（光学工程专业论文）克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器前沿技术的研究.pdf

中文摘要 本文从理论和实验两方面详细研究了克尔透镜飞秒掺钛蓝宝石激光器的运 转特性。利用线性和非线性a b c d 矩阵以及小信号光斑变化量等参数对克尔透 镜锁模激光器的启动特性，以及s e s a m 的负克尔效应对激光器锁模启动的影响 进行了详细的理论分析；并对直接从钛宝石飞秒激光器产生超连续光谱进行了系 统的实验研究。主要包括以下内容： 1 基于s e s a m 的负克尔效应特性，对含s e s a m 的五镜腔激光器进行了理论 分析。结果表明，s e s a m 的引入可以使激光器的锁模启动工作点更加靠近 c w 运转的稳区边缘，从而获得更强的非线性，使激光器更容易自启动。因 此，s e s a m 除了其量子阱材料的可饱和吸收效应能启动锁模外，本身的负 克尔效应也有助于锁模的自启动。 2 从钛宝石激光器的克尔透镜锁模原理出发，基于晶体内激光和泵浦激光耦合 情况随腔内功率变化这一事实，给出了克尔透镜锁模过程中类可饱和吸收体 的表达式；并利用类可饱和吸收体实现被动锁模的自启动条件，给出了用小 信号光斑变化量表示的克尔透镜锁模启动条件。 3 利用克尔透镜锁模自启动条件，对常用的四镜腔激光器的启动特性进行了系 统分析。结果表明，当四镜腔激光器两臂长度相等时可以获得最大的非线性。 同时，可以通过改变激光器相等两臂的长度和聚焦透镜的焦距对激光器进行 优化，进而提高谐振腔的有效非线性。 4 提出一种易启动和高稳定的克尔透镜锁模激光器新型谐振腔，即在谐振腔的 一臂引入一个具有大曲率半径的球面反射镜。此新型腔结构的有效非线性变 量可以得到大幅度的增加，自启动锁模的稳区调节面积也大大增加。 5 ，直接从运转在自调q 自锁模状态下的钛宝石激光器获得超连续光谱输出，光 谱范围覆盖一个倍频程( 4 6 0 n m 1 1 0 0 n m ) ，首次实现钛宝石飞秒激光器的输 出光谱在短波方向突破5 0 0 r i m 。 关键词：钛宝石激光器克尔透镜锁模自启动超宽光谱 a b s t r a c t t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fk e r rl e n sm o d el o c k e dt i ：s a p p h i r el a s e r si s t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e di nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es e l f - s t a r t i n g o fk e r rl e n sm o d el o c k e dl a s e r sa n dt h ee f f e c to fs e s a m sn e g a t i v ek e r re f f e c to n t h es t a r t i n gp r o c e s so ft h el a s e r si st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e db yl i n e a ra n dn o n l i n e a r a b c dm a t r i xl a wa n dt h es m a l ls i g n a l s p o t s i z ev a r i a t i o n s u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o nf r o maf e m t o s e c o n dt i ：s a p p h i r eo s c i l l a t o ri se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d t h er e s u l t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h ef i v e m i r r o rl a s e rc a v i t yc o n t a i n i n gas e s a mw i t hn e g a t i v ek e r re f f e c ti s t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e df o rt h ef i r s tt i m e i ts h o w st h a t ，c o m p a r e dw i t ht h ec a v i t y w i t h o u tas e s a m ，t h eu ps t a b l er a n g eo ft h er e s o n a t o re x p a n d so b v i o u s l ya f t e r t h ei n t r o d u c t i o no fs e s