（光学工程专业论文）飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究.pdf

飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传 输的理论与实验研究 t h e o r e c t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo i l f e m t o s e c o n dp u l s ep r o p a g a t i o ni n t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e d n o b l eg a s 一级学科：光学工程 学科专业：光学工程 作者姓名：宋振明 指导教师：张志刚教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年五月 中文摘要 高能量周期级飞秒脉冲是指脉冲能量在毫焦、亚毫焦量级，脉冲宽度在一到 两个光学周期( 8 0 0 n m 对应2 6 7f s 脉冲) 的光脉冲。高能量周期级飞秒脉冲在现 在的科学与技术研究领域中发挥着越来越大的作用，比如在原子和分子动力过程 中的时间分辨测量、高次谐波和阿秒脉冲产生等等。目前高能量、周期量级光脉 冲的获取主要集中于采用充气空心光纤技术和成丝光谱展宽技术。 对于充气空心光纤技术，由于自聚焦条件的限制，脉冲的能量大都限制在微 焦量级。最近，梯度气压的方法被提出来，以提高输入端耦合的入射脉冲能量， 并且获得了成功。然而，梯度气压的方法自身也具有缺点和局限性，例如装置复 杂，大量惰性气体的浪费以及流动气体的气流对脉冲稳定性的影响等等。而成丝 又由于其在高能量下容易引起多丝，多丝之间的竞争使系统稳定性极大减弱，从 而极大影响了高质量脉冲的获得。 本文完善了梯度温度控制成丝的概念。利用温度控制( 形成梯度温度) 来抑 制多丝形成，在单丝状态下( 对比常温状态显著提高了输入脉冲能量) 展宽光谱 进而压缩是获得高能量周期级飞秒脉冲的一个有效方案。 气体的各种光学性质，如折射率、非线性系数等都是与温度有关的( 随温度 而变化) 。控制温度便能够控制气体的各种光学性质，进而控制与气体相互作用 的飞秒脉冲在传播过程中的时域和频域演化进程，以及传播中的各种光学现象， 如自聚焦、成丝等。在梯度气压或梯度温度的状态下，输入端有较低的气压或较 高的温度，从而具有较低的非线性折射率，由于自聚焦阈值与非线性系数成反比， 所以在输入端能够容纳更多能量脉冲的输入。而随着脉冲的传播，由于损耗和色 散的原因，脉冲的峰值功率逐渐降低，此时，由于气压的升高或温度的降低，非 线性系数逐步增大，弥补了脉冲强度降低带来的非线性作用的减弱，使脉冲的光 谱展宽得以随脉冲在介质中的传播不断的进行，从而经过进一步压缩后能够获得 较高能量较窄脉宽的脉冲。可以预见，梯度温度的方法对于多丝的形成有明显的 抑制作用，在多丝状态下，提高温度，增加自聚焦阈值，便能够有效地抑制多丝， 使其保持单丝状态。 本文在理论和实验上研究了飞秒脉冲在温度控制下的梯度温度惰性气体中 传输的现象、机制和演变进程等等。对于研究温度对飞秒脉冲传输的影响以及高 能量周期级脉冲的获得有一定的理论和实验指导意义。从而为高能量周期级飞秒 脉冲的获得开辟了一条新的可行而有效的途径。 本文完善了将梯度温度用于抑制惰性气体中超短脉冲的多丝形成来获得高 能量周期级飞秒脉冲的方法。利用梯度温度进行抑制多丝，在单丝状态下进行光 谱展宽能够有效地克服梯度气压过程中气体流动性所带来的缺点。同时能够获得 相同量级能量的超短脉冲。建立了理论计算的模型，对梯度温度抑制多丝获得高 能量周期级飞秒脉冲进行了理论计算和分析。并且提出了理想梯度温度曲线的概 念。在实验上，通过具体实验验证了梯度温度对于成丝的各种性质的控制作用， 包括：成丝阈值的提高、多丝的抑制等，验证了各种不同条件对于成丝状态影响 和光谱展宽的情况，从而证实了此种方法是获得高能量宽带光谱的一种有效方 法，通过进一步压缩有可能获得高能量周期级的飞秒脉冲。 本文还对获得高能量周期级飞秒脉冲的一些相关具体问题进行了探讨与研 究。 关键词：高能量周期级超短脉冲温度控制梯度温度中空光波导成丝 a b s t r a c t i n t e n s ef e wt om o n o c y c l ep u l s e sa r et h em jo rs u b m ju l t r a s h o r tp u l s e sw h i c h h a v eo n et ot w oo p t i c a lp e r i o d s ( 8 0 0n l t lc o r r e s p o n d i n gt o2 6 7f s ) t h e yp l a ym o r e a n dm o r ei m p o r t a n tr o l e st o d a yi nm a n ys c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c hf i e l d s ， s u c ha st i m e - r e s o l v e dm e a s u r e m e n t so fe l e c