuous wave (CW)broader spectrumpulses (mode-locked)broadest spectrumshortest pulsesbandwidthDnDndurationDtDtDnDtDnDt = const.锁模的方
6、法锁模的方法1、主动锁模主动锁模是采用周期性调制谐振腔参量的方法。主动锁模是采用周期性调制谐振腔参量的方法。基本原理：在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频基本原理：在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率等于纵模间隔时，率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率等于纵模间隔时，对各个模的调制会产生边频，边频又与两个相邻纵模的频率相一致，由此引对各个模的调制会产生边频，边频又与两个相邻纵模的频率相一致，由此引起模之间的相互作用。若调制的强度足够大，则使所有的振荡模达到同步，起模之间的相互作用。若调制
7、的强度足够大，则使所有的振荡模达到同步，形成周期性的锁模脉冲序列。形成周期性的锁模脉冲序列。2、被动锁模被动锁模是利用可饱和吸收体和腔内光强的变化来实现锁模3、同步泵浦锁模锁模既可以像主动锁模那样通过周期性地调制谐振腔的损耗或光程来实现，也可以通过周期性地调制谐振腔的增益来实现。具体做法：用一台主动锁模激光器的脉冲序列作为种子脉冲去泵浦另一台激光器使其实现锁模。4、自锁模不需要在谐振腔内插入任何调制元件，而是利用工作物质自身的非线性效应来保持各振荡纵模频率的等间隔分布和确定相位关系。如掺钛蓝宝石激光器。被动锁模原理被动锁模原理可饱和吸收体的吸收特性在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布基本上是
8、均匀的，但还有一些起伏。由于染料具有可饱和吸收的特性，弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号则透过率大，损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得到补偿。所以光脉冲每经过染料和工作物质一次。其强弱信号的强度相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大值与极小值之差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地通过，则使脉冲变窄。经过多次往返，经过可饱和吸收体和增益介质的共同作用可以产生一个很短的脉冲 Short time (fs)IntensityRound trips (k)k = 1k = 7弱脉冲被抑制强脉冲被压缩和放大弱脉冲被抑制强脉冲被压缩和放大k = 2k = 3被动锁模过程Z型
9、腔SESAM锁模谐振腔及输出脉冲自锁模激光器某些激光增益工作物质的折射率可表示为：式中，第一项为与光强无关的折射率，第二项为非线性折射率。 在横截面内光强呈高斯分布的激光束通过工作物质时，由于上述效应造成的折射率的横向分布，将产生自聚集效应。自聚焦的焦距和轴线上的光强呈反比。如果来自外界的扰动引起偶然的光脉冲振荡，由于光脉冲中部的光强大于前后沿，脉冲中部经工作物质时形成的自聚焦距小于前后沿，因此当光脉冲每次经过在束腰位置处设置的光阑，前后沿被不断消弱，形成锁模脉冲。非线性克尔效应折射率与光强有关折射率与光强有关: n (I)= n + n2 I时间强度变化导致自相位调制高斯横模导致自聚焦非线性克尔效应飞秒激光谐振腔