a m t l i si n d i c a t e st h a tt h e o p e r a t i n gp o i m f o r s e l f - s t a r t i n gc a r lb ec l o s e rt ot h ee d g eo ft h e s t a b l er a n g eo ft h ec ws t a t e ，a n d t h e ng e th i g h e rn o n l i n e a re f f e c t t h e s er e v e a lt h a tt h en e g a t i v ek e r re f f e c to ft h e s e s a mc a l lc o n t r i b u t et ot h es e i f - s t a r t i n go fm o d e l o c k e dl a s e r sb e s i d e st h e s a t u r a b l ea b s o r p t i o nm e c h a n i s m 2 b a s eo nt h ep r i n c i p l eo f k e r rl e n sm o d el o c k i n ga n dt h ef a c tt h a tt h ec o u p l i n g b e t w e e nt h el a s e ra n dp u m pi nt h ec r y s t a lv a r i e sw i t ht h ep o w e r ，t h ea b s o r b e r - l i k e e q u a t i o ni sd e r i v e d t h es e l f - s t a r t i n gc o n d i t i o ne x p r e s s e db yt h es m a l ls i g n a ls p o t s i z ev a r i a t i o ni sd e m o n s t r a t e d , a c c o r d i n gt ot h ep a s s i v ea b s o r b e r - l i k es e l f - s t a r t i n g c o n d i t i o n 3 t h e s t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da c c o r d i n g t ot h e s e l f - s t a r t i n gc o n d i t i o no fk e r rl e n sm o d el o c k i n g 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t t h e s y m m e t r i c a lr e s o n a t o rc a no b t a i nt h eh i g h e s te f f e c t i v en o n l i n e a r i t y a n dt h e e f f e c t i v en o n l i n e a r i t yc a nb ei m p r o v e db ya d j u s t i n gt h er e s o n a t o r sa r n ll e n g t ho r t h er a d i u sc u r v a t u r eo f t h ec a v i t ym i r r o r 4 an e wk e r r - l e n sm o d e - l o c k e dr e s o n a t o rt h a ti s e a s i l ys e l f - s t a r t i n ga n dh i g h l y s t a b l ei sp r e s e n t e d i ti st h e o r e t i c a l l yd e m o n s t r a t e dt h a tt h ee f f e c t i v en o n l i n e a r i t y i n c r e a s e sd r a m a t i c a l l ya f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fas p h e r i c a lm i r r o rw i t hl a r g e r a d i u sc u r v a t u r et oo n ea r n lo f t h eu s u a l l yu s e df o u r - m i r r o rc a v i t y t h i sw i l lm a k e t h em o d el o c k i n go f t h el a s e r se a s i e ra n dm o r es t a b l e 5 a no c t a v e - s p a n n i