t r o nd y n a m i c si na t o m sa n dm o l e c u l e s ， h i g h - o r d e rh a r m o n i c sa n di s o l a t ea t t o s e c o n dp u l s eg e n e r a t i o n t od a t e t h em a j o rw a y o f a c h i e v i n gi n t e n s ef e wt om o n o c y c l ep u l s e sh a sb e e nt h ec o m p r e s s i o no ft h es p e c t r a b r o a d e n e dt h r o u g hh o l l o wf i b e rf i l l e dw i t hn o b l eg a s e so rf i l a m e n t a t i o n d u et ot h eg a sb r e a k d o w na n ds e l f - f o c u s i n g ，t h ee n e r g yi sl i m i t e dt o l e v e li n h o l l o wf i b e r s r e c e n t l y ，t h eu s i n go fg r a d i e n tt e m p e r a t u r eh a sb e e np r o p o s e df o r i n c r e a s i n gt h ei n p u te n e r g y i ns p i t eo ft h ea d v a n t a g eo ft h i sm e t h o d ，i th a si t si n t r i n s i c l i m i m t i o n sa n dd i s a d v a n t a g e ss u c ha sc o m p l e xs y s t e m ，l a r g ec o n s u m p t i o no fn o b l e g a s e sa n di n s t a b i l i t yi n t r o d u c e db yt h eg a sf l o w i nt h ef i l a m e n t a t i o ns c h e m e ，t h e c o m p e t i t i o no ft h em u l t i f i l a m e n tw h e nt h ee n e r g yi sh i g hi n t r o d u c e si n s t a b i l i t y b e t w e e nt h ef i l a m e n t sa n dr e s t r i c t st h ea c h i e v e m e n to f h i g hq u a l i t yu l t r a s h o r tp u l s e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r o p o s e dan o v e lt e c h n i q u et oa c h i e v ei n t e n s ef e w - c y c l e p u l s e sw h i c hi st oc o m p r e s st h eb r o a d e n e ds p e c t r ao ff e m t o s e c o n dp u l s et h r o u g ht h e h o l l o wf i b e rf i l l e dw i t hn o b l eg a si n g r a d i e n tt e m p e r a t u r e i to p e n san o v e la n d f e a s i b l ew a yf o ri n t e n s ef e w c y c l ep u l s eg e n e r a t i o n t h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg a s e ss u c ha sr e f r a c t i v ei n d e xa n dn o n l i n e a r c o e f f i c i e n ta r ef u n c t i o n so ft e m p e r a t u r e w ec a nc o n t r o lt h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f g a s e sa n dt h ee v o l u t i o no ff e m t o s e c o n dp u l s e si nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i nb y c o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r e t h eo p t i c a lp h e n o m e n ai n c l u d i n gs e l f - f o c u s i n ga n d f i l a m e n t a i o nc a na l s ob ec o n t r o l l e db yt e m p e r a t u r e i nt h eg r a d i e n tt e m p e r a t u r eo r p r e s s u r es c h e m e 。