（物理电子学专业论文）飞秒脉冲激光多通放大系统的研究.pdf

天津大学硕士研究生毕业论文 中文摘要 近十年以来，飞秒脉冲激光技术不断发展，并且在很多领域得到应用。实 际的应用需要小型化、全固化、性价比高的飞秒激光振荡器和飞秒激光放大器。 本文对飞秒激光振荡器、啁啾脉冲放大系统( c p a ) 作了较为深入的研究。 主要内容包括： 一、介绍飞秒脉冲激光器及啁啾脉冲放大系统的发展和目前的进展，飞秒 脉冲激光的应用。 二、第二章简述克尔透镜锁模原理，并着重介绍飞秒脉冲振荡器中的自启 动机制半导体可饱和吸收镜( s e s a m ) ，阐述了s e s a m 启动锁模的工作原 理、特性参数、设计方法、后期腐蚀工艺和特性测试。 三、以理论计算为基础，详细的分析马丁内兹展宽器和欧浮纳展宽器的优 缺点和适用范围，提出新型混合光栅马丁内兹展宽压缩系统。 四、设计并完成飞秒脉冲激光多通放大系统，根据实验结果分析该放大系 统工作过程，并最终获得放大的飞秒脉冲激光输出。 五、首次对一种新型展宽器一一飞秒脉冲写全息光纤光栅展宽器作了初 步的理论研究，讨论选择何种材料作写光纤光栅的介质，计算并分析啁啾系数 和脉冲宽度对光栅对比度的影响。 关键词l 飞秒激光脉冲，啁啾脉冲放大系统，半导体可饱和吸收镜，色散补偿 啁啾光纤光栅 天津大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t o v e rt h el a s tt e ny e a r st h ed e v e l o p m e n to ff e m t o s e c o n dl a s e r sh a so p e n e db r o a d a p p l i c a t i o n s i nm a n yf i e l d s t h o s ea p p l i c a t i o n sr e q u i r ec o m p a c t ，s t a b l em a dc o s t - e f f e c t i v ef e m t o s e c o n dl a s e r sa n da m p l i f i e r s i nt h i st h e s i sas t u d yo ft h el a s e r o s c i l l a t o r , c h i r p e dp u l s ea m p l i f i e r ( c p a ) s y s t e m w a s p e r f o r m e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e db e l o w ： 1 i nc h a p t e r1 ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ef e m t o s e c o n d l a s e rp u l s eg e n e r a t i o n ，a n dt h ea m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d 2 t h et h e o r yo fk e r rl e n sm o d el o c k i n ga n dt h ed e s i g no ft h ef e m t o s e c o n d o s c i l l a t o ra r er e v i e w e di n c h a p t e r2 p a r t i c u l a r l y t h es e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l e a b s o r b e rm i r r o r ( s e s a m ) w a si n t r o d u c e di nt h i sp a r t ，w h i c hi sak e yc o m p o n e n tf o r s e l f - s t a r t i n gm o d el o c k i n gi nf e m t o s e c o n do s c i l l a t o r s t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yw a s a l s od e s c r i b e d 3 i nc h a p t e r3 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so ft h em a r t i n e za n dt h e o f f n e rs t r e t c h e r si nac p a s y s t e m i st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e df o rv a r i o u sa m p l i f i e r s ， 4 c h a p t e r4s h o w sa na n a l y s i so ft h ed i s p e r s i o no fe a c hc o m p o n e n