n gc o n t i n u u mr a n g i n gf r o m4 6 0 n mt o1 0 0 0 m nf r o mas e l f - q s w i t c h i n ga n ds e l f - m o d e - l o c k e dt i ：s a p p h i r eo s c i l l a t o ri sd e m o n s t r a t e d t oo u r k n o w l e d g e ，i ti st h ef i r s tt i m et h a tas u p e r c o n t i n u u ma saw h o l em e a s u r e da f t e r t h eo u t p u tc o u p l e re x t e n d i n gb e y o n d5 0 0 n mi nt h eb l u ee n di sg e n e r a t e df r o ma f e m t o s e c o n dt i ：s a p p h i r eo s c i l l a t o r k e yw o r d s ：t i ：s a p p h i r el a s e r , k e r rl e n sm o d e l o c k i n g ，s e l f - s t a r t i n g ， u l t r a ：b r o a d b a n ds p e c t r u m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 形瘩 签字日期：0 扩矿年月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 砂专 导师签名： 签字日期：歹砂年名月衫日 现伽 签字日期：山。 年舌月哕日 第一章绪论 第一章绪论 人类对自然界动态过程的研究最终受限于能够产生和可控的最短观测时间 或者最短的可控事件。科学研究的目的就是不断创造和改进人类认识世界和改造 世界的工具和手段。 自二十世纪六十年代，激光器首次实现锁模产生小于谐振腔往返一周所需时 间的皮秒( p s ，1 0 。1 2 s ) 量级光学相干脉冲以来【l 】，超短脉冲在物理，化学，生物， 医学，工程技术等领域中发挥着越来越广泛的作用。超短脉冲激光器在这些领域 中日益扩大的应用进一步激励着自身不断向前发展。到目前为止，直接从激光器 产生飞秒( f s ，1 0 0 5 s ) 量级的超短脉冲已短至两个光学周期( o p t i c a l c y c l e ) 【2 】。 随着激光技术的不断发展，这一时间尺度还在继续缩短。 本章对具有极窄脉冲宽度，极高峰值功率，极宽光谱三个特性的飞秒激光进 行了概述；阐述了飞秒激光发展所经历的三个历史阶段；对克尔透镜锁模钛宝石 激光器的分类和发展进行重点介绍；最后给出本论文的主要研究内容及其创新 点。 1 1 飞秒激光概述 飞秒激光器的诞生使人类观察物质世界的时间尺度缩小到了1 0 。5 量级，这种 时域上持续时间极短的脉冲使得人类对原子和分子的运动状态的测量以及化学 反应动力学过程的观测成为可能。 美国科学家a h m e dh z e w a i l 正是凭借超短激光技术观看到分子中的原子在 化学反应中如何运动而获得1 9 9 9 年度诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院的评语是 “以往人们是看不见原子和分子的化学反应过程的，现在则可以通过z e w a i l 教授 在8 0 年代末开创的飞秒化学技术来研究单个原子的运动过程；而且这一成果犹如 电视节目通过慢动作来观看足球赛精彩镜头那样，让人们通过“慢动作”观察处于 化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程 的认识，将给化学以及相关科学领域带来一场革命”p j 。 飞秒激光技术正是由于成为人类认识微观世界的重要工具而越来越受到人 们的关注。 第一章绪论 时域上持续时间极短决定了飞秒激光具有极高的峰值功率。由于飞秒激光脉 冲有极窄的脉冲宽度，因此在很低的平均功率下就可以获得极高的峰值功率。例 如，对于一般的飞秒激光振荡器来说，脉冲宽度1 0 f s 、平均功率5 0 0 r o w 、重复频 率1 0 0 m h z ，则单脉冲能量为5 n j ，峰值功率达n o 5 m w ( 1 0 6 w ) 。这一兆瓦量级 的峰值功率已远远超过了许多非线性光学过程的阈值，非常适合非线性光学的研 究，因此极大促进了超快非线性光学的迅速发展。若飞秒脉冲经过激光放大系统， 单脉冲能量达到毫焦耳甚至焦耳量级，其峰值功率就可以达n t w ( 1 0 ”w ) 甚 至p w ( 1 0 1 5 w ) 量级。这样的光束经过聚焦后，峰值功率密度可以达n 1 0 2 1 w c n a 2 以上，光压达到l 1 0 垃巴，电场强度在t v c m 量级，比氢原子束缚其核外电 子的库伦场要强上百倍。在这种极端电磁场作用下，电子的振动能可达1 0 m e v 。 