t h ei n p u te n dh a st h el o w e rn o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e x1 2w h i c h a l l o w sm o r ee n e r g yt ob e c o u p l e di n t ot h ef i b e ro rt u b ed u et ot h ec r i t i c a l s e l f - f o c u s i n gp o w e ri si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o1 1 2 d u r i n gt h ep r o p a g a t i o no ft h e p u l s e s ，t h eb r o a d e n i n go fs p e c t r u mw i l lc o n t i n u et ot h ee n db e c a u s et h ei n c r e a s i n g 2 p r o v i d e db yt h ei n c r e a s i n gp r e s s u r eo rd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，w h i c hc o m p e n s a t e sf o r t h ed e c r e a s i n gp e a kp o w e rd u et od i s p e r s i o na n dl o s s i ti so b v i o u st h a ti n c r e a s i n gt h e t e m p e r a t u r ec a ne n h a n c et h ec r i t i c a lp o w e ro fs e l f - f o c u s i n ga n dr e s t r a i no rr e t a r dt h e m u l t i f i l a m e n t s ，e v e nt h es i n g l ef i l a m e n tf o r m a t i o n i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d i e dt h ep h e n o m e n aa n de s s e n c e s o ff e m t o s e c o n d p u l s e sp r o p a g a t i o nt h r o u g hh o l l o wf i b e rf i l l e dw i t hg r a d i e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e d n o b l eg a sb o t ht 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 y t h ed i s c u s s i o n si m p l i e d af e w g u i d e l i n e sf o ra c h i e v i n gi n t e n s ef e w c y c l ep u l s e s i nt h et h e o r e t i c a lp o i n t ，w ep r o p o s e dt h ec o n c e p to fu s i n gg r a d i e n tt e m p e r a t u r et o c o n t r o lf i l a m e n t ss u c ha sr e s t r a i n i n gm u l t i f i l a m e n ta n dc o n t r o l l i n gf i l a m e n t b yt h i s m e t h o d ，w ec a nb r o a d e nt h es p e c t r u mo fu i t r a f a s tp u l s e s a n dp r e v e n tf r o mt h e m u i t i f i l a m e n tf o r m a t i o nt oa c h i e v eh i g h - q u a l i t ya n dh i g h e n e r g yu l t r a s h o r tp u l s e s w h i l ea v o i d i n gt h ed i s a d v a n t a g e