超短脉冲 第六章.ppt

第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,飞秒激光振荡器输出功率多在几毫瓦至几百毫瓦，重复频率在80100兆赫兹。单一脉冲能量在纳焦量级。,一般来说，重复频率与单一脉冲能量不是独立可调的，这两个量的乘积即激光的平均功率被限制在几瓦左右，多由增益介质的热效应所制约。,飞秒脉冲的放大则需要新的设计方法，其原因是既要保持脉冲短又不损坏增益介质是件不容易的事。,FemtoseondlaserpulsescanNOTbeamplifieddirectly!,超短脉冲放大遇到困难：（1）由于增益饱和使得其从增益介质中抽取能量变得低效甚至无效。（2）高峰值功率的飞秒光脉冲通过介质时表现出极强的非线性效应和破坏效应。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.1放大器中的脉冲成型,6.1.1增益介质的饱和,增益介质的饱和影响依赖于时间的放大系数。随着增益的饱和,产生相位调制。相位调制不直接改变脉冲的包络,但改变脉冲在介质中的传播过程。,显示输出波形对输入波形的依赖关系。a.高斯波形。b.双曲正割波形。c.含有尾部的非对称高斯波形.虚线对应于入射脉冲。,饱和作用有利于产生比较陡的脉冲前沿，脉冲中心向前移动。放大后脉冲的两翼对输入脉冲波形非常敏感。如果要减少脉冲的放大中的脉冲展宽或者获得更窄的脉冲，输入脉冲波形最好前沿陡一些。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.1放大器中的脉冲成型,6.1.2增益窄化,被放大的脉冲的频谱宽度超过一定限度,或者说达到与增益饱和带宽相比拟时，放大后的脉冲带宽是否保持得住原来的带宽？,答案：不同的光谱分量得到不同的增益。因为每种增益介质都有有限的带宽,放大就必然伴随一个光谱窄化过程。,应用可编程声光色散滤波器对种子脉冲整形补偿增益窄化。物理学报2005,54(6):2764,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.2放大器中非线性折射率的影响,6.2.1自相位调制,强脉冲在传播和放大过程中会引起折射率的变化。因此脉冲中各频谱分量通过介质的长度会不一样,导致可能的自相位调制和自透镜效应,6.2.2自聚焦,由于非线性非谐振折射率造成的频率变化是,非谐振折射率变化总是在频率中心导致“上啁啾”。,自聚焦长度定义,光的能量在钛宝石激光器中达到饱和时,只有几cm。,Chirped-pulseamplificationin-volvesstretchingthepulsebeforeamplifyingit,andthencompressingitlater.,Wecanstretchthepulsebyafactorof10,000,amplifyit,andthenrecompressit!Advantages:eliminatenonlinearself-focusingimproveamplificationqualityandefficiency,G.Mourouandcoworkers1985,Pulsecompressor,t,t,Solidstateamplifier(s),t,Dispersivedelayline,t,Shortpulseoscillator,CPAisTHEbigdevelopment.,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.3啁啾脉冲放大器,Tworegens.Thedesignin(a)isoftenusedforkHz-repetition-rateamplifiersandthelower(b)ata10-20-Hzrepetitionrate.TheTi:sapphirerodisusually20-mmlonganddopedfor90%absorption.,thin-filmpolarizer,Pockelscell,Faradayrotator,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.3.1再生放大器（RegenerativeAmplifier,Regen）,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,1.优点：,再生放大器是把种子脉冲吸入放大器腔内,待种子脉冲在腔内多次往复被放大到最大能量时,再将脉冲倒出腔外。再生放大器本身也是一个调Q脉冲激光器。,1)高效率：小信号能量放大倍数可达106至107；几十pJ到几nJ的种子脉冲放大到几mJ至数十mJ。