这种超强激光与固体、气体、等离子体以及团簇等相互作用时，可以获得高达1 0 9 的高斯磁场以及1 0 2 1 9 的加速度阁。如此极端物理条件是地球上月其他的方法所 不可能达到的，因此超强飞秒激光甚至可以为人类对天体物理的研究创造出极端 实验条件，为人类进一步了解宇宙打下坚实基础。 持续时间极短只是飞秒激光最直接和明显的特征，飞秒激光的其他特征同样 令人激动。 宽光谱相干特性是飞秒激光的另一个显著特征。由傅立叶变换理论可知，持 续时间极短的飞秒脉冲，与之相对应的频谱宽度应该保持在1 0 0 t h z ( 1 0 1 2 h z ) 量 级。飞秒激光的光谱是由频率间隔等于激光器重复频率且位相锁定的无数个振荡 激光模式组成。这就好比是一把梳子，因此又称之为光学频率梳【f ”。如果频率 梳的各个频率成分可以确定，那么利用这一频率梳进行频率测量就如同用米尺测 量距离一样简单可靠。而光学频率标准的测量是人类最终实现光学原子钟 8 1 的关 键步骤。基于光学频率标准建立的光学原子钟在精度上也会比现有的基于微波频 率标准建立的铯原子钟高几个数量级【8 捌。而所有这一切都是以一个相干的超宽 光谱做为基础。近几年来，相继有研究小组报道，直接从激光器输出超连续光谱 t l o - 1 7 ，这不仅大大简化了频率测量的实验装置，同时也为实验稳定性的提高提供 了可能。 总之，飞秒激光凭借其自身的典型特性已成为人类认识和改造客观世界的有 力工具，而飞秒激光的研究与发展本身也是认识客观世界的一部分。因此，将飞 秒激光研究向更深方向推进，将飞秒激光应用向更广方向拓展具有极其重要的现 实意义。 第一章绪论 1 2 飞秒激光器发展历史 任何事物的成熟与发展都是一个漫长而曲折的过程，飞秒激光也不例外。飞 秒激光发展至今，大致主要经历了三个阶段，即飞秒染料激光器时代、飞秒固体 激光器时代以及超强飞秒激光器时代。 1 2 1 飞秒染料激光器时代 人类第一次使激光脉冲的宽度真正进入飞秒量级，是在1 9 8 1 年。当时美国贝 尔实验室的f o r k 及其合作者以被动锁模原理在染料激光器中首次获得了飞秒激 光脉冲，成功地研制出了碰撞锁模( c o l l i d i n gp u l s em o d e l o c k i n g ，简称c p m ) 染料激光器，使得输出激光脉冲宽度第一次进入了飞秒量裂。从此激光技术发 展开始步入飞秒激光阶段。到t 9 8 5 年，他们在染料激光器中获得了2 7 f s 的超短 脉冲【1 9 1 。随后在1 9 8 7 年，他们在腔外利用单模石英光纤的自相位调制( s e l f p h a s em o d u l a t i o n ，简称s p m ) 将飞秒激光在频域上展宽，然后采用光栅对结合 棱镜对补偿色散的方法将频谱展宽后的脉冲进行时域压缩，最终获得了短至6 f s 的脉冲输出【2 0 】。这是当时可以获得的最短脉冲宽度。 在这一历史阶段，固体激光器所采用的增益介质一般为n d ：y a g 、n d ：g l a s s 等【2 1 ，2 2 】，它们的荧光光谱较窄，而且热传导性较差，这就决定了当时飞秒激光的 产生仅仅停留在碰撞锁模的染料激光器上。而染料激光器中染料介质要求溶解在 有机溶剂中，具有流动性，并且大部分染料还具有毒性。因此染料激光器不利于 现实的应用和商业的发展。这在一定程度上限制了激光器向小型化和实用化方向 的发展。 1 2 2 飞秒固体激光器时代 激光器从染料激光器过渡到固态激光器还要感谢于2 0 世纪8 0 年代末期晶体 生长技术的迅速发展和日趋成熟。它使得一大批荧光带宽宽，热传导性能好的固 体增益介质材料得以出现；其中以掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 最具代表性。它 具有热传导性能好、硬度大、吸收光谱宽( 4 0 0 n n m - - 6 0 0 n m ) 、荧光光谱宽( 6 6 0 h m l l o o n m ) 、上自级寿命长( 3 2 p s ) 及光学均匀性好等许多优点【2 3 埘】。此后，固 体飞秒激光器才开始逐渐取代染料激光器，成为激光技术发展的重要方向。典型 的历史事件是1 9 9 1 年英国人d e s p e n c e 等人利用氩离子激光器全线泵浦，将s f l 4 棱镜对插入激光腔补偿钛宝石晶体的材料色散，依赖钛宝石晶体的克尔效应，获 得了6 0 f s 的激光脉冲，首次成功地研制出了以掺钛蓝宝石为增益介质的飞秒激光 器 2 7 1 。它的问世标志着固体飞秒激光器进入了一个新的发展阶段。 第一章绪论 由于掺钛蓝宝石晶体增益带宽达到2 3 0 n m ，因此在产生极短飞秒脉冲方面具 有极大潜力，其理论上可以支持脉冲宽度可达3 f s 。钛宝石晶体这一独具优势的 特点使得各国研究者竞相研究，以求通过钛宝石晶体来获得更短的飞秒脉冲。自 1 9 9 1 年钛宝石激光器第一次实现锁模并获得6 0 r s 激光脉冲输出以后的十年时间 内，直接从钛宝石锁模激光器腔内输出的脉冲宽度越来越窄，并于2 0 0 1 年达到短 至5f s 的输出猢。 