so fg r a d i e n tp r e s s u r e w e b u i l tam o d e lt o d e m o n s t r a t et h ea d v a n t a g e so ft h i ss c h e m ec o m p a r i n gw i t ht h eg r a d i e n tp r e s s u r e t h e c o n c e p to fi d e a lg r a d i e n tt e m p e r a t u r e c u r v eh a da l s ob e e np r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e df o rv a r i o u si n p u tp u l s e ，g a sp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sa n dd e m o n s t r a t e dt h a tt h eg r a d i e n tt e m p e r a t u r ec a n c o n t r o lt h e f i l a m e n t ，i n c l u d i n gs u p p r e s s i o no ft h e m u l t i f i l a m e n tf o r m a t i o n ，w h i l ek e e pt h e s p e c t r u mb r o a d e n i n g e x p e r i m e n t sv e r i f i e dt h a t t h eg r a d i e n tt e m p e r a t u r ei san e w e f f e c t i v ew a yt oa c h i e v ei n t e n s ef e w c y c l ep u l s e s k e yw o r d s ：i n t e n s ef e wt om o n o - c y c l e u l t r a s h o r t p u l s e ， t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g ，g r a d i e n t t e m p e r a t u r e ，h o l l o w f i b e r , f i l a m e n t a t i o n 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，也不包含为获得丞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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 家拓叼马签字日期：w 纱年月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解本鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗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： 豕扳明 签字日期：例少年f 月弓日 导师签名：弓按拿历彳) 签字日期：。学年么月雪日 天津大学博士学位论文飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究 第一章绪论 高能量周期级飞秒脉冲是指脉冲能量在毫焦、亚毫焦量级，脉冲宽度在一到 两个载波光学周期，在可见光区域，即小于5 f s ( 8 0 0 n m 中心波长的一个光学周 期为2 6 7 f s ) 的光脉冲。 高能量周期级脉冲由于其具有脉宽极窄、峰值功率极高的特点，它在做为自 然界中超快过程研究的重要手段引起了广泛的关注，在物理、化学、生物等诸多 领域中发挥着越来越重要的作用。利用高能量周期级飞秒脉冲对原子及分子中电 子运动时间的分辨测量，有助于最终实现对化学反应，激发场的粒子加速以及高 能质子束产生的控制。在软x 射线波段，利用高能量周期级飞秒脉冲产生并控 制高次谐波，可以获得具有极高时间及空间分辨率的相干软x 射线。高能量周 期级飞秒脉冲还是产生极紫外阿秒脉冲的核心手段。目前获取阿秒脉冲最有前途 的方案是超短脉冲的谐波合成技术，其中具体的可行技术之一便是利用几个光周 期的超强超短脉冲紧聚焦，利用惰性气体的非线性效应产生高次谐波，然后用滤 波片选取谐波的高频部分获得单个阿秒脉冲的输出。由于超短脉冲在进行高度聚 焦时，与气体作用的分子数目很少而且发出的阿秒脉冲也是发散的，所以为了提 高阿秒脉冲的能量并获得更好的光束质量，我们需要高能量周期级飞秒光脉冲。 极紫外阿秒脉冲的产生为阿秒脉冲的时域光谱测量开辟了广阔的道路。阿秒脉冲 的获得将开辟一个崭新的时间尺度时代阿秒物理时代。 目前高能量、周期级飞秒光脉冲的获取主要集中于采用充气空心光纤技术和 成丝光谱展宽技术来获取。由于自聚焦的限制，空心光纤所获得的脉冲能量被限 制在心量级。梯度气压的方法最近被提出来，以获得高能量的脉冲输出，并且 获得了成功。