超短脉冲技术的原理与应用

编号研究类型理论研究分类号TN2 学士学位论文（设计） Bachelors Thesis论文题目超短脉冲技术的原理与应用作者姓名学号所在院系学科专业名称电子信息科学与技术导师及职称论文答辩时间2016年5月15日中文题目： 超短脉冲技术的原理与应用外文题目： The Principle and Application of Ultrashort Pulse Technology学生姓名学生学号院系专业物理与电子科学学院电子信息科学与技术学生班级学 生 承 诺我承诺在学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生（签名）：年 月 日指导教师承诺我承诺在指导学生学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术道德规范，经过本人核查，该生学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。 指导教师（签名）： 年 月 日目录1.引言11.1国内外研究现状11.2 研究超短脉冲的意义12.超短脉冲激光的原理32.1超短脉冲激光32.2 调Q技术32.3锁模的基本原理92.4锁模的种类163. 超短脉冲激光的应用203.1皮秒激光的应用203.2飞秒激光加工及其应用223.3 阿秒激光的应用274.结论275.参考文献29致谢信超短脉冲技术的原理与应用XXXXXX摘要：在激光光谱学、生物学、化学、光电子学及物理学等学科超短脉冲技术是对微观世界进行探究的主要手段，它最直接的应用是通过它为光源造成多种时间分辨光谱、探测以及泵浦技术。本文在了解超短脉冲其形成的机理即各种锁模技术的情况下，理解皮秒脉冲、飞秒脉冲、阿秒脉冲的各种测量办法，并且简单的介绍如今国内外较热点的各种超短脉冲技术运用，尤其重点探讨了飞秒激光在高能物理和核物理、激光加工、生物医学方面的应用。关键词：超短脉冲；锁模技术；飞秒激光中图分类号：TN2The Principle and Application of Ultrashort Pulse TechnologyXXXXXAbstract:Ultrashort pulse technology is physics, chemistry, biology, optoelectronics, and laser spectroscopy study of micro world and reveal the new fields, such as an important means of ultrafast process, it is the most direct application of people use it as a light source to form a variety of time-resolved spectroscopy and pump/detection technique. Understand short pulse is presented in this paper, the mechanism of ultrashort pulse conditions (Q technology and all kinds of mode-locked technology), is a blend of picosecond pulses, femtosecond pulse, various measuring methods of the second pulse, and the various laser application at home and abroad of the hot spots now made brief introduction, especially focus on femtosecond laser in the laser processing, high energy physics and nuclear physics, biomedical applications.Keywords:ultrashort pulse;mode-locking technique;femtosecond laser超短脉冲技术的原理与应用吕萌（指导老师，刘昌宁 讲师）（湖北师范大学物理与电子科学学院 中国 黄石）1.引言1.1国内外研究现状激光技术的发展当然是越快越强是最好的,特别是这类激光提供了其余技术无法提供的工具，这类激光能够让很多当代物理的前沿学科,比如非线性理论、量子物理、粒子物理、核物理天体物理、超高压物理和宇宙学、原子物理学和相对论学等学科集聚一堂。