ti nt h e m u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o n a n da d e s i g n e ds t r u c t u r e 5 f i n a l l y , i nc h a p t e r5 ，t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo f t h eh o l o g r a p h i cf i b e r g r a t i n g s t r e t c h e rw r i t t e nb yf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e sw a sd e m o n s t r a t e df o rt h ef i r s tt i m et o t h eb e s to fo u rk n o w l e d g e t h i si n c l u d e st h es e l e c t i o nc r i t e r i af o rt h er e c o r d i n g m a t e r i a l ，t h ec o n t r a s tr a t i od e p e n d e n c eo ft h ec h i r pc o e f f i c i e n t ，t h ep r o s p e c t i v ea n d p o t e n t i a lp r o b l e m s o f t h i sk i n do f g r a t i n g s k e y w o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e s ，c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ( c p a ) ， 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 r m i r r o r ( s e s a m ) ，d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n ，c h i r p e df i b e rg r a t i n g i i 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，也不包含为获得鑫鲞盘壁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：列，大乡 签字日期：渺j 年j 月f ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘建盘生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 孙婚 导师签名 弓锰驯 签字同期：珈) 年f 月，日 签字日期：。一，年f 月f 3 日 天津大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 1 1 飞秒脉冲激光概述 第一章绪论 1 9 6 0 年世界上第一台激光器的问世为人类提供了一种非常有价值的光源， 它具备单色性好、相干性好和方向性好等特点，在军事、工业、医疗和科研很多 领域起着不可替代的作用。但是般的激光器是多纵模输出，输出功率不稳定， 这对实际应用很不利，有两种解决办法，一是使激光器单一频率连续光运转，二 是使激光器的纵模锁模，激光器腔内大量高相干性、相位锁定的纵模同时振荡导 致辐射场能量集中在很短的时间内，可以得到稳定的脉冲激光。 激光诞生之后的2 0 年里，各种激光技术不断发展，锁模脉冲激光的脉冲宽 度也逐渐在缩短。1 9 8 1 年，贝尔实验室的福克( r l f o r k ) 等人研制出了碰撞 锁模c p m 染料激光器。利用这种被动锁模机制，首次获得了脉冲宽度在飞秒 ( 1 0 - 1 5s ) 量级的激光脉冲【1 1 。1 9 8 7 年福克( r l f o r k ) 等人，运用光纤一棱镜一 光栅对儿压缩技术把染料激光器输出的脉冲宽度压缩到6 一f s 2 1 ，这是那时人们所 能得到的最短的激光脉冲。当时的固体激光物质n d ：y a g 、n d ：g l a s s 等荧光带宽 窄，而且n d ：g l 铺s 热传导性能差，不具备产生飞秒脉冲激光的条件，飞秒脉冲激 光器只是停留在碰撞锁模染料激光器上，但是，染料激光器因为其增益介质是液 体，需要采用喷流形式，结构复杂，难以调试，而且染料有毒，不利于使用和携 带，难以小型化和实用化。直到八十年代末期，固体激光增益介质钛宝石 ( t i ：s a p p h i r e ) 在超短脉冲技术中的应用改变了这一现状。这种激光增益介质的 物理和化学性能良好，具有非常宽的发射带宽( 6 5 0 - n m 1 2 0 0 一r i m ) ，增益带宽 的半宽度( f w h l ) 达到2 3 0 n l i l ，饱和通量为0 9 j c m 2 ，热导率在3 0 0 一k 时为 4 6 w m k ，损伤阈值大于5 j c m 2 。