然而，梯度气压的方法自身也存在一定的缺点和局限性，例如大量 惰性气体的浪费、流动气体的气流对脉冲稳定性的影响以及难以调节等等。而成 丝又由于高能量下多丝的极易形成，多丝之间的竞争引起不稳定性等原因影响了 高质量脉冲的获得。 本文中，我们完善了梯度温度控制成丝的概念，利用温控的方法形成梯度温 度来抑制多丝的形成以在单丝状态下展宽光谱进而压缩是获得高能量周期级飞 秒脉冲的可行方案。梯度温度和梯度气压都是改变气体密度，以形成在脉冲传播 过程中的梯度非线性系数。二者在本质上是相同的。而由于梯度温度气体的密闭 性，使得其在气体的稳定性等方面占有优势，从而容易获得高质量的超短脉冲。 第一章绪论 本文在理论上和实验上验证了梯度温度对多丝的抑制作用以及光谱展宽的 情况，从而为高能量周期级飞秒脉冲的获得提出了一条新的道路。本文对梯度温 度中各种条件对于成丝的影响也进行了实验验证和论述。 此外，本文对高能量周期级飞秒脉冲获得的相关一些问题也作了探讨和讨 论。 1 1 本文的主要工作 1 1 1 理论部分 第一：对分段光波导展宽光谱进而压缩获得超短脉冲的方法进行了理论分析 分段光波导展宽光谱进而压缩是获得高能量短脉冲的一种方法，本文进一步 对此种方法进行了理论数值模拟，尤其对在两段光波导总体波导长度一定的的条 件下进行了理论分析与优化。计算表明，两段波导长度在一定比例范围内得到的 脉宽是相同的，而峰值功率则有一个最优点，进而对这一现象进行了具体的分析。 第- - 对高能量超短光脉冲在惰性气体中不同条件下的传输进行了数值模拟 对脉冲在惰性气体中传输时在各种不同条件下例如脉宽、能量、气压、光斑 半径等等的影响进行了详细的三维理论计算，从而对于脉冲在传输过程中的不 同条件下时域与频域演变过程提供了清晰的图像。 第- - 完善了利用梯度温度控制成丝的概念以及利用梯度温度抑制多丝在单 丝状态下进行光谱展宽进而压缩获得高能量周期级飞秒脉冲的方法。采用梯度温 度方案能够有效地克服梯度气压中气体流动性等缺点，同时能够获得相同量级能 量的超短脉冲 第四：对梯度温度抑制多丝形成以及展宽光谱情况进行了理论计算和分析 1 组立了描述梯度温度控制成丝以及时频演变的理论模型 非线性薛定谔方程是描述超短脉冲在传输过程中的时域和频域演变过程的 强有力的武器，通过解非线性薛定谔方程能够分析脉冲的演变过程，给实验提供 理论分析基础和支持；通过将非线性薛定谔方程和电离方程等物质方程和条件连 立，建立方程组来描述高能量飞秒脉冲在惰性气体中传输的性质。 2 理论上验证了梯度温度抑制多丝的效果以及展宽光谱的情况 首先确定方程中各个参数与温度的关系，这是解方程得首要问题；其次，确 定和实验相一致的物理参数及其在方程中的体现；此外，还对方程的初始条件、 边界条件以及收敛条件等进行限制和验证。经过对方程解的具体分析，得出了梯 度温度方案的优越性：能提供较高能量的脉冲输入、最终能够获得毫焦量级的超 天津大学博士学位论文飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究 短脉冲；而且由于其实验装置的密封性，使其能有效地避免梯度气压中气体流动 等各种缺点。并且，梯度温度能有效地抑制多丝形成。 3 计算了不同种类的梯度温度及其效果 对各种不同形状的梯度温度曲线进行了计算。包括线性、三角形、平方形以 及开方形等各种情况，并且对于结果进行了分析与比较，包括光谱、位相以及经 过压缩后的脉冲。 第五：在一定条件下，将梯度温度和梯度气压统一成梯度密度的概念。 第六：提出了理想梯度温度的概念并进行了相关的计算 1 在理论上提出了理想梯度温度的概念 2 对理想梯度温度曲线进行了分析和相关计算 3 对于各种不同情况下的理想梯度温度曲线进行了计算以及对比 4 得到了不同能量的脉冲的理想梯度温度曲线归一化后一致的结论并对这 一结论的适用范围进行了限定 1 1 2 实验部分 第一：实验装置的设计，包括空心玻璃管及加热装置的设计等 第二：设计梯度温度控制成丝的实验 第三：用装置对玻璃管进行加热，探测管子的梯度温度曲线 第四：进行实验，对梯度温度控制成丝进行验证 1 验证了梯度温度是在单丝态下提高输入端脉冲能量，获得高能量脉冲的一种 有效的方法 2 验证了梯度温度对成丝特别是多丝的控制作用 3 验证了梯度温度下各种不同条件对成丝及光谱展宽的影响 1 2 本文主要创新点 1 完善了利用梯度温度控制成丝的概念，以及利用梯度温度抑制多丝，在 单丝状态下展宽光谱进而压缩获得高能量周期级飞秒脉冲的方案 2 在理论上验证了梯度温度方案是获得高能量周期级飞秒脉冲的一种行之 有效的方法。组立了描述梯度温度方案的方程组，对超短脉冲在梯度温度惰性气 体中的传输进行了数值模拟，验证了这一方案的优越性。 