在最近的十年里,超短脉冲激光技术的持续发展不但深入着超快现象、THz 辐射等范畴的探究,并且也推动了频标测量、飞秒激光精细微加工等一些比较超前的学科的发展。最值得一提的是经过CPA技术将飞秒激光脉冲增强, 人们已经可以在普通规模的试验室里获得峰值功率数百太瓦(TW,1012 W)的超强激光和聚焦功率密度近1022 W/cm2的极端光场, 直接推动了高能量密度物理、粒子加速物理等内容的革新进展。针对超短脉冲技术的前沿运用,周期量级脉冲形成、CEP控制、放大、同步和压缩等研究在国内外被完成了,是现在了利用振荡器使小于6fs的脉冲被输出,并且在差频CEP控制的基础上胜利的建成了先进的单块光梳，并运用1030nm激光泵浦的镁橄榄石及Cr:YAG飞秒激光，获得了29fs脉冲1280nm及70fs的1450nm的红外激光。不相同超短脉冲激光的主动同步也被完成了,和频形成飞秒激光的新方案被提出了,350TW的超强激光装置被胜利研制了,0.4mJCEP锁定5.1fs单脉冲能量的激光脉冲被紧缩放大激光得到了。 俞宽新.激光原理与激光技术M .北京工业大学出版社,2008.1.2 研究超短脉冲的意义 如今，激光器对我们来讲早就不稀奇了，尽管它不一定可以被所有人都直接触摸到，但是咱们的生活中确实有它的存在。比如在DVD播放机与电脑中，就将半导体激光器放置在用来读取节目与程序的光驱里。实际上，从时间来到20世纪60年代初后世界上第一台激光器被发明了，种类繁多的的激光器都被人们研发出来了，而且在工业生产、国防等范畴及商品中它们都被普遍应用。 在庞大的激光种类中，超短脉冲激光器在到20世纪70年代时就呈现了非常大的潜力但是长时间没有得到很好的利用。相较于其他的运用来说，因为不是很简单就能弄清楚与成本太高的原因高技术的超短脉冲激光器不能被实现，所以很多问题到现在都没有获得解决。 但是，上面所讲的状况可能很快变成历史。由于将光子技术、互联网和现代计算经过联合，第一台可以用于编程并且智能化的实用型超短脉冲激光器被ENZ公司胜利地研发出来了，让这款激光器脱离实验室的束缚成为了可能。公司说，台式计算机就是它产品的尺寸，而且运用的是“即插即用”的运行方式。另外，因为集成式软件控制系统被放置在激光器上，激光器的运行可以被操控者通过笔记本的图像界面非常容易的掌控，可以非常高效利用它发出的激光束。超短脉冲激光拥有普遍的用处与庞大的需求是由它的特点致使的。超导脉冲激光可以把军用技术转化到各行各业，甚至是汽车生产上运用军用飞机的生产技术，是因为它拥有大规模而且低成本制成复合材料的特点；在人体生命学范畴，超短脉冲技术可以用来美容美颜、做各种手术、修复视力等等。 至于超短脉冲技术将来的需求，专家曾经发言讲：“未来10年的时间里，不少于一千亿美刀的市场将会被超短脉冲激光技术所占据，其中百分之五十医学与人体生命学瓜分、材料研发与制造业只有百分之二十五，剩余的所有只有瓜分剩下的百分之二十五。”现在，发展超短激光技术重要的方向是：能够突破更短的脉宽，它的方法有尝试利用Ti:Sapphire来得到三飞秒的极限脉宽；努力将新的技术、介质与机理探索出来，成功进入阿秒(10-18s)时域；LD泵浦的全固体飞秒激光器的形成，还有高功率的系统与飞秒光纤激光器。飞秒半导体激光器列阵器件在研制端面的运行，DFB激光器的改进；桌面型数十太瓦(TW)可调谐飞秒激光系统的开展，让在一般实验室进行惯性约束和强场物理实验成为了可能，将飞秒激光的波长范围拓展。通过不同的措施，例如利用不同的频率转换技术，改变激光介质，增强飞秒激光的波长一直到中红外和远外方向，更有甚者还可以到达软X射线，让它符合各种学科的运用方法。峰值功率非常高与时间分辨非常快是飞秒激光拥有的特点，在自然科学的每个范畴均拥有不可忽视的地位。其他科学和超强超短脉冲激光的相互结合,还有将其运用在不一样领域，仍然是一个开始阶段与摸索阶段， 完好的理论知识与完整的钻研办法都没有定论。其中加速质子与加速激光电子是人们最感兴趣的部分。另一方面，物质和超短超强的脉冲激光互相影响，相对论效应是最明显的特征，相对论非线性效就这样被触发了，其中所谈到或关联的问题是阿秒在电子作相对论运动时被其产生的物理学方面的疑问。时间缓步向前，咱们对飞秒激光会被非常普遍的运用是有坚定的信心的，在GDP中与其有关联的产业所占的比重将会越来越高。 朱京平.光电子技术基础M.科学出版社,2009.2.超短脉冲激光的原理2.1超短脉冲激光在光学中超短脉冲是的连续时间在飞秒（10-15秒）数量级或者更短数量级的电磁脉冲。可用锁模振荡产生。超快事例的研讨中它们是被利用最频繁的。飞秒激光是超短脉冲激光的别称，飞秒激光器有三种类别，其分别依据是激光介质的差别。