1 2 3 超强飞秒激光器时代 直接从飞秒钛宝石激光器输出的单脉冲能量一般为纳焦耳( 1 1 j ，1 0 - 9 j ) 量级， 峰值功率也仅仅维持在m w ( 1 0 6 w ) 量级，若经过激光放大器，其能量可达毫 焦甚至更高，同时峰值功率也高达太瓦( t w ，1 0 1 2 w ) ，乃至拍瓦( p w ，1 0 ”w ) 量级。 目前，激光放大常用的技术手段为啁瞅脉冲放大( c h i r p e d p u l s e a m p l i f i c a t i o n c p a ) 技术。它的基本原理为，先将从振荡器输出的f 量级激光脉冲在时域展宽 到p s 甚至n s 量级，然后进入放大器进行放大，抽取足够能量后经过色散补偿机制 对脉冲在时域进行压缩，恢复到原来的f s 量级，从而得到峰值功率极高的飞秒脉 冲输出。 啁啾脉冲放大技术1 9 8 5 年由美国密歇根大学( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ) 的 研究员d s t r i c k l a n d 和g m o u r o u 首先将雷达中的相关技术引入光学领域，并应用 于激光放大系统中；它克服了飞秒脉冲放大过程中的各种不利因素，有效地解决 了飞秒激光放大系统中过高的峰值功率问题，为产生高峰值功率的超短脉冲带来 了革命性的突破【2 研。 随着啁啾脉冲放大技术的不断发展，以及高破坏阈值和高储能增益介质的不 断涌现，放大器输出脉冲的峰值功率也不断提高，目前放大器的水平已普遍达到 太瓦量级，而由钛宝石和掺n d 的增益介质相结合的放大器，其峰值功率已经超 过太瓦【2 9 4 2 】，达到拍瓦量级【3 3 捌。 飞秒激光极高的峰值功率是强场物理实验研究的有力工具，并在高次谐波产 生、激光核聚变快点火、粒子加速、等离子体物理、化学反应相干控制、频率测 量等方面获得广泛应用d 5 j 。 1 3 克尔透镜锁模飞秒钛宝石激光器发展 与染料激光器相比，固体激光器不仅具有较宽的调谐范围，而且结构简单， 光束质量高，运行可靠，易于小型化、实用化等优点。 第一章绪论 除钛宝石晶体之外，其他晶体如c r ：l i s a f d 6 1 、c r ：f o r s t e r i t r 阿、c r ：y a g 0 8 】、 等固体激光介质也相继实现自锁模运转，并得到稳定的飞秒激光脉冲。但在这些 晶体中，掺钛蓝宝石还是以其优异的物理性质而受到青睐，并形成了现代飞秒固 体激光器发展的主流。 1 9 8 2 年，麻省理工学院( m i t ) 林肯实验室的p e t e rfm o u l t o n 等首次实现了 以钛宝石作为工作介质的激光器网。由于钛宝石晶体的吸收带宽很宽( 4 5 0 n m 6 0 0r i m ) ，以4 9 0 n m 处为其吸收峰值。鉴于此，染料激光器、倍频n d ：y a g 激光器、 a r + 激光器、以及现在的半导体泵浦的倍频n d ：y v o a 激光器等都可以作为钛宝石 激光器的泵浦源。激光泵浦源的多样性选择使钛宝石激光器在短时间内得到了飞 速发展。 在钛宝石激光器发展的初期，人们采用诸如同步泵浦锁模m 1 、声光锬模h 1 捌、 被动锁模m , 4 4 1 、耦合腔锁模h 5 4 研、碰撞脉冲锁模【4 9 】、种子注入锁模5 等方法都 可以获得稳定的飞秒量级脉冲输出。 而将超短脉冲激光器带入新纪元的是克尔透镜锁模技术的出现。 克尔透镜锁模( k e r rl e n sm o d e l o c k i n g ，k l m ) ，最初是由英国s t a n d r e w s 大学的d e s p e n c e 等人于1 9 9 1 年报道【2 ”。当时，由于对克尔透镜锁模的机理尚 不清楚，故一度将这种锁模方式称为自锁模。由于在克尔透镜锁模的激光腔内， 除了激光介质以外，没有其他任何调制元件，因此结构十分简单。自锁模产生飞 秒超短激光脉冲的原因通常被认为是由光的克尔效应造成的，因此又称之为克尔 透镜锁模 5 1 1 。 极窄的脉冲宽度只是飞秒激光器的标志性特征，也是飞秒激光器的首要评价 参数，但这并不是唯一标准。根据飞秒脉冲应用领域的不同，除脉冲时域宽度外， 还可以从光谱宽度，单脉冲能量等方面对超短脉冲激光器进行评价。下面将分别 介绍飞秒激光器在这几个方面的发展情况。 1 3 1 窄脉冲钛宝石飞秒激光器 对超快过程的研究需要比其过程持续时间更短的飞秒脉冲，在某些领域甚至 需要只有几个f 的脉冲。这一需求在一定程度上激励着飞秒激光科技工作者在窄 脉冲时域宽度上打破一个又一个记录。 1 9 9 1 年，d s p e n e e 等人首次实现钛宝石激光器锁模运转，输出6 0 f s 的激光脉 冲口 】。随后的两年中，经过缩短钛宝石晶体的长度和采用低折射率材料色散补偿 棱镜，实现t 4 , 于2 0 f s 的激光脉冲【5 2 ”j 。1 9 9 3 年m t a s a k i 等人从钛宝石激光 器直接获得了l o 9 f s 的激光脉冲驯，这一进步为直接从振荡级产生小于1 0 f s 脉冲 带来了希望唧铘】。1 9 9 4 年j p z h o u 等人采用2 m m 钛宝石晶体和双石英棱镜对补 第一章绪论 偿色散获得了8 5 f s 的激光脉冲【5 引。