利用钛宝石自身的克尔透镜锁模( k e r rl e n s m o d e 1 0 c k i n 旷k i ，m ) 可以得到飞秒脉冲激光，由此，固体飞秒脉冲激光器才 逐渐取代了染料激光器。1 9 9 1 年，英国人斯潘塞( d e s p e n c e ) 等人把s f l 4 棱镜插入谐振腔，补偿钛宝石激光器的腔内色散，获得了6 0 f s 的激光脉冲口1 ， 这是固体飞秒脉冲激光器发展的开端。而后飞秒脉冲激光技术得到长足的发展， 各种色散补偿压缩脉冲技术应用到这一领域，获得了脉宽更短的激光脉冲，1 9 9 7 年，瑞士联邦工业大学凯勒( u k e l l e r ) 等将双啁啾镜与棱镜对相结合补偿色散， 直接由钛宝石激光器得到6 5 f s 脉冲“1 。飞秒脉冲激光器的增益介质也并不局限 在钛宝石，c r ：l i s g a f 、c r ：l i s a f 、c r ：f o r s t e r i t e 、c r ：y a g 等材料也被用于产生 飞秒脉冲。另外，半导体可饱和吸收镜( s e s a m - - - - s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l e 大津大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 m i r r o r ) 的使用实现了钛宝石激光器的自启动。同时，飞秒脉冲激光啁啾脉冲放 大技术( c p a - c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 的单元技术也不断的更新、完善 与发展，使人们能够获得更高峰值功率的超短脉冲。 飞秒脉冲激光的脉冲宽度非常窄，电子信号的最短脉冲极限也不能于之相 比，是人类目前实验室条件所能获得的最短脉冲；时域上很短的脉冲宽度在频域 对应了很宽的光谱；另外，飞秒脉冲激光的能量是集中在几十飞秒到几飞秒的时 间内的，即使平均功率不大，却可以形成超强的瞬时峰值功率。正是由于飞秒脉 冲激光具有超短、超快、超强的特点，可以利用飞秒脉冲激光创造一些极限条件， 使其在某些应用领域起着不可替代的作用。 飞秒脉冲激光最直接的用途是时间分辨光谱学，用飞秒脉冲来观测物理， 化学和生物等超快过程，使人们看到了传统方法无法观测到的大量物理、化学和 生物领域的超快现象和超快过程，也是由此分支出了利用飞秒脉冲激光研究化学 反应过程的飞秒化学，以及利用飞秒脉冲激光对生物医学领域的研究等等。放大 后得到的高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及x 射线， 可用于受控核聚交，实现快速点火。用飞秒脉冲来作超精细加工，尺度可以突破 受波长局限的瑞利衍射的最小极限。利用飞秒脉冲可以产生t h z ( 1 0 ”h z ) 频段 的电磁波。飞秒脉冲作光学相干断层扫描( o c l _ 一0 埘c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 的光源可以观察活体细胞的三维图象等等。 由于飞秒脉冲激光振荡器输出的平均功率一般为几毫瓦到几百毫瓦，重复 频率为1 0 0 m h z 左右，单脉冲能量约为几十p j 到几n j 。而在很多实际的应用中， 这样的激光能量是不能满足应用需求的，这就需要放大飞秒脉冲激光的能量来满 足现实的要求。 1 2 飞秒脉冲激光放大技术 飞秒脉冲激光的放大不能用将激光振荡器输出的飞秒脉冲激光直接放大的 常规方法来实现。因为飞秒脉冲激光不同于一般的纳秒甚至皮秒脉冲激光，它的 脉冲宽度太短，如果直接放大，峰值功率会很高，达到一定程度就会引发一系列 问题：产生各种非线性效应，使激光脉冲的光束质量下降；过高的激光脉冲峰值 功率会破坏放大器中的光学元器件、增益介质；产生增益饱和效应，降低激光脉 冲从增益介质中获取能量的效率。于是，人们不得不使用一种叫啁啾脉冲放大技 术( c p a c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 的方法来放大飞秒脉冲激光川。 啁啾脉冲放大技术的工作过程是先将飞秒脉冲激光的脉冲宽度展宽到皮秒 天律大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 或者纳秒量级，然后将这个展宽后的激光脉冲送入放大器放大，最后压缩放大后 的激光脉冲，使脉冲宽度达到飞秒量级。所以通常啁啾脉冲放大系统是由展宽器、 放大器和压缩器三部分组成的。展宽器和压缩器实际上都是色散延迟线，但是二 者提供的色散符号相反，由此压缩器起到补偿放大脉冲的色散，压缩脉冲宽度的 作用。 啁啾脉冲放大技术发展至今，人们已经获得了很多展宽、压缩脉冲的方法， 诸如利用一块可以提供色散的光学介质、一段光纤、空芯光波导、棱镜对、啁啾 镜、或者是光栅对等等。其中最典型的方法是：展宽器用正色散光栅对( 马丁内 兹展宽器、欧浮纳展宽器或者巴蒂展宽器) ，压缩器使用负色散光栅对。这些展 宽压缩脉冲的技术有各自的优缺点和适用范围，究竞选取那种类型的展宽器和压 缩器需要视放大系统的具体情况而定。 啁啾脉冲放大器的增益介质除了最常用的钛宝石，还有n d ：g l a s s 、c r ：l i s a f 、 k r f 、以及x e c l 等。