应用有机染料当做介质的飞秒激光器是第一类。根据有差别的波长的飞秒脉冲是需要有差别的染料来输出的原理，紫外和红外波段都会被它影响，然而红光(620nm)附近最效果最好的聚集。被动锁膜是最不可或缺的技术方法，碰撞锁模技术(CMP)是不可或缺的技术道路。应用掺镁橄榄石或者Ti :A1203等固体材料当做介质的固体飞秒激光器是第二类。但是非常恒定的SML运动被固体飞秒激光器完成了，它拥有700nm1.10m与1.2m1.3m的波长范围，它还拥有能够影响紫外的二次谐波。应用多量子阱(MQW)材料当做介质的半导体飞秒激光器是第三类。远在二十年前早就开始了对于超短脉冲半导体激光的研讨，无法打破皮秒量级在非常漫长的一段日子里一直困扰着我们，这个重大的问题的解决要感谢于在半导体超短脉冲激光里应用多量子阱材料。在振腔中多量子阱材料增强再加上反复不停地振荡进而射出激光是其最重要的原因。这类激光器与增益介质的克尔效应密切联系，所以被人们命名为KLM，即克尔透镜锁模，在钛蓝宝石激光器的揩振腔里应用棱镜对是飞秒脉冲可以被射出的重要原因，进而连续振荡的工作方式被模式激光器转换成锁模的工作方式，并且不需要其他帮助。随着慢慢的深入人们开始明白这是一个和光强有密切联系的脉冲选择机制。 李相银.激光原理技术与应用M.哈尔滨工业大学出版社,2006.2.2 调Q技术短脉冲激光主要由调Q技术产生，它的原理是这样的。依据日常生活的经验，假如将水用一台抽水机抽到水库中去，如果水库的堤坝非常低，那么它的蓄水量就很小。水泵就可以很快地把水库灌满。如果它持续工作，水就会从堤坝上溢出来，因为水四处溢流，水的流量就会很小。但是如果我们把水池的堤坝筑得很高，水库就会拥有很大的储水量，在抽水机把水库灌满之后，顷刻间我们再把水池的水闸都打开，这种情况下会出现水奔涌而出的壮观情况，不用多久水池中的水就都会被放完了。某些物理现象上激光器原理和它类似，简单的激光器就如同堤坝很低的水库，工作物质下能级的粒子被光泵泵浦到上能级之后，如果下能级的粒子数量小于上能级的粒子数量，那么反转粒子数就可以实现了，工作物质的光增益就会在这时拥有了，假如在谐振腔内光运行一周的损耗很小，久非常简单达到满足激光振荡的阙值条件，使激光输出形成，换句话说产生激光的门槛很低，不需要泵很多下能级粒子上去，就可以让激光输出形成，自然，这种的激光不会很强。如何可以得到很强的光脉冲呢?相对于激光器来说，首先要让很多很多的粒子数积累在激光上能级。然后，好似瞬间全部把水闸打开，我们一定要想尽办法让激光上能级上的粒子在同一时间内都快速跃迁下来。调Q技术地利用能够成功地将上面两个目标完成。咱们首先来理解一下关于Q值的含义，在无线电技术里Q值是指一个电学的谐振回路的品质要素，它以为着一个回路的电能损耗状况，Q越小，那么这个回路的功能即品质就越好。在激光技术里激光器谐振腔的光能损耗情况我们用Q来表示，它的定义为:式中谐振腔内振荡的激光频率用表示，腔的谐振圆频率用2表示。如果谐振腔的损耗越大，那么激光器的阙值就会越高，反之也是一样。故而Q值是一个可以描述谐振腔完成振荡难易程度的指标。下面咱们再看一下调Q的详细方法和怎么通过调Q得到高功率激光脉冲的原理。如图3.1所示，我们设法将一个开关(称之为Q开关)加入到一个简单激光谐振腔内，由于Q开关只有开和关这两类情况，谐振腔就会有低和高两种相应的损耗就有状况，激光器的阙值同样会有低和高两种状况。如图3.1(a)中所示Q开关处于封锁的工作状态，这样开关无法通过从工作物质发出的光，所以谐振腔会有很高的损耗阙值，同样很高的还有谐振腔的闭值粒子反转数N。以为这种情况不能形成激光，可以保留和积累泵浦到上能级的粒子，当光泵一直泵浦时，上能级上之类的激光粒子数会越来越多。当然，为了将较强的激光脉冲得到，上能级积累的粒子越多越好，但是这样的积累时间不是无限的，由于粒子在上能级只可以有一定时间的停留，所以它有一定的寿命(称为荧光寿命)。后期光泵发出的光脉冲功率应该会非常低，这时应该马上停止继续积累，即将上能级的粒子数积累到最大值时(图3.1中的tm时刻)。这种情况下应该想方法马上将Q开关打开，那么开关将不会阻止工作物质发出的光的通过，损耗降到非常低，团值粒子反转数同样非常低。因为(一般为数倍)阙值粒子反转数小于激光上下能级的粒子反转数，故而会有很高的工作物质的光增益。这时，激光上、下能级间工作物质的偶尔的自发辐射，便会快速增长在谐振腔内，进而上能级的粒子数绝大部分全都极快地感应而且跃迁下来，最后一束持续时间极短(约为10-8一10-4秒)的强激光脉冲被形成，这个脉冲光强通常可以达到数兆瓦以上。如图3.1(e)所展示了激光脉冲的形状。