超短激光脈沖鎖模技術概要

1、超短激光脈沖 ——鎖模技術概要,長春新產業(yè)光電技術有限公司內部培訓資料,引言：向更短的光脈沖進發(fā),普通脈沖激光：微秒（μs，10-6s），千瓦（KW） 調Q激光 ：納秒（ns，10-9s）， 兆瓦（MW） 鎖模激光 ：皮秒（ps，10-12s），千兆瓦（TW） 飛秒（fs，10-15s）,短脈沖的意義,高峰值功率

2、---高光強 空間影響（熱擴散，熱畸變） 對過程的影響小 時間影響（瞬時作用，無熱積累） 重疊效應（過程的時間尺度關系）,,超短激光脈沖的應用,飛秒激光微加工（適用于各種類型材

3、料） —噴墨打印機的硅噴嘴 —激光冷燒蝕(ablation)-固體直接氣化而不提高溫度 —金屬表面深度發(fā)黑處理（飛秒激光脈沖使金屬表面改形而形成納米結構） 高精度外科切除，周圍組織的損傷隨脈沖持續(xù)時 間的縮短而減小。眼角膜外科:飛秒激光在角膜中造成泡狀物 典型成功之例LASIK（Laser Assisted In-s

4、itu Koratomi ）—激光原位角膜磨鑲術（準分子激光眼科手術）,超短激光脈沖的應用,非線性光學：二次諧波產生，參量下轉換，光學參量振蕩，太赫茲輻射產生光學數據存儲：3D光學數據存儲（依賴于非線性光化學）高重復率超短脈沖：大容量通信系統，光子開關器件，大規(guī)模集成微處理器的時鐘與超短脈沖相關的寬光譜支持優(yōu)異的空間分辨（無損斷層成像技術）寬帶頻率梳—高精度光頻計量—全光學原子鐘（優(yōu)于銫原子鐘）,鎖模原理,定性描述 鎖模：

5、使激光器產生極短持續(xù)時間光脈沖的技術 （10-12s或10-15s） 基本原理：造成激光諧振腔模式之間固定的位相關系（鎖相或鎖模）這些模式之間的干涉作用使激光器輸出等間距的脈沖列。 干涉作用使腔內的進行光波退縮為非常短的脈沖,激光腔模,圖2：激光器縱膜結構,縱模：駐波形式的分立頻率集合稱為腔的縱 模（諧振腔允許的自在生振蕩頻率）駐波條件：縱模

6、間隔：在簡單激光器中，每個縱模獨立地振蕩，互相沒有固定的位相關系，實質上像一組獨立的激光器，都在發(fā)出頻率略有差別的光。每個光波的位相不固定，隨機變化（材料的熱改變等引起）只有少數幾個振蕩縱模的激光器，縱模之間的干涉可能造成拍頻效應—輸出光強的隨機起伏,激光腔模,縱模數目很大的激光器，這些干涉效應趨于平均—接近不變的輸出強度—連續(xù)運轉激光器 與此相反，如果各模式之間具有固定的位相關系—激光的模式將 呈現周期性地相長干涉—產生強的光

7、脈沖爆（burst）—鎖模或鎖相。 脈沖的時間間隔為每個脈沖的持續(xù)時間由同位相振蕩的模式數目決定，如果N個模式被鎖定，頻率間隔為??，則整個鎖模帶寬為 N?? —該帶寬越寬，脈沖持續(xù)時間越短。,激光腔模,實際脈沖持續(xù)時間由每個脈沖的形狀決定 高斯形狀： 雙曲正割平方形： 其中0.441和0.315為時間帶寬乘積。（不同線 型取值不同）例：He-Ne，光譜寬度1.5GHz，最短高斯脈沖300ps

8、Ti：sapphire，光譜寬度128Thz，最短高斯脈沖3.4fs,理論分析,激光腔中電場的一般描述：當 激光器實現鎖模。 在時域，EM場呈周期重復N個周期的歸一化頻譜：,理論分析,N個周期的歸一化功率譜：,理論分析,時域激光腔中EM波的周期重復：,理論分析,三模同位相,十一模隨機位相,,十一模同位相,,鎖模方法,1966年，梅曼演示世界上第一臺激光器6年之后