放大器也可以采用不同的形式，常用的是多通放大器 ( m u l t i p a s sa m p l i f i e r ) 和再生放大器( r e g e n e r a t i v ea m p l i f i e r ) 。 多通放大器，顾名思义，就是利用几面反射镜使种子光脉冲多次往返通过 放大器的增益介质，吸收能量，达到放大的目的。这种放大器没有谐振腔，结构 简单，不需要腔内的开关元件( 普克尔盒、格兰棱镜等) ，所以材料色散小，因 此也容易补偿色散和压缩脉冲。用来作初级放大时，一般使用聚焦镜来折返种子 光，这样可以使种子光脉冲在增益介质处聚焦，充分吸收能量。但是多通放大器 的缺点是种子脉冲每次总是倾斜地射入到增益介质中，因而不能与泵浦光束重 合，导致光束质量受到影响。作为功率放大器时，不使用聚焦镜，利用平面镜作 为折返镜，放在放大系统的最后一级。 再生放大器有一个激光谐振腔，本身就是一个调q 脉冲激光器，在没有种 子脉冲输入时，再生放大器可以输出一个纳秒级调q 脉冲。当把种子脉冲引入 放大器的谐振腔内，种子脉冲便在腔内多次往复，吸收了增益介质内储存的绝大 部分能量，使能量到达最大时，再将脉冲倒出腔外。因为再生放大器有一个激光 谐振腔，所以其放大的效率高，光束质量好，输出激光脉冲的模式可以得到t e m o o 模。但是再生放大器内部有一个由普克尔盒和格兰棱镜等构成的q 开关，激光 脉冲每次在再生腔内往返一次都要经过两次这个q 开关，因此放大器总的材料 色散很大，加大了压缩脉冲的难度。 一般地，由啁啾脉冲放大器输出的飞秒激光脉冲的平均功率被限制在几瓦 左右，这是因为重复频率与单脉冲能量乘积等于平均功率，这两个量不是独立可 天津大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 调的，而且同时具有高功率与高重复率的泵浦源不易实现，所以啁啾脉冲放大器 也不能获得同时具备高重复频率与高脉冲能量的输出脉冲。根据应用的需要可以 将放大器设计为输出高能量的飞秒激光脉冲放大器，或者具有高重复频率的飞秒 激光脉冲放大器。 高峰值功率低重复频率啁啾脉冲放大器的重复频率一般在几十赫兹以下， 输出的激光脉冲能量比较大，峰值功率可以达到t w ( j 0 1 2 w ) 量级。1 9 9 1 年， a s u l l i v a n 等人利用由四级放大构成的啁啾脉冲放大系统将由钛宝石激光器输 出的飞秒脉冲放大，获得重复频率为1 0 h z ，脉冲宽度为9 5 一f s ，单脉冲能量为 o 4 5 - 1 的激光脉冲【6 j 。m a x b o r n i n s t i t u t e 的m ek a l a c h n i k o v 等人用钛宝石作为 放大器增益介质的再生放大器，在1 9 9 8 年获得重复频率为1 0 h z 的放大飞秒脉 冲，峰值功率1 0 一t w ，单脉冲能量大于3 0 0 z r d ，脉冲宽度小于5 0 6 ，功率密度 约为1 0 1 9 w c m 2 ；1 9 9 9 年，该系统获得脉冲宽度3 0 f s ，峰值功率为2 5 t w ，单 脉冲能量为7 5 0 。r r d 的放大飞秒激光脉冲；2 0 0 0 年1 2 月这个激光系统的峰值功 率已经提高到1 0 0 t w 【7 】。但是，目前这类c p a 系统的最高输出功率的纪录保持 者还是日本关西原子力研究所的山川考一等人，1 9 9 8 年，他们由c p a 系统获得 1 9 f s ，1 0 h z ，1 0 0 t w 的飞秒脉冲输出m j 。 另外一种是高重复频率的飞秒脉冲激光的放大系统。输出脉冲的重复频率 在k h z ，峰值功率不高，但是平均功率可以较高。1 9 9 7 年，奥地利维也纳工业 大学的fk r a u s z 等人为了补偿三阶色散用色散介质和啁啾镜作展宽器，用多通 放大器的形式，利用空心光纤和啁啾镜压缩脉冲，得到了重复频率为1 k h z ，脉 冲宽度为5 f s ，单脉冲能量0 5 m j 的飞秒脉冲激光输出1 9 j 。 还要说明的是，啁啾脉冲放大系统中还包含比较特殊一族：能够获得很高 脉冲能量的飞秒激光放大系统。这种放大系统要求高功率泵浦，但是泵浦源驱动 电源中的电容充放电需要较长的时间，造成放大系统输出的飞秒激光脉冲的重复 频率非常低，低到每小时甚至几个小时输出一个飞秒脉冲，但是脉冲能量却可以 非常高，这种放大器主要用n d ：g l a s s 作为放大的增益介质，这种物质增益系数较 大，上能级驰豫时间长，有利于获得高能量脉冲的放大。以1 9 9 9 年美国l a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y 实验室m i c h a e lp e r r y 等人研制的p e t a w a t t 放大系 统为代表，它能够输出脉冲宽度为4 4 0 f s 的激光脉冲，功率密度达到7 1 0 2 0w c m ，峰值功率1 5 - p e t a w a t t ( 1 0 15 w ) ，单脉冲能量为6 6 0 j f l 0 】。 总之，飞秒激光脉冲啁啾放大系统的具体形式种类繁多，而且，随着实际 应用的需要和技术的不断创新和发展，飞秒激光脉冲啁啾放大系统的理论和技术 也不断地被完善，补充和发展。 