1 9 9 5 年a ，s t i n g t 等人利用啁瞅介质反射镜 ( c h i r p e dm i r r o r ) 作为钛宝石激光器的腔镜来补偿色散，获得了8 f s 的脉冲输出 1 5 9 1 。1 9 9 7 年i d j u n g 等人采用啁啾镜结合棱镜对补偿色散的方法，获得了6 5 f s 的脉冲输出。1 9 9 9 年，u m o r g n e r 和d h s u a e r 等同时报道产生两个光学周期 ( 8 0 0 r i m 处一个光学周期为2 ，6 7 f s ) 的超短脉冲1 6 1 , 6 2 。 2 0 0 1 年1 le l l 等人通过在谐振腔内引入额外非线性玻璃来增加脉冲经历的自 相位调制以展宽光谱，并利用超宽带色散补偿啁啾镜和熔石英棱镜对结合补偿色 散，直接从振荡器获得了短至5 f s 的脉冲输出。这是目前钛宝石振荡器直接产生 的最短脉冲吲。 从振荡器获得短脉冲的发展进程来看，要实现极窄脉冲( 小于两个光学周期) 输出，必须具备两个因素，即极强的自相位调制机制以充分展宽光谱，极好的色 散补偿机制以控制腔内脉冲宽度。脉冲宽度越小，受色散影响越明显。而设计并 制造能够在一个倍频程范围内均可以获得色散补偿的啁啾镜也并非易事。这也是 r e l l 等人所创造的飞秒脉宽世界记录保持到现在的重要原因。 1 3 2 超宽光谱钛宝石飞秒激光器 由傅立叶变换理论可知，短的时间尺度对应着宽的频域尺度，因此极窄的飞 秒脉冲对应着极宽的频谱宽度。随着宽光谱飞秒激光器在光学相干层析术 ( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) l 、光学频率测量【5 - 7 】等研究领域应用的 日益广泛，直接从激光器输出超宽光谱也是飞秒工作者的一个追求目标。 j p l i k f o r m a n 等人于1 9 9 8 年首次发现棱镜对补偿色散的飞秒钛宝石激光器 腔内产生连续谱的现象，光谱范围从5 6 0 n m 到1 0 0 0 n m ，但光谱并没有超过一个倍 频程，而且激光器运转在自调q 自锁模状态【1 0 1 。2 0 0 1 年e l l 等人在腔内加入非 线性介质b k 7 玻璃以增强腔内的自相位调制效应从而得到了超过一个倍频程的 光谱输出，光谱范围覆盖了从6 0 0 n m 至0 1 2 0 0 n m t l 2 1 。2 0 0 2 年b a r t e l sa 等人利用环形 腔钛宝石激光器，通过将其中一个平面镜改为凸面镜增加脉冲在腔内的自振幅调 制( s e l f - - a m p l i t u d em o d u l a t i o l l ，s a m ) 作用，也获得了一个倍频程的超连续光 谱( 5 6 0 n m 1 1 5 0 r i m ) 1 1 4 。2 0 0 3 年t m f o r t i e r 等人同样利用钛宝石的自相位调 制作用直接从啁啾镜和棱镜对补偿色散的激光器中得到了超过一个倍频程 ( 5 7 0 n m 1 2 8 0 r i m ) 的光谱输出“埘。2 0 0 4 年l m a t o s 等人依靠全啁啾镜补偿色散， 也直接从钛宝石激光器中获得了超过一个倍频程( 6 0 0 n m 1 2 5 0 r i m ) 的超宽光谱 【1 6 】。 从超宽光谱飞秒钛宝石激光器的发展来看，直接从稳定的克尔透镜锁模激光 器产生超连续光谱的方案是可行的。但直接从激光器产生超连续光谱还不是一种 第一章绪论 普遍现象，其产生机理尚不明了，因此超宽光谱激光器仍是目前的研究重点。 1 3 3 高单脉冲能量钛宝石飞秒激光器 钛宝石激光器锁模利用的是钛宝石晶体自身的非线性效应，但并不是任何水 平的峰值功率都可以实现锁模，其最高峰值功率受到自陷功率( s e l f - t r a p p i n g p o w e r ) 的限制，因此直接从钛宝石激光器输出的单脉冲能量也不会很高，一般 小于1 0 个纳焦耳( r d ，1 0 勺) 。对于一些需要单脉冲能量在几十个纳焦耳的应用 领域来说，仅仅依靠钛宝石激光振荡级的输出能量显然不能得到满足。长期以来， 为了直接从振荡器中获得更高的单脉冲能量，人们大多是利用腔倒空原理来实现 高能量飞秒脉冲的输出。 1 9 9 3 年，m r a m a s w a m y 等人在飞秒钛宝石激光器中首次采用了腔倒空技术， 获得了1 0 0 n j 的单脉冲能量输出，但其脉冲宽度较宽为5 0 f s t 6 3 1 。1 9 9 4 年，m a x i ms p s h e n i e h n i k o v 等人采用腔倒空技术，在钛宝石激光器中实现1 0 f s 的脉冲输出，单 脉冲能量为6 0 n j r v q 。1 9 9 6 年，g n g i b s o n 等人从腔倒空钛宝石激光器中获得了脉 宽小于2 0 f s ，单脉冲能量高达2 0 0 n j 的飞秒脉冲【6 5 】。2 0 0 n j 的单脉冲能量对于非线 性研究以及最近新兴的飞秒微加工已经足够用。但采用腔倒空技术的激光器相对 于普通激光器来说还是比较复杂，而且倒空后的的锁模启动问题直接影响腔倒空 激光器的运转性能，因此腔倒空技术不能成为高能量脉冲激光器发展的主流方 向。 