3 在惰性气体中，将梯度温度和梯度气压两个概念统一成梯度密度概念并 且对不同的梯度曲线进行了数值模拟和比较 4 提出了理想梯度温度曲线的概念，并且对不同能量的理想梯度温度曲线 第一章绪论 进行了计算，发现其归一化后的形状完全相同，对这一结论进行了分析和讨论， 并且对在各种不同条件下的理想温度梯度曲线进行了计算和分析 5 在实验上验证了梯度温度对成丝的控制作用以及光谱展宽情况 5 1 设计实验和实验装置 5 2 对加热装置作用在玻璃管上的梯度温度曲线进行了实际测量 5 3 进行实验，验证了梯度温度对成丝的控制作用以及展宽光谱情况 5 4 对实验中各种不同条件下的情况进行了测量与分析 5 5 利用梯度温度方法，得到了谱宽大于1 0 0n m ，能量大于1m j 的脉冲， 此脉冲脉宽支持1 0f s 的超短脉冲 6 对于分段中空光波导展宽光谱的问题进行了理论分析、计算以及优化， 得到了两段波导长度在一定比例范围内得到的脉宽是相同的，而峰值功率则有一 个最优点的结论并对这一结论进行了分析 4 天津大学博士学位论文飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究 第二章飞秒光学基础 飞秒激光脉冲技术自从其产生以来，就得到了广泛的关注和应用，并且得到 了迅速的发展，本章主要介绍飞秒脉冲的基础知识。 2 1 飞秒脉冲简介 2 1 1 时间尺度 我们先给来看看我们平常所熟悉的时间在量级上的概念。在国际单位里，时 间的单位是秒( s ) 。秒是我们常用的单位。在秒的时间间隔里，人们即使不用计时 器，也能凭感觉体会到。 我们下面用秒来衡量一下宇宙中的各种物理及自然现象。中性的7 c 介子平均 寿命是8 4 阿秒( 1 0 。8s ，a s ) ；电子绕原子核自转一周约为1 0 0 阿秒；电子围绕氢 原子中心的质子转一圈需要1 5 0 飞秒( 10 。1 5s ，f s ) ；快速化学反应完成通常需要 数百飞秒；当一束光从人眼球的前端传到人眼球后端的视网膜时，所需时间为几 十皮秒( 1 0 1 2s ，p s ) ；个人电脑的微处理器执行一道指令约需2 4 纳秒( 1 0 一s ，n s ) ： 在迄今为止所发现的不稳定的粒子中，子是除中子外平均寿命最长的粒子，其 平均寿命是2 2 微秒( 1 0 s ，螂) ；人们日常使用的照相机的最短曝光时间约为1 毫秒( 1 0 一s 。m s ) ；人们常说的“一眨眼”的时间就是10 0 毫秒；1 0 0 年的时间是 三十几亿秒( 1 0 8s 量级) ；太阳绕银河系中心一周的公转周期是大约是3 亿年( 1 0 1 6 s 量级) 左右；地球已有4 5 3 亿年( 1 0 1 7s 量级) 的历史；目前宇宙的年龄约为 1 3 7 亿岁( 不到1 0 嗡s 量级) 。 2 1 2 飞秒激光的概念和特点 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，飞秒激光主要有以下两个特点。第 一个特点就是它的脉冲宽度非常窄，比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几 千倍。它的持续时间非常短，只有几个到几十个飞秒。第二个特点是具有非常高 的瞬时功率，经过放大的飞秒脉冲可达到t w ( 1 0 1 2w ) 甚至p w ( 1 0 ”w ) 量 级。经过聚焦后的飞秒脉冲具有相当高的强度，可达到1 0 1 8 到1 0 2 1w c m 2 ，比原 子核对其周围电子的作用力还要高数倍。人们利用飞秒脉冲这些独特的特点，在 第二章飞秒光学基础 物理、化学、生物等诸多领域内进行广泛的研究和探索，并且取得了惊人的发现 和长足的进步。 2 1 3 飞秒激光的发展简史 1 9 6 0 年，第一台红宝石激光器诞生了，它的诞生给人类带来了前所未有的 的惊喜和挑战，标志着激光时代的来临。激光由于其具有单色性好、相干性好、 方向性强、高亮度等诸多优点，从而在物理、化学、生物等众多科研领域内引发 了一系列新现象、新成果，同时它也融入了现代人们生活中的各个领域，在工业、 农业、军事、医学，甚至普通家庭生活中，都带来了巨大的变化和发展。激光在 各个领域中所显示出的强大生命力和活力，使其成上个世纪的重大发明之一，激 光产业也因此成为关系国计民生的一项重要支柱产业。 自从激光出现之后，如何获得脉宽更短的脉冲光源一直是人们努力追逐的目 标。激光本身的发展史也就是激光脉冲的宽度从纳秒向飞秒、阿秒的方向加速发 展的历史。1 9 6 2 年调q 技术的出现使人们获得了纳秒量级激光脉冲光源【l 】。1 9 6 4 年激光锁模技术的出现，使得脉冲宽度达到皮秒量级【2 】。在随后十多年的时间内， 人们不断创造更短的脉冲输出记录。19 8 1 年美国贝尔实验室的f o r k 及其合作者 根据被动锁模的原理，采用有机染料r h o d a m i n e6 g 作为增益介质，成功地研制 了碰撞脉冲锁模( c o l l i d i n gp u l s em o d e 1 0 c k i n g ，c p m ) 环形染料激光器，并首 次获得了脉冲宽度在飞秒量级的激光脉冲【3 j 。这标志着飞秒激光的诞生，从此激 光技术开始步入飞秒激光时代。19 8 5 年v a l d m a n i s 和f o r k 等人在c p m 环形染料 激光器中引入低损耗的布儒斯特棱镜组进行腔内色散补偿，获得了2 7f s 的超短 脉冲1 4 j 。1 9 8 7 年f o r k 等人将该激光器输出的脉冲放大，得到重复频率为8k h z ， 脉冲宽度为5 0f s ，单脉冲能量为1m j 的光脉冲，然后用单模保偏石英光纤的自 相位调制( s e l f p h a s em o d u l m i o n ，s p m ) 作用展宽光谱，再用光栅和棱镜组补偿 色散进行压缩的技术，最后获得了6f s 的超短脉冲1 5 】。