,2)高光束质量：再生放大器本身模式可以调到标准的TEM00模。如果入射的种子脉冲的模式与再生放大器的腔模相吻合,则输出脉冲的模式也可以是很好的TEM00模。,6.3.1再生放大器,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,2.四分之一波电压再生放大器：,6.3.1再生放大器,再生放大器谐振腔1:高重复频率低能量型,TFP（薄膜偏振片）:只对某一方向的偏振光反射,对另一方向的偏振光透射.,PC（PockelsCell普克尔盒）：加四分之一波长电压以后作用相当于四分之一波片。,四分之一波片:偏振光一次通过变成圆偏振，两次通过改变偏振方向。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,2.四分之一波电压再生放大器：,6.3.1再生放大器,再生放大器谐振腔1:高重复频率低能量型,放大过程：（1）垂直偏振的种子经过两次四分之一波片变成水平偏振。（2）被反射回来的脉冲第二次通过普克尔盒的瞬间,普克尔盒施加于四分之一波长电压，则返回的脉冲偏振方向仍为水平偏振。（3）反复经过放大介质能量达到最大值,将脉冲倒出腔。,PC放在腔的一端,要求电压的上升沿几乎等于整个腔内往复时间。假定腔长仍为1.5-m,此时要求电压的上升沿为8-ns。电压也只需半波电压的一半。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,3.半波电压再生放大器,6.3.1再生放大器,再生放大器谐振腔1:高重复频率低能量型,PC加半波电压,即普克尔盒变为半波片。,脉冲的入射与出射完全取决于施加于普克尔盒电压的时间。电压的上升沿至少要小于半个腔内往复时间,如果PC是放在腔的正中的话。假设腔长为1.5m,腔内往复时间就是10ns,因此要求电压的上升沿为5ns。,有两个出入口,可以把入射光和出射光分开,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,4.脉冲在再生放大器腔内的演化,6.3.1再生放大器,(a)脉冲在再生放大器中的演变；(b)当脉冲在腔内达到最大值时，将脉冲导出腔外。(c)单脉冲输出。探测器为Diode。,种子脉冲能量2nJ,100fs,脉冲经过腔内15个循环放大达到饱和，放大后的脉冲能量为每脉冲1mJ。,Multipass-amplifierarrangement.M1,M2are1mRoCmirrorsandM3isflatandupto15-cmwide.APockelscellPCandapairofpolarizersareusedtoinjectasinglepulseintotheamplifier,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.3.2多通放大器,Multi-passamplifier,Regenerativeamplifier,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.3.2多通放大器,两者比较,6.3.2多通放大器,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,复习题：,如何求宽带激光脉冲经过色散介质后引起的色散？那么如何来补偿色散？飞秒脉冲为什么不能直接放大？飞秒激光放大过程中会出现哪些效应？,光线追迹法追踪光脉冲在光学系统中的踪迹，计算光脉冲激光每一次经过色散原件引起的各阶色散，对于脉冲经过色散介质情况，各阶色散通过折射率对波长（或角频率）的各阶导数求的，而折射率对波长的依赖关系可以通过塞尔麦耶公式得到。对于光栅对和棱镜对空间色散元件,求各阶色散即是对空间路径求各阶导数。总的色散即为总的一阶、二阶、三阶.色散。如何补偿：一般来说，完全补偿各阶色散不太可能（材料有限），通常在完全补偿二阶色散基础上，尽可能的使三阶或高阶色散尽可能的小，当然，对于脉宽越小，高阶色散作用越明显，补偿起来越苦难。,第一个棱镜有什么用？角度随波长有无变化？,由于第一个元件色散，使得不同的波长光程略有不同，即光程是波长的函数,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4飞秒脉冲的自相关测量,测量超短脉冲宽度须把时间信号转变为空间信号。自相关法入射光分为两束，其中一束光通过延迟线，然后两束光合并，通过倍频晶体（或双光子吸收/发光介质），改变延迟可得到一系列信号。信号的强度对延迟的函数即为脉冲的自相关信号。