对于脉冲激光器来说，激光器输出的平均功率为激光器自身重复频率与激光 器输出单脉冲能量的乘积。因此对于给定的平均功率，激光器重复频率与单脉冲 能量成反比，即激光器的重复频率越低，单脉冲能量就越大。这也为提高激光器 的单脉冲能量输出提供了思路：通过降低重复频率来提高单脉冲能量。降低重复 频率等效于增加脉冲在谐振腔内的渡越时间，最常用的方法就是在激光器的一臂 引入一个经过精心设计的多通长腔系统，这样可以在降低谐振腔的重复频率1 6 6 】 的同时，又不影响激光器的运转性能。 1 9 9 9 年，j g f u j i m o t o 等人首次实现多通长腔的钛宝石激光器，但其输出的 单脉冲能量并不高，只有1 i n j 左右【6 。”。在随后的2 0 0 1 年和2 0 0 3 年，他们同样采用 多通长腔技术，分别实现了单脉冲能量为9 0 n j 和1 5 0 n j 的飞秒脉冲输出【酣一。由 于重复频率的降低和单脉冲能量的提高是互相关联的，因此腔内单脉冲能量过高 同样会使钛宝石激光器不能工作在稳定的锁模状态。也就是说，这一类型的飞秒 激光器不能通过无限制提高泵浦功率而得到更高的能量输出。 2 0 0 4 年f k r a u s z 实验小组报道了单脉冲能量高达2 2 0 r d 的飞秒激光器【7 0 】。虽 然他们同样采用了多通长腔结构，但是在色散补偿方面与f u j i m o t o 等人显著不 第一章绪论 同。f u j i l n o t o 等人在实验中采用传统方法，即使腔内总色散量为负，且色散尽 量小；而k r a u s z 等人的思想则恰恰相反，他们不但使激光器工作在正色散区域， 而且在谐振腔内加入距离很近的石英棱镜对以引入更大的正色散。这样，脉冲在 经过增益介质的时候总是呈现正啁啾，脉冲宽度较宽，相应峰值功率较低，从而 可以提升激光器锁模的功率水平，同时也提高输出的单脉冲能量。 f k r a u s z 等人所实施的锁模方案与光纤激光器中的锁模新概念自相似 锁模【7 l 】不谋而合。相关报道指出，只要在一定程度上增大谐振腔内的色散，就有 可能在激光器内实现自相似锁模，并且输出功率可以连续提高，甚至有可能产生 单脉冲能量在量级的飞秒脉冲。这种技术一旦成熟，就可以在一定程度上取代 目前的放大系统，大大降低量级激光器的成本【7 2 】。因此，高能量钛宝石激光器 是一个极具潜力的发展方向。 1 4 选题意义、论文内容及其工作创新 克尔透镜锁模钛宝石飞秒激光器发展至今，经过无数研究者的共同努力，其 输出脉冲宽度已短至5 f s ；直接从激光器产生的光谱也可以覆盖到一个倍频程的 宽度；直接从振荡器输出的单脉冲能量已达到几百个纳焦耳量级。 但是，与克尔透镜锁模激光器相关的一些技术问题，诸如实现克尔透镜锁模 的自启动及长时间稳定工作，保证钛宝石激光器输出脉冲的重复性，以及直接从 激光器产生超连续光谱的工作机理等仍是研究重点。 本文正是围绕克尔透镜锁模激光器的自启动问题和直接从钛宝石激光器产 生超连续光谱两方面展开理论和实验研究，论文主要内容如下： 1 利用非线性a b c d 传输矩阵分析了克尔透镜锁模激光器支持脉冲运转 的稳定区域；同时还基于连续光稳区，利用小信号光斑变化量对谐振 腔的锁模特性进行分析：可以实现克尔透镜锁模的参数位置为两个分 裂稳区的内侧边缘。 2 基于半导体可饱和吸收镜( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r ， s e s 舢订) 具有负的克尔效应这一特性，对含s e s a m 的五镜腔激光器进 行了理论分析。分析发现，在上稳区( 对应弯曲稳区) 部分，由于s e s a m 的引入，使得激光器在锁模运转状态下( 考虑其非线性) 稳区在内边 缘相比于没有s e s a m 的情况有明显的扩展，这样可以使激光器锁模启 动的工作点更加靠近c w 运转稳区的边缘，从而获得更强的非线性，使 激光器的自启动更容易。这说明，s e s a m 除了其量子阱材料的可饱和 吸收效应能启动锁模外，它本身的负克尔效应也有助于锁模的自启动。 第一章绪论 3 从钛宝石激光器的克尔透镜锁模原理出发，利用晶体内激光和泵浦激 光耦合情况随腔内功率改变这一事实，给出了其锁模过程的类可饱和 吸收体表达式；最后利用类可饱和吸收体实现被动锁模的自启动条件， 得出了用小信号光斑变化量表示的克尔透镜锁模启动条件。 4 利用推导出的克尔透镜锁模自启动条件，对常用四镜腔激光器的启动 特性进行了系统的分析。发现谐振腔两臂相等的情况可以获得最大的 非线性。同时，改变激光器相等两臂的长度和聚焦透镜的焦距可以对 激光器进行优化，进一步提高谐振腔的有效非线性。在此基础上，提 出一种易启动和高稳定的克尔透镜锁模激光器新型谐振腔，它是在谐 振腔的一臂引入一个具有大曲率半径的球面反射镜。计算发现，此新 型腔结构于原来的四镜腔相比，其有效非线性变量可以得到大幅度的 增加，同时实验中可以实现自启动锁模的稳区调节范围也大大增加。 5 直接从运转在自调q 自锁模状态的克尔透镜锁模钛宝石激光器获得超 连续光谱的输出，光谱范围4 6 0 h m - 1 1 0 0 n m ，为首次实现钛宝石飞秒激 光器的输出光谱在短波方向突破5 0 0 n m 。