9、De Maria.等人做出第一臺鎖模激光器（可飽和吸收體自鎖）主動式鎖模:主動式鎖模通過調制腔損耗或者調制往返相位改變實現鎖模（如圖）,聲光調制器為最常用方法：電信號驅動的正弦調幅（AM）對每個縱模進行調制。如果調制頻率接近縱模間隔 ，則兩個邊帶將非常接近選定縱模的臨界模，邊帶和縱模將在介質中互相競爭最大放大作用。然而最有效地使用增益介質的能量是讓縱模的位相鎖定在邊帶上。這轉而造成在整個光譜分布中的總體鎖相（glob

10、al phase-locking），總體鎖相將給出包含腔內能量的單一振蕩脈沖。,鎖模方法,被動式鎖模在腔內放置可飽和吸收體，引入自調幅可以產生比主動鎖模短得多的脈沖，這是因為當可飽和吸收體 被已經非常短的脈沖驅動時，可以調制腔損耗比任何電子調制器快得多！,鎖模方法,通?？娠柡臀阵w是半導體可飽和吸收鏡（SESAM），它具有光強依賴透射性質：允許高強光透射而吸收低強光，脈沖開始形成在腔內進行并遇到增益介質和可飽和吸收體：可飽和吸收體對前沿

11、強烈吸收，由于吸收體弛豫時間比脈沖持續(xù)時間長，脈沖尾將通過吸收體而不被衰減，當脈沖達到增益介質，前沿被強烈放大而尾部則經歷很小的放大（增益飽和），經過多次振蕩，脈沖變強變窄。（因為起始脈沖的中心不被吸收體影響卻被放大）兩翼則經歷相反過程—前沿被吸收；后沿不放大。,,測量,超短脈沖的表征一直是一項挑戰(zhàn)。多年來可能造成超短脈沖但不能測量。測量包括測能量（或功率），形狀，持續(xù)時間，頻譜等。實驗表明超短脈沖的表征是困難的，用于較長脈沖的光探測器

12、響應速度不能勝任超短脈沖。兩種常用的間接測量技術： FROG-frequency resolved optical gating（頻率分辨光選通） SPIDER-spectral interferometry for direct electric field reconstruction（直接電場重構的光譜干涉量度學）,以上兩種技術使用相關函數：涉及兩個關鍵點：（1）光脈沖一皮秒進行300微米（空氣中）一個容易測

13、量和標定的長度（2）從兩個含時間的函數開始： 和 ，其中一個例如 已知，測量 將直接給出另一個其中 為延時， 為一階相關函數： 要測一個時間事件需要更短的時間事件?！獙τ诔?持續(xù)時間的脈沖，脈沖用于測量它自己！,,測量,展望,超短激光物理領域已存在40多年，可以認為它的產生，操控，測量，和使用已相當成熟，但仍是當今激光研究的前沿。研究新的增益介

14、質，有趣的性質和優(yōu)越的性能 a) 摻鐿晶體如sesquixoides，鎢酸鹽—更高功率的超短脈沖 b) Cr2+：ZnSe（摻鉻錫化鋅）—預期不久產生20fs脈沖鎖模光纖激光器進展神速，將來可能取代體激光器 高平均功率，好的光束質量。目前尚無光纖激光器在700~1100nm取代鈦寶石激光器阿秒物理學剛露出地平線（Attsecond，10-18s）要產生周期小于1fs的脈沖必須使用極紫外

15、（XUV）或X射線波段的波長。阿秒激光的出現將最終使我們看見電子在原子軌道上的動態(tài)行為。（高速攝拍的動作）超短脈沖技術的發(fā)展任重而道遠！,總結,鎖模技術非常重要—超快過程的基礎，技術 難度很大。對鎖模過程的深入理解,精心設計和計算 和精細的實驗調試 。參考文獻：Herman A.Haus: Mode-Locking of Lasers IEEE Journal of selectd Topics in Quantun E