4 天津人学硕士研究生毕业论文第一章绪论 1 3 本论文的工作和创新 本论文的主要工作内容包括： 1 、系统研究了啁啾脉冲放大技术中的理论，尤其是展宽压缩器与放大器如 何相配合的问题。对于一个具体的啁啾脉冲放大器选择何种形式的展宽器和压缩 器，以及如何确定展宽器压缩器中的各个参数，以更好的补偿材料色散，来获得 脉宽短，质量好的放大的飞秒脉冲激光，在理论上做了深入的研究。 2 、设计了多通飞秒脉冲放大系统，通过理论分析和计算确定选用何种形式 的展宽器、放大器和压缩器，以及各个部分中光学元件的参数和光路。设计定做 所需的光学元器件、机加工零部件，购买光学调整架等。最后实现了由飞秒激光 振荡器、展宽器、多通放大器和压缩器构成的飞秒脉冲多通放大系统。 3 、分析了s e s a m 的量子阱结构对光场的作用，计算s e s a m 结构中电场 的分布和s e s a m 的反射率曲线；与中科院半导体所合作生长s e s a m 的半导体 芯片，然后独立完成后期的腐蚀工艺制作和测试。 4 、用激光全息法写a s 2 s 3 光纤光栅作为放大系统的展宽器是一种新的展宽 脉冲的方法，本文对双光予吸收作用下两束激光干涉的光强分布做了理论计算和 分析。 本论文的创新点包括： 1 、在本论文中首次比较了通用的马丁内兹展宽器和欧浮纳展宽器的优缺点 和适用范围，指出如何根据放大器的材料色散的大小来分析和确定使用哪种形式 的展宽器和压缩器。 2 、本论文提出了新型逆向展宽压缩系统混合光栅马丁内兹展宽器，它 适用于补偿材料色散小的多通放大器中的材料色散。并将这一理论结果应用到实 验中验证。 3 、对双光子效应作用下用全息干涉法写光纤光栅的光场和光强分布作了理 论计算，并分析了各参数对光强分布的影响。 天津大学硕士研究生毕业论文第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 飞秒脉冲激光振荡器产生的飞秒激光脉冲作为种子光进入啁啾脉冲放大系 统，飞秒脉冲激光振荡器锁模稳定与否决定着放大系统能否正常工作，种子光 脉冲的质量则决定着放大系统输出光脉冲的质量。所以飞秒脉冲激光振荡器既 是啁啾脉冲放大系统的起始点，也是至关重要的一部分。本章内容包括1 、克尔 透镜锁模原理；2 、自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器的自启动机制半导体 可饱和吸收镜的原理；3 、半导体可饱和吸收镜的制作技术。 2 1 克尔透镜锁模原理 最初的锁模飞秒激光脉冲是由利用碰撞锁模原理的染料激光器产生的，有机 染料具有快速吸收和增益饱和效应，由此产生几十飞秒的激光脉冲。后来人们 发现钛宝石( t i ：s a p p h i r e ) 这种掺杂过渡元素的激光晶体具有非常宽的荧光光谱， 能够支持飞秒脉冲的产生。而且钛宝石自身存在种叫做克尔透镜的效应( k e r r l e n se f f e c t ) ，在这种效应作用下，外界提供的轻微扰动就可以使这种激光器从 连续振荡运转模式过渡到锁模运转模式，不需要饱和吸收器等外加条件，人们 称这种锁模方式为自锁模( s e l f _ m o d e 1 0 c k i n g ) 。后来人们意识到这种锁模方法 与克尔透镜效应有关，所以就称其为克尔透镜锁模( k e r r l e n s m o d e l o c k i n g 一 i m ) 。 光学克尔效应是一种非线性光学效应，与由增益介质内的三阶极化强度z 。 引起的非线性折射率抛有兴， ”( ，) = n o + h 2 ， 式中珊为线性折射率，- - i 也q 2 为光强。由公式( 2 1 ) 可以看出，介质的折射率与 输入光场的电场平方有关，当入射光为激光时，由于激光的光强很强，克尔效 应就不容忽视了。 激光在空间上的光强分布是不均匀的。如果考虑t e m o o 模，光强空间分布 是高斯型的，所以介质在光斑中间的折射率要大于处于光斑边缘的介质的折射 率，于是介质就起到了类似透镜的作用，称为克尔透镜效应。这种效应使光束 聚焦，聚焦的同时又加剧了克尔透镜效应，所以实际上克尔透镜提供了一个非 线性自强度调制机制。如果在腔内加七一个光阑，能够通过该光阑的光轴处的 天津大学硕十研究生毕业论文第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 光的损耗小，而光阑挡住的光被损耗掉了，这样就改变了腔内的损耗，从而形 成一种与光强有关的脉冲选择机制。实际上，在谐振腔内可以不加这个光阑， 如果泵浦光聚焦大小在晶体中比腔模小，可以起到光阑的效果，为了与真实存 在的所谓硬光阑相对应，称之为软光阑。 另一方面，腔内孤子激光脉冲的光强在时间上为双曲正割分布，所以除了上 述脉冲选择机制，克尔非线性效应还给予脉冲很强的自相位调制】( s e l fp h a s e m o d u l a t i o n s p m ) 。当一个时域上的高斯脉冲通过克尔介质时，克尔效应使 得脉冲时域上各个部分的相位和该处的功率密度有关， 妒o ) = ”( r ) ! 坠x ：o 。+ 竹：，( f ) ) ! 堕x cc 公式( 2 2 ) 其中。口为真空中的角频率，石为脉冲在晶体中通过的距离。则瞬时频率为 圳= 掣强一警掣x 公式( 2 3 ) 由公式( 2 3 ) ，可以看出激光脉冲中出现了新的频率成分。