在这一历史阶段，所采用 的增益介质一般为n d ：y a g 、n d ：g l a s s 等，它们的荧光光谱较窄，而且热传导性 能较差，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，需要采用喷流方式，具有流动性， 导致其结构复杂，难以调试，不便于使用和携带，并且大部分染料还具有毒性。 所以染料激光器难以小型化和实用化，不利于现实的应用和商业的发展。八十年 代的固体激光器受固体增益介质荧光带宽窄、热传导性能差等缺陷的限制，因而 无法获得飞秒激光。因此染料激光器是当时获得飞秒脉冲的唯一途径。 使激光器真正从染料激光器过渡到固态激光器得益于晶体生长技术的迅速 发展和日益成熟。在8 0 年代后期出现了一大批荧光带宽宽，热传导性能好，物 6 天津大学博士学位论文飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究 理和化学性能优良固体增益介质材料，使得固体飞秒激光器的时代得以到来。其 中以掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ，钛宝石) 最具代表性。它具有热传导性能好、有 较高的热导率和熔点、硬度大、化学性质稳定、上能级寿命长( 3 2 岭) 及光学 均匀性好等诸多优点。钛宝石具有很宽的吸收光谱( 4 0 0r i m 6 0 0a m ) ，所以可选 择氩离子激光器、铜蒸汽激光器、倍频钒酸钇激光器、倍频n d ：y a g 激光器以及 倍频n d ：y l f 激光器等作为钛宝石激光器的泵浦源。钛宝石具有非常宽的荧光光 谱( 6 6 0a m 1 2 0 0n m ) ，这是迄今为止发现的所有激光增益介质中最宽的。以上 性质使得钛宝石无可厚非地成为飞秒激光器最理想的增益介质。此后，固体飞秒 激光器开始逐渐取代染料激光器，成为激光技术发展的主要方向。19 9 1 年英国 人s p e n c e 等人利用氩离子激光器全线泵浦，采用2 0m m 长的钛宝石晶体作为增 益介质，将s f14 棱镜对插入激光腔补偿钛宝石激光器的材料色散，不依赖于任 何外加的锁模元件，仅利用钛宝石自身的克尔效应导致的克尔透镜锁模( k e r r l e n sm o d e 1 0 c k i n g ，k l m ) ，获得了6 0f s 的激光脉冲，首次成功地研制出了以钛 宝石作为增益介质的飞秒激光器【6 】。这是固体飞秒k l m 激光器发展的开端。它 的问世标志着固体飞秒激光器进入了一个崭新的发展阶段。从此，以钛宝石激光 器为代表的固体k l m 激光器，以其结构简单、较宽的调谐范围以及可以获得极 窄的脉冲等优点，逐渐取代了染料激光器。在随后的几年里，各种色散补偿技术 的研究及完善，使得飞秒脉冲激光技术得到了迅速的发展。1 9 9 2 年h u a n g 等人 采用9m m 长的钛宝石晶体作为增益介质，分别用l a f n 2 8 和l a k l 2 1 玻璃棱镜 对进行腔内色散补偿，先后获得了3 2f s 7 】和1 7f s t8 j 的激光脉冲。1 9 9 3 年初a s a k i 等人采用高掺杂浓度的短钛宝石晶体( 长度为4 5m m ) 并改用石英棱镜对进行 色散补偿，在7 8 0n m 处获得了1 1f s 的激光脉冲一j 。1 9 9 4 年z h o u 等人采用2m m 长的钛宝石晶体和石英棱镜对获得了8 5f s 激光脉冲【10 1 。1 9 9 5 年s t i n g l 等人利用 啁啾介质反射镜取代原有钛宝石激光器的反射腔镜，同时用于控制腔内色散，在 无需其他色散补偿元件的情况下获得了8f s 的激光脉冲输出【1 1 1 。1 9 9 6 年x u 等人 改用四镜环形腔结构同时利用啁啾镜进行色散补偿，获得7 5f s 的锁模脉冲l l 引。 19 9 7 年j u n g 等人利用石英棱镜对和双啁啾镜联合补偿钛宝石激光器腔内的色 散，获得了6 5f s 的超短脉冲i l 引。1 9 9 9 年，m o r g n e r 等人利用2m m 晶体，并采 用低色散c a f 2 棱镜对和双啁啾镜补偿色散的方法获得了5 4f s 的激光输出【l 4 1 。 2 0 0 1 年e l l 等人在钛宝石激光器腔内利用b k 7 玻璃片产生自相位调制效应将光 谱进一步展宽，并且利用c a f 2 棱镜对和特别设计的啁啾镜对进行腔内色散补偿， 获得了光谱宽度为一个倍频程( 6 0 0l l m 1 2 0 0n m ) ，脉冲宽度为5f s 的脉冲【l 引。 这是迄今为止我们所知道的直接从钛宝石激光器输出的光谱最宽、脉冲宽度最窄 的激光脉冲。 第二章飞秒光学基础 ! ：! ! ：j ；匝二萎= l ll 止二萎= l 曩。支霎。 由于只利用钛宝石激光器腔内的自相位调制及色散补偿获得的飞秒脉冲宽 度已经到了极至，很难将脉冲宽度压缩得更窄，于是人们逐渐将目光转回到腔外 压缩，尽管获得的脉冲重复频率较低。1 9 9 7 年b a l t u k a 等人利用十年前采用光 纤一光栅棱镜展宽和压缩放大的飞秒脉冲的技术口】，对于从腔倒空钍宝石激光 器输出的重复频率为im h z ，脉冲宽度为1 3f s 的光脉冲，先用单模光纤展宽光 谱再用棱镜一光栅压缩器和棱镜一啁啾镜压缩器进行压缩，分别获得了4 9f s 和5 5f s 的超短脉冲l 】“。