通过对超宽光谱的产生机理 的一系列实验研究，本实验中超连续光谱的产生过程为：腔内激光脉 冲经过棱镜对一臂进行色散调整后，脉冲宽度在钛宝石晶体端面处达 到最窄，其峰值功率密度也达到最强，从而极大地激发了钛宝石的克 尔非线性，其在时域引发的自相位调制效应将光谱初步展宽至 7 0 0 n m 9 0 0 n m 范围：同时，在钛宝石晶体内部的传输过程中，此光谱 范围内的光谱成分之间进一步通过其他非线性过程( 如四波混频等) 进一步将光谱展宽至蓝绿光波段。 本文的主要创新如下： 1 通过对含s e s a m 的钛宝石五镜腔激光器的理论分析，发现，除了 s e s a m 结构中量子阱材料的可饱和吸收效应能启动锁模外，它本身的 负克尔效应也有助于锁模的自启动。 2 从钛宝石激光器的克尔透镜锁模原理出发，结合锁模过程的类可饱和 吸收体表达式；推导出用小信号光斑变化量表示的克尔透镜锁模自启 动条件。 3 提出一种易启动和高稳定的克尔透镜锁模激光器新型谐振腔，它是在 谐振腔的一臂引入一个具有大曲率半径的球面反射镜。此新型腔结构 与普通的四镜腔相比，其有效非线性变量可以得到大幅度的增加，同 时实验中可以实现自启动锁模的稳区调节范围也大大增加。 4 直接从运转在自调q 自锁模状态的克尔透镜锁模钛宝石激光器获得超 第一章绪论 连续光谱的输出，光谱范围4 6 0 n m - l l o o n m ，为首次实现钛宝石飞秒激 光器的输出光谱在短波方向突破5 0 0 h m 并通过实验研究发现，本实 验中超连续光谱的产生除了脉冲在钛宝石经历的自相位调制作用外， 其他非线性过程( 如四波混频等) 进一步使光谱在短波方向延伸至蓝 绿光波段。 第二章克尔透镜锁模激光器 第二章克尔透镜锁模激光器 二十世纪六十年代，激光器的诞生极大地激发了人们对光物理领域的研究兴 趣，同时也衍生出一系列新的研究领域。超快光学作为其中的优秀代表，始于二 十世纪六十年代中期激光器首次锁模的实现。超短脉冲是研究超快光学的重要工 具之一；依靠锁模，超短脉冲的时域宽度已达到飞秒量级。而实现激光器飞秒量 级输出的主要技术手段是“克尔透镜锁模”技术。其中以掺钛蓝宝石飞秒激光器 最具代表性。 本章以钛宝石激光器为例对克尔透镜锁模激光器的脉冲压缩机制、色散补偿 机制及谐振腔设计给予介绍。 2 1 掺钛蓝宝石晶体的性质 掺钛蓝宝石晶体是掺有三价钛离子的氧化铝单轴晶体，其化学表达式为西3 + ： q - a 1 2 0 3 ，属六角晶系。由于t i 3 + 离子的能级具有多重简并，t i 3 + 离子电子能级 与周围蓝宝石晶格振动能级之间的耦合使得基态和激发能级展开形成很宽的能 带，因此t i 3 + 的吸收跃迁谱带和荧光谱带都很宽，其吸收和发射谱如图2 - 1 所示。 0 , 1 5 0 m 7 00 1 1 0 0 , 9 01 , 0 0 1 1 0 蚍嘏e 惦孙l p _ 图2 - 1 掺钛蓝宝石的吸收和发射谱线 从图2 - 1 可以看出，钛宝石晶体的主吸收峰在4 8 8 n m ，属于蓝绿光波段，吸 ，_0尊tg矗mi*日矗o 第二章克尔透镜锁模激光器 收谱带从4 0 0 n m 到6 0 0 n m ；而其增益峰值在7 9 5 n m 附近，增益波段范围从6 5 0 n m 到1 2 0 0 n m ，半极大宽度为2 2 0 n m 左右，理论上可以支持3 f s 的超短脉冲。图2 1 还同时给出了钛宝石晶体两个偏振方向的吸收和发射谱线，从图中可以看出晶体 在丌偏振方向的吸收和发射强度都大于。偏振方向的吸收和发射强度，因此选择 晶体兀偏振方向工作，可使激光器获得最大的泵浦能量吸收和激光发射。 2 2 克尔透镜锁模原理 克尔透镜锁模始于1 9 9 0 年，当时d e s p e n c e 等人在钛宝石激光器腔内未加 任何装置便实现锁模1 2 ”。由于当时不知道其内在机理，所以该锁模方式一度被称 为“自锁模”。此后研究人员发现钛宝石晶体具有克尔效应，而这种克尔效应引 起的自聚焦使钛宝石能够产生类似透镜的效果，因此这种锁模方式又称为克尔透 镜锁模。 超短脉冲激光器由于具有优秀的时域特性和频域特性，因此白诞生以来一直 受到广泛的关注。在时域，激光器表现为输出飞秒量级的高能量激光脉冲；在频 域，激光器表现为由无数个位相恒定，且间距相等的频率成份组成的超宽带光谱。 2 2 1 时间和频率的关系 脉冲通常可以定义为个连续背景上的瞬时抖动。脉冲的形状就是这个瞬时 抖动的形状。一般来讲，脉冲的形状可以用一个高斯( g a u s s ) 函数来代替。由 傅立叶变换理论可知，高斯函数的傅立叶变换还是高斯函数。 对于一个任意给定的函数，其时域和频域的傅立叶变换关系分别可以表示 为： e ( 国) = 忙o 一“d t 一二 ( 2 1 ) 和 e ( t ) 2 去p 。 。“如 ( 2 - 2 ) 其中g ( c o ) 和e 似分别表示为脉冲在频域和时域的电场。脉冲的半极大值很容易在 实验中获得，因此激光脉冲宽度和光谱宽度有如下关系： a t a v k 但3 1 其中f 是脉冲时域的半极大全宽值( f u l l w i d t ha th a l f - m a x i m u m ，f w h m ) ：a v 是脉冲频域的半极