根据傅立叶变换的经 典理论，一个周期性的振幅调制或相位调制作用在一个周期信号中时都会引起 该信号频域上新的频率成分的产生。正是由于激光脉冲在自相位调制的作用下 能够产生新的频谱成分，使得激光脉冲的光谱变宽，所以它为产生超短脉冲创 造了基本条件。在自相位调制过程中，n 2 o 时，脉冲前沿导致新的低频成分出 现( 红移) ，后沿导致新的高频成分出现( 蓝移) ，这些频率成分不是同时产生 的，但是都产生在原始脉冲中，这就产生了啁瞅( 2 0 时为正啁啾) ，于是激光 脉冲不再是傅立叶变换极限脉冲。而自相位调制自身并不能改变脉冲包络形状， 所以需要将自相位调制与谐振腔内的负群延迟色散( g r o u p d e l a yd i s p e r s i o n g d d ) 结合在一起，产生很强的脉冲窄化作用，形成光学孤子脉冲。在超短脉 冲激光器中产生啁啾和提供谐振腔内的负群延迟色散是由两个分立的过程完成 的：激光脉冲通过正色散介质，脉冲宽度被展开，并且在自相位调制和色散作 用下产生正啁啾；然后通过负色散元件，激光脉冲被压缩到近傅立叶变换极限 脉冲。然而，分立的自相位调制与腔内负群延色散会使脉冲难以稳定，于是克 尔透镜锁模提供的自振幅调制起到稳定脉冲的作用。 当钛宝石激光器输出连续光运转时，腔内激光在外界的振动、扰动的作用下 发生随机的强度和相位的变化，在克尔透镜和s p m 效应的作用下激光器会从连 天津大学硕士研究生毕业论文第二章自启动钛宝石b 秒脉冲激光振荡器 续运转转变为锁模运转，就形成了超短脉冲。 2 2 自启动钛宝石飞秒激光振荡器 钛宝石飞秒激光振荡器的光路结构见图2 i 。 图2 1 钛宝石飞秒激光振荡器光路图 钛宝石飞秒激光振荡器为x 型腔结构，其中l 是聚焦镜，焦距为1 0 一c m ： m l 和m 2 是双色镜，对5 3 2 - r t m 的光透射，对8 0 0 n m 的光全反，焦距均为5 - c m ： s e s a m 是半导体可饱和吸收反射镜( s e m i c o n d u c t o rs a l u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r ) 凹面镜m 3 的焦距也是5 - c m ，将光束聚焦在s e s a m 上：o c 是7 的输出镜； 飞秒激光振荡器的总腔长为1 4 7 m 。 钛宝石晶体长5 - m i d ，以布儒斯特角切割，并且腔内激光以布儒斯特角入射 到钛宝石晶体中。当光束斜入射到透明介质时，会带来像散，同时。光束斜入 射到透镜或者球面镜时也会带来像散。但是这两种情况产生的像散恰好相反， 在设计谐振腔对，当参数满足了一定条件时，两种情况产生的像散可以相互补 偿。在晶体长度、球面镜曲率半径一定的条件下，通常选择球面镜上光束的入 射角作为调节像散的参数，并称之为像教补偿角0 。像敦补偿角可以通过下面 的方程求解， r t a n o s i n o = 丁n 2 - i ，n s 公式( 2 4 ) 其中只是球面镜曲率半径，n s 是钛宝石晶体的长度，n 是钛宝石晶体的折射率 肝= 】7 6 。本实验中，| | 宅= 1 0 0 一n 瑚，n ? s = 5 - r a m ，则计算出像散补偿角伊一7 。， 天津大学硕士研究生毕业论文第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 用一对熔融石英棱镜来补偿谐振腔内的色散，调节棱镜对的插入量和棱镜对 问距可以调节棱镜对产生的二、三阶色散，使棱镜对的二阶色散补偿激光谐振 腔中的二阶色散和s p m 效应带来的啁啾，同时调节三阶色散使谐振腔中总的三 阶色散最小，得到稳定的锁模脉冲输出【1 2 】。 0 1 4 0 1 2 3 m0 1 0 二 0 0 8 墨0 0 6 三0 0 4 0 0 2 0 0 0 o 习 8 参 c 里 三 - t 一 - 一 一 一 _ - 饥 饥u也 叽 吨 、 q“h 吨 h 队l 05 01 0 01 5 02 0 0 t i m e ( r l $ ) ( a ) 飞秒激光振荡器输出的脉冲序列曲线 w a v e l e n g t h ( a m ) ( b ) 飞秒激光振荡器输出脉冲的光谱 图2 ，2 飞秒激光振荡器输出脉冲的参数 飞秒激光振荡器输出激光脉冲的实验结果见图2 2 。图( a ) 是由示波器测得 的飞秒激光脉冲序列，重复频率约1 0 0 一m h z ；( b ) 是用光谱仪测量的脉冲光谱 曲线，中心波长约为7 9 0 n l t l ，脉冲谱宽约2 5 一n l n ，假设振荡器输出激光脉冲一 般是傅立叶变换极限双曲正割型脉冲，脉冲宽度应该是2 6 2 一f s 。( 因为我们的相 天津大学硕士研究生毕业论文第二章白启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 关器不能正常工作，未能实测脉冲宽度。) 2 3 半导体可饱和吸收反射镜s e s a m 振荡器中使用了半导体可饱和吸收镜s e s a m 作为钛宝石激光器锁模的自 启动器。 钛宝石飞秒激光器的锁模有两个条件，一是要求谐振腔必须调整到稳区的边 缘；另外，它还需要一个启动机制，比如敲一下外壳或腔镜，推棱镜，或者其 中一个端镜使用振镜等。当然，人为的外界扰动可以启动锁模，也可以中断锁 模。