但是由于单模光纤受到其芯径较小的限制，输出的脉冲 能量都很低，一般在纳焦( 玎j ) 量级，而利用充惰性气体的中空光纤以其较大的 光纤芯径、惰性气体具有根高的自聚焦阈值以及非线性可调等诸多的优点，使其 有能力处理亚毫焦甚至毫焦量级的脉冲，因此人们开始用充惰性气体的中空光纤 代替单模光纤来展宽光谱。1 9 9 7 年n i s o l i 等人将钛宝石多通放大器输出的重复 频率为1k h z ，脉宽为2 0 矗，单脉冲能量为3 0 0 山的光脉冲，分别用填充氪气( k r ) 和氩气( a t ) 的石英中空光纤展宽光谱，用小顶角的双石英棱镜对和啁啾镜进行 色散补偿获得了45f s 、2 0 一和5f s 、7 0 山的超短脉冲m 】。这两项成果打破 了沉寂1 0 年之久的腔外压缩6f s 的记录 】。同年s a r t a n i a 等人利用充氩气的石英 中空光纤和双啁啾镜展宽及压缩lk h z 钍宝石放大器输出的2 0 f s 、l5 m j 的光脉 冲，获得了5f s 、0 5m j 的超短脉冲【】8 i 。在此后的几年里，人们利用腔外压缩以 及各种色散补偿方法多次得到了4 - 5f s 的超短光脉冲【1 9 m 】。近年来，人们通过利 用光谱位相相干直接电场重建法( s p e c t r a lp h a s ei n t e r o m e t r yf o r d i r e c t gn一5i苗。j&=11e 天津大学博士学位论文飞秒激光脉冲在温度控制的惰性气体中传输的理论与实验研究 e l e c t r i c f i e l dr e c o n s t r u c t i o n ，s p i d e r ) 测量技术和液晶空间位相调制器( 1 i q u i d c r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , s l m ) 相结合来补偿位相，使得脉宽压缩又有了进 一步的突破。2 0 0 3 年，s c h e n k e l 等人利用中间带有啁啾镜压缩器的两根填充氩 气的中空光纤展宽光谱，利用s p i d e r 测量位相并反馈给s l m 进行位相补偿， 将1k h z 钛宝石放大器输出的2 5f s 的光脉冲压缩到了3 8f s l 23 | 。随后y a m a n e 等 人利用填充氩气的中空光纤展宽光谱，利用改进的m s p i d e r 测量位相，结合 s l m 进行位相补偿，经过两次位相反馈，将lk h z 钛宝石放大器输出的脉冲宽 度小于3 0f s 的光脉冲压缩到了3 4f s 2 4 】。2 0 0 4 年y a m a n e 等人在原有实验【2 4 】的 基础上继续改进，最终获得了近单周期的2 8f s 的超短脉冲 2 5 , 2 6 。人们逐步向高 能量的单周期飞秒脉冲的领域内迈进。应用成丝技术1 27 j 和利用成丝过程中的自 压缩 2 8 , 2 9 是获得高能量脉冲的有效方法。梯度气压的方法也被提出来以实现高能 量单周期飞秒脉冲的获得 3 0 , 3 1 ，最终获得了重复频率1k h z 、单脉冲能量1 1m j ， 5 5f s ( 峰值功率o 2t w ) 的超短脉冲。 在钛宝石激光器的发展过程中，自启动元件的发明与应用起着举足轻重的作 用。尽管钛宝石激光器通过自聚焦效应能够实现克尔透镜锁模，但是k l m 锁模 技术的一大缺点就是通常不能够自启动，往往需要外界给一个扰动，如轻轻地推 一下棱镜或者轻轻地敲一下端镜等才可以实现锁模。并且为了实现较强的自振幅 调制，往往还需要将激光器谐振腔调谐到稳区边缘，使其偏离最佳准直，此时输 出功率和光斑都不是最佳的。在s p e n c e 发现钛宝石的自锁模现象不久，自启动 元件的研制工作也在世界上同步展开。1 9 9 1 年k e l l e r 等人采用多量子阱可饱和 吸收体( 多量子阱反射镜，m q w ) 置于腔外来启动钛宝石激光器以实现其自锁 模【3 2 】。1 9 9 3 年m e l l i s h 等人将这种多量子阱器件移植到谐振腔里面，使得谐振腔 的结构更加紧凑，并沿用至今，成为现在自启动k l m 激光器的标准结构1 3 引。1 9 9 6 年，k e l l e r 小组设计出了以银为反射介质的宽带低精细度消除f p 式的半导体 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 a m ) ，在实验中采 用宽带s e s a m 和新型双啁啾镜补偿色散获得了小于1 0f s 的k l m 激光脉冲p 4 | 。 同年j u n g 等人同时使用双啁啾镜和棱镜对进行色散补偿结合s e s a m 提供自启 动机制，得到了6 5f s 的锁模脉冲【35 j ；瑞士的s u r e r 及德国的s c h e u e r 等人也通 过改进s e s a m 的设计结构，选择合适的耦合输出镜以及采用啁啾镜补偿色散获 得了4 8f s 的超短脉冲【3 6 1 。19 9 8 年，z h a n g 等人在银或金的反射膜层与半导体层 之间加入了一层s i 0 2 ，设计出了低损耗、高破坏阈值的宽带s e s a m ，成功地将 原有s e s a m 的反射率提高到了9 9 5 【37 1 ，从而进一步的促进了这种自启动元件 在激光领域的广泛应用。低损耗、宽带、高破坏阈值s e s a m 的