,6.4.1强度相关,假设分束板分出的两束光强度相等,强度自相关可用下式表示,是其中一束光的时间延迟,如果已知入射脉冲波形,这个积分可以做出来,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.1强度相关,对于高斯型脉冲,其自相关波形为,自相关波形的半高宽(FWHM)与脉冲宽度的比值为,对于双曲正割型脉冲,其自相关波形为,自相关波形的半高宽(FWHM)与脉冲宽度的比值为1.543,6.4.2干涉条纹分辨的相干自相关图形,两束场强分别和激光,在同方向共线情况下,相干叠加后的场强,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.1强度相关,对于高斯型脉冲,其自相关波形为,自相关波形的半高宽(FWHM)与脉冲宽度的比值为,对于双曲正割型脉冲,其自相关波形为,自相关波形的半高宽(FWHM)与脉冲宽度的比值为1.543,6.4.2干涉条纹分辨的相干自相关图形,两束场强分别和激光,在同方向共线情况下,相干叠加后的场强,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.2干涉条纹分辨的相干自相关图形,让这个场强通过倍频晶体,倍频信号的强度与基频光强的平方成正比,展开积分号内括号内的项,可以改写为：,其中：,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.2干涉条纹分辨的相干自相关图形,假设入射脉冲为双曲正割型，且两束光场强相等,位相为零，即,倍频自相关信号为：,脉宽20飞秒的脉冲的条纹分辨自相关波形,假设表示脉冲的半高宽FWHM，则入射脉冲,则有：,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.2干涉条纹分辨的相干自相关图形,干涉条纹可分辨的自相关图像的特征：仍设,是强度相关信号。是两脉冲完全重合时强度相关信号。是背景信号的强度。,脉宽20飞秒的脉冲的条纹分辨自相关波形,当所有项的信号都被记录下来时，倍频自相关信号在时取得最大值。,信号与背景之比8:1，与脉冲的形状无关。图形都是对称的。处于中心的必然是一个最大值。相干条纹之间的间隔是一个频率周期。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.2干涉条纹分辨的相干自相关图形,定性地检查脉冲是否含有自相位调制,是何种类型的自相位调制;定量地测量线性啁啾;与脉冲的光谱一起,拟合确定脉冲的波形。,高斯脉冲对于不同的啁啾参数的所获得的相干自相关波形的包络,例子：设入射脉冲是含有啁啾的单位光强的高斯波形：,对含有啁啾的脉冲,相干自相关波形在靠近中心的两翼部分隆起,偏离8:1的比例。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.4.3条纹分辨自相关仪,脉冲自相关仪。PMT是光电倍增管，SHG是倍频晶体,测量10飞秒以下的脉冲，分束板应该越薄越好（例如500m厚）。,除了倍频晶体，可以利用双光子吸收效应，直接用光电二极管接收而不通过倍频晶体。,对于1m以上到1.6m的飞秒脉冲，可以用Si光电二极管作为非线性元件。,光束被分束片分为相等的两束光，被两个直角反射镜反射并在分束片上重新重合，其中一个直角的反射镜安装在扫描器上。重合后的光被聚焦到倍频晶体或带放大器的光二极管上。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.5飞秒激光脉冲的位相测量（FROG）,6.5.1高阶非线性相关频率分辨光学开关法,频率分辨光学开关法(frequencyresolvedopticalgating,FROG)用了一个克尔开关取代了二阶非线性自相关器。Opt.Lett.1993,18:823,频率分辨光学开关法测量相位的装置,被测脉冲先被分成两束,一束较强作为开关的泵浦光;另一束较弱作为信号光。泵浦光与信号光被聚焦后在石英玻璃片上在时间和空间上重合。当没有泵浦光时,没有信号透过。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.5飞秒激光脉冲的位相测量（FROG）,频率分辨光学开关法测量相位的装置,当泵浦光与信号光重合时,泵浦光的非线性作用使得开关打开，使得信号光通过。透过光开关的信号光电场强度：,是光开关函数。,经过傅里叶变换，其频率分辨的强度即为实际探测得到的信号光的强度分布。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,利用FROG方法获得的信号物理学报2003,52(2):362,如何从测量得的信号获得脉冲电场和相位信息呢?这就要采用一个所谓脉冲重建(reconstruction)程序。,利用位相迭代算法(程序):已知开关函数g(t-),先假定一个初始脉冲电场E(t)(如高斯脉冲),可以算出强度分布IFROG(,)。