不经意的振动、空气的流动等也会干扰锁模，使锁模激光器不能稳定运转。 因此人们不断寻找能够启动锁模和稳定锁模运转的机制。开始人们采用染料可 饱和吸收器作锁模启动器，但是这种方法使用不方便，而且染料有毒。后来人 们注意到，半导体材料在很宽的光谱范围内具有可饱和的吸收带，于是将半导 体可饱和吸收体与谐振腔的一个腔镜相结合，构成半导体可饱和吸收反射镜， 它响应时间快，体积小，使用方便，成为非常有潜力的锁模启动器。1 9 9 0 年， 当时在贝尔实验室工作的诺克斯( wh k n o x ) 和凯勒( u k e l l e r ) 等人用外延法 将半导体可饱和吸收体直接生长在半导体布拉格反射镜上，作为钛宝石激光器 的锁模启动器【1 。这种器件因此被称做半导体可饱和布拉格反射镜( s a t u r a b l e b r a g gr e f l e c t o r s b r ) 或半导体可饱和吸收反射镜( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l e a b s o r b e rm i r r o r s e s a m ) 。但是这种使用布拉格反射镜结构的s e s a m 生 长时间长，带宽窄，于是有人提出直接采用金属膜作为反射镜的宽带半导体可 饱和吸收镜( b r o a d b a n ds e s a m ) 【”l 【1 6 】，然而由于金属与半导体材料结合力不 够强，s e s a m 的损耗很大，反射率不离。1 9 9 8 年，张志刚等人提出了低损耗宽 带半导体可饱和吸收镜( l o w 1 0 s sb r o a d b a n ds e s a m ) 【1 7 j i l 8 j ，这种s e s a m 克 服了上述问题，反射率可达到9 9 以上，带宽可以达到2 0 0 一n r n 以上。 2 3 1s e s a m 启动锁模原理 半导体可饱和吸收体是置于锁模激光器中的一个反射镜，它可以吸收一定波 段的光能量。但是它对光能量的吸收是有限度的，达到一定量时，这种吸收就 饱和了，不再吸收光能量。锁模前谐振腔内各纵模之间的位相差是动态随机的， 腔内的瞬时光功率较低，受可饱和吸收体吸收抑制。在某一瞬时会出现位各个 纵模间位相差相对恒定的锁模状态，可饱和吸收体就是捕捉并利用这个瞬时的 锁模，来启动锁模的。因为这时谐振腔内会出现一个峰值功率很高的巨脉冲， 1 0 天津大学硕士研究生毕业论文第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 使可饱和吸收体的吸收达到饱和，可饱和吸收体对该巨脉冲能量的吸收相对于 该巨脉冲本身的能量很小，这使得该脉冲可以在腔内继续振荡，最终使得腔内 只存在一个脉冲，即锁模被启动。这时的锁模脉冲还不是飞秒脉冲，而是皮秒 脉冲。但是，这个皮秒锁模脉冲已经使谐振腔内具有足够高的光功率，以使克 尔透镜效应和自相位调制起作用，形成飞秒锁模，而那些无规小脉冲大部分被 吸收抑制。这就是s e s p 0 讧启动锁模的过程。 半导体材料是对光有吸收的，吸收系数一般在1 0 4 c m 。半导体的吸收波长 取决于禁带宽度，可吸收光波的最长波长定义为吸收边。常用的二元半导体材 料可供选择的禁带宽度范围有限，为了满足实际的应用对吸收波长的要求，经 常要用三元化合物半导体来调节禁带宽度。例如常用g a 或a l 与i n a s 构成三元 化合物半导体材料，来调节i n a s 的禁带宽度。材料禁带宽度可用经验公式来计 算，例如，对于没有应变的i n g a a s ，其禁带宽度的经验公式为【1 9 】， e g = 1 4 2 3 1 5 3 x + 0 4 5 x 2 ( c v ) ( a t3 0 0 - k )公式( 2 - 5 ) x 表示i n 的含量，通常这种材料就记做i n x g a l 。a s 。 s e s a m 是由包含可饱和吸收体的若干层半导体材料膜层构成的，用外延法 生长在半导体衬底上。当两种半导体材料的晶格匹配时，才可以将一种材料生 长在另一种材料上。这是因为晶格失配会在生长层上造成定应变，影响禁带 宽度；同时晶格失配以及应变还限制半导体层的生长厚度，如果外延层生长在 一定的厚度以内，由晶格失配形成的应力能够由生长层的弹性形变来承受，而 不至于产生过大的缺陷或位错，如果超过这一厚度就会导致不容忽视的缺陷和 暑 鹳 - 4 i l f 。o 一一 群抽_ _ i 一-h - h 蜃 翟k、 疆阪 、 1 - 五a 蟹 - 、 砼。尹 棚i_ l i i i i l m嫖 慰，、 漤溅卜 i 铲蹬窝g 1 l _ -_ - i f 7 渊 “呷hk 。m ” e - 佃，l 图2 - 3 半导体材料的晶格常数和禁带宽度关系图 天津大学硕士研究生毕业论文第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 位错，这个厚度称为临界厚度；缺陷和位错增加非饱和吸收损耗，这些都不利 于可饱和吸收体工作1 2 “。图2 。3 给出了些常用半导体材料的晶格常数与禁带宽 度的关系，并标出了与之匹配的村底。 对于利用克尔透镜效应锁模的飞秒脉冲激光器，不需要吸收很大的能量就可 以启动锁模，所以可饱和吸收体只需几个纳米厚。而且考虑到晶格匹配的问题， i n g a a s 的厚度必须控制在临界厚度以下。而当吸收体( 势阱) 薄到一定程度。 并且两边生长了较厚的高禁带宽度的材料( 势垒) ，就形成了量子阱l l 。这时， 势阱的厚度已经可以和电子的德布洛意波波长相比拟了，于是产生量子尺寸效 应，电子被限制在有限势阱中，在垂直于势阱的方向上的运动能量量子化了， 只能取一系列分立的数值。正是由于量子化引发的效应，使得量子阱的吸收边 不仅取决于半导体材料本身的禁带宽度，而且和量子阱的厚度有关。如果单量 子阱的吸收能量不够，可以采用多量子阱。 一般来说半导体的吸收有两个特征弛豫时间【2 们，一是带内热平衡时间，这 个时间很短，在1 0 0 2 0 0 - f s 左右；一是带间跃迁时间，这个时间相对较长，从 几p s 到几百p s ，见图2 - 4 。正是因为半导体可饱和吸收体具有高速时间特性， 所以可以启动锁模。锁模启动机制主要是响应时间很短的带内热平衡，但这个 时间不易控制；同时也要求带间弛豫时间远小于谐振腔往复时间，这主要取决 于半导体生长的温度。 u e 呻i o t $ 1 1 r i e i s 口 图2 - 4 半导体吸收体的时间特性 s e s a m 作为一个可饱和吸收器，还要考虑它对光场的调制深度。调制深度 是指当脉冲通量远大于饱和吸收通量时反射率的变化。一般说来，深度调制可 以获得更短的脉冲，但是，调制深度要适度，否则调制深度太深会导致自调q ， 而且往往带来过大的非饱和损耗。 1 2 天津大学硕士研究生毕业论文 第二章臼启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 2 3 2 低损耗宽带s e s a m 的结构、特性及制作工艺 s e s a m 一般由反射镜和吸收体两部分构成。 低损耗宽带s e s a m 的反射镜部分是采用金膜作为反射镜材料，为了克服由 于金与半导体材料结合力差引起较大的非饱和损耗的问题，在金与半导体材料 之间生长合适厚度的低折射率材料，一般为s i 0 2 和a 1 2 0 3 等。这些材料与半导 体材料和金的结合力都比较好，降低了非饱和损耗。而且采用适当厚度的这些 物质，可以将的整体的反射率调节到最大值【2 “。 j 磊一 d a 、一川 m a x i m e u mt 毒o r e 图2 5 材料吸收系数一反射率导纳示意图 导纳图可以说明这个问题见图2 - 5 。导纳是一个复数，横、纵坐标分别为 其实部和虚部。a 点为金属材料的导纳，虚线圆表示在金膜上生长单一材料时对 导纳产生的影响，b 点是膜层厚度为2 4 的导纳，c 点表示使用单一材料膜层适 当厚度时可达到的最大的导纳值。但是如果使用两种材料，选择第一种材料的 厚度使得导纳剐好达到d 点，第二种材料选择为高折射率材料，厚度为2 4 ，就 可以得到更大的导纳值e 点。所以取合适的材料在半导体层上镀合适的厚度的 膜层，就可以提高s e s a m 的反射率。 饱和吸收体一般是量子阱结构，两边生长势垒材料，为了获得均匀有效的 吸收，一般将量子阱安放于电场最大处。s e s a m 结构中的电场分布可以由递推 公式计算( 见附录) 。 设计s e s a m 的结构图见图2 - 6 。 天津大学硕十研究生毕业论文 第二章自启动钛宝石e 秒脉冲激光振荡器 图2 - 6s e s a m 结构图 i n g a a s ( q w ) 电场在s e s a m 中的分布见图2 7 ，对于中心波长为8 0 0 一舢的光波电场 在量子阱的位置电场最大。 图2 7 电场在s e s a m 中的分布 计算的s e s a m 反射曲线如图2 8 ，反射率带宽很宽。反射率在从波长7 0 0 - n m 到9 5 0 m ，约2 5 0 啪带宽范围内均可以达到9 9 以e 。 s e s a m 的制作过程是：首先在半导体衬底材料o a a s 上用外延法生长半导 体材料的膜层，然后生长介质层和金膜，最后要去除半导体衬底和止蚀层。去 除半导体衬底和止蚀层的方法是：先将s e s a m 用环氧树脂粘在硅片卜( 硅片在 这里既作为s e s a m 的支撑物，又起到传导热量，冷却s e s a m 的作用) ：然后 研磨掉大部分的衬底g a a s ，最后用化学腐蚀的方法去掉剩余的g a a s 和止蚀层。 最后得到一片类似于平面反射镜的元件，见图2 - 9 。 天津大学硕士研究生毕业论文第二章自启动钛宝石飞秒脉冲激光振荡器 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 8s e s a m 反射率曲线 理论计算值与实验测量的比较，测量曲线是相对值 图2 - 9 腐蚀后的s e s a m 示意图 我们与中科院半导体所合作生长s e s a m 半导体芯片，在本研究室完成后 期腐蚀工作和特性测试。图2 - 8 中的虚线是测量的s e s a m 的相对反射率曲线， 由于测量仪器的原因，测量值比理论计算值略低，但是仍然能够获得从波长 7 3 0 岫到9 6 5 n r n ，2 3 5 - n m 的带宽有9 5 以上的名目反射率。 实验结果表明该结构的s e s a m 能使钛宝石匕秒脉冲激光器自启动锁模， 而且锁模脉冲带宽较宽，输出功率与不使用s e s a m 时相比下降约5 0 一m w ，激 光器工作稳定。 2 4 小结 本章根据钛宝石激光振荡