,与实验测量得到的强度分布IFROG(,)比较,修改由计算得到的强度分布IFROG(,).将修改后得到的信号值做反傅里叶变换得到一个新的E(t)，完成一次迭代(电场实部为强度值,虚部为相位)。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,利用FROG方法获得的信号物理学报2003,52(2):362,6.5飞秒激光脉冲的位相测量（FROG）,FROG行迹计算程序示意图和流程图物理学报2003,52(2):362,FROG位相迭代算法程序框图，计算程序可以在市场上买到。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,FROG行迹图：上啁啾,无啁啾,以及下啁啾,6.5飞秒激光脉冲的位相测量（FROG）,含有很强自相位调制的脉冲的FROG行迹与乐谱的相似性示意图,利用FROG方法测量超短脉冲得到一些示范性结果。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.1光谱相干法,空间相干：两束相位不同光场在空间混合后在屏幕上产生正弦调制的干涉条纹，两束光之间相位差表现为条纹间距的变化（条纹移动）。,时间相干：两个不同时间和到达一点的脉冲会在合成的光谱上产生干涉条纹。条纹的频率间隔与延迟成反比,两个脉冲间的任何光谱相位的差将会表现为条纹的畸变。,两个在时域具有时间延迟的脉冲在频域的相干图形。条纹的间隔与脉冲之间的时间延迟成反比,SpectralInterferometry（光谱相干）由法国人佛洛利提出,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.2参考光与信号光的相干,未知脉冲与参考脉冲通过分束器合成一束入射到光谱仪中,两束光之间有一个固定的时间差。干涉条纹就是光谱调谐分量的函数,写为,两个在时域具有时间延迟的脉冲在频域的相干图形。,记录光谱仪输出的相对于不同频率的N个数据。为了保证分辨精度,每个条纹至少要记录三个数据点（事实上记录10个点以上更好）。利用两次傅里叶变换求出各个频率点两个脉冲之间的相位差。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.3信号光的自参考相干,将一个未知的入射脉冲分成两束,每一束光路上都有一个频移器件,给每个脉冲各施加一个已知的频移，这两个脉冲再合在一起,进入光谱仪。光谱仪检测的信号是:,两个在时域具有时间延迟的脉冲在频域的相干图形,关键是怎样做这样一个频移而不损害原来脉冲的相位。移频器是否可用？但是现在的调制技术的谱宽还不足以覆盖飞秒脉冲的频谱,以制造出足以测量飞秒脉冲的频移。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.3信号光的自参考相干,将一个未知的入射脉冲分成两束,每一束光路上都有一个频移器件,给每个脉冲各施加一个已知的频移，这两个脉冲再合在一起,进入光谱仪。光谱仪检测的信号是:,两个在时域具有时间延迟的脉冲在频域的相干图形,关键是怎样做这样一个频移而不损害原来脉冲的相位。移频器是否可用？但是现在的调制技术的谱宽还不足以覆盖飞秒脉冲的频谱,以制造出足以测量飞秒脉冲的频移。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.4自参考光相干电场重建法,（Self-referencingSpectralPhaseInterferometryforDirectElectricFieldReconstruction:SPIDER)自参考光相干电场重建法提出用非线性介质可以做出能够覆盖足够宽的频谱的频移方法。,用啁啾脉冲与非线性效应产生微小频移,超短脉冲激光展宽为一个带有啁啾的脉冲。与两束具有时间延迟的短脉冲激光聚焦到倍频晶体与啁啾脉冲混频（和频），由于延时后的双脉冲是与展宽后的啁啾脉冲的不同时间片断(即不同频率)进行和频变换，因而产生的两个和频脉冲相互间具有时间延时且光谱频移。,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.4自参考光相干电场重建法,设侧切（和频）后脉冲的中心频率为和,干涉条纹式重新写为,第六章飞秒激光脉冲放大及特性测量,6.6飞秒激光脉冲的位相测量（SPIDER）,6.6.4自参考光相干电场重建法,将进行傅里叶变换，在时域中将出现在不同时间位置（三个量分开）。,频率上转后的两短脉冲光谱相干的时域强度曲线,1）滤波：用滤波方式（例如用一个4阶超高斯函数）把交流部分FFTD-ac()或FFTD+ac()（含有相位因子项）过滤出来，,还原相位需要三个步骤：,第六章飞