理论上，咱们可以将调Q形成激光巨脉冲的过程用数学来描述。激光器工作的时候，受激辐射是最主要的过程。在激光形成的过程中，设定工作物质的增益系数为g0，通过激光原理可以知道粒子反转数及受激辐射截面和g0成正比，故而在谐振腔内光子一个单程的放大量是: (3.1)其中谐振腔内的光子数密度为；工作物质的受激辐射截面为； 工作物质的长度为l。 由于这个放大量是进行在单程渡越时间t=L/C内的，则光子数密度在单位时间内的增加为: (3.2)这个公式里L是谐振腔的长度；C是光速。因为存在损耗，这种情况下内腔中单位时间光子数的衰减量: (3.3)其中谐振腔的单程损耗是，它相关于Q开关的形式、部分反射镜的反射率和制作质量等。综合(3.2)(3.3)可以知道光子数密度在单位时间内的变化量为: （3.4）在三能级系统或四能级系统里面，若激光形成时间比激光下能级的弛豫时间短，则一旦形成一个光子，上能级的粒子数对应会减少一个，下能级粒子数每增加一个，反转粒子数相应会减少二个。故而单位时间内在受激辐射过程中减少的反转粒子数： （3.5）(3.4)和(3.5)就是咱们想要设定的Q开关激光的速率方程。由于双变N、都被这两个微分方程中含有，所以无法获得准确的解析解。不过可以运用逐逼近法获得精确的数值，或者是在一些近似条件下得到近似解。 陈家璧.激光原理及应用M.电子工业出版社,2004.图（a）图（b）图(c）图（d）图（e）图3.1 调Q原理图 a)关闭状态 b)开放状态 c)谐振腔损耗情况 d)粒子数反转情况Q开关的分类较多，主要有运用电学控制全反射的受抑全内反射Q开关；运用染料的饱和吸收原理的可饱和吸收Q开关；运用棱镜全反射原理的机械转镜Q开关；运用电光效应的电光Q开关以及利用声光效应的Q开关等等，如图3.2所示上述五种Q开关的原理结构。图（a）图（b）图（c）图（d）图（e）图3.2五种主要的调Q原理装置示意图（a)转镜调Q （b)电光调Q （c)染料调Q （d)受抑全内反射调Q原理图 （e)声光调Q同样，依照激光介质的差别飞秒激光器大抵可以分成四类：应用无机染料当做介质的飞秒激光器是第一类，它能够按照染料的差别射出波长也具有差异的飞秒脉冲,紫外到红外波段均是它的影响范围。被动锁膜是重要技术伎俩,在可饱和汇集染料里两个不同目的传达的光脉冲的CMP技术是重要的技术方法。应用掺Ti:A1203 和镁橄榄石等固体资源当做介质的固体飞秒激光器是第二类。应用多量子阱(MQW)资源当做介质的半导体飞秒激光器是第三类。在二十年以前早就进行了超短脉冲半导体激光的钻研,然而冲破皮秒量级一直是一个艰巨的任务,感谢超短脉冲半导体激光器引进多量子阱资源,才突破了这个重大的难题。多量子阱资料具备强的非线性增益饱、低色散、高增益、宽谱带和复原功夫快等长处是重要的突破原因。不存在庞大的体积是这类激光器的重要特征,超快光学逻辑门等范畴主要运用的就是它。应用掺杂稀土元素的Si02当做增益介质的光纤飞秒激光器是第四类。效率很高、紧凑的构造、损耗很低、全光光学和负色散是其重要的特征,由于它的波长，它可以应用于光通信,通过光纤具备的特别性质完成孤子进程是它主要的工作原理。 邱元武.激光技术和应用M.同济大学出版社,1997.2.3锁模的基本原理大家都知道,一台激光器的模式有纵模、横模两大类。所以，锁模就有所谓的纵模锁定、横模锁定和纵横模同时锁定等三种，但是研究的最多并且具有实用价值的是纵模锁定。一台自由运转激光器如果回想一下它的的纵模和输出特征。腔内第q个纵模的光波电场可以用4.1式表示： (4.1) 公式中，第q个纵模的振荡频率用Vq表示。代表这个纵模的初相角。假定损耗频率范围内的纵模个数小于谐振腔内落在激光介质的增益有（2N+1）个(一般有数千个之多)，因此光波电场的表达式可写成： (4.2)式中， 每个相邻的两纵模的频率间隔q可以由谐振腔的驻波条件确定： (4.3)式中，光速为c，谐振腔的长度为L。特别值得指出的是，不同的纵模初相角相互之间是没有固定关系的，这是由于各纵模起的始跃迁是自发而且随机的。即：常数 （4.4） 每个纵模的振荡是互相独立的， 它们的相位无规律地分布在-+的范围之间，在时域图中，强度分布的特性是具有热噪声。如图4.1所示， 在t1时间内被探测器接收到的是平均光强I （4.5）假如设定每个纵模的振幅Eq均相等,则 （4.6）然而，如果各纵模的初位相有关联，即常数 （4.7）我们来考察它的输出特性会有什么明显的变化。设定振荡的中心频率为0，并且=0，则有 综上可知，光波电场可以统一表示成： （4.8）也可以用指数形式表示成为： （4.9）把与其无关的项移动至求和号之前, 则（4.8）式可以改写成为： (4.10)由于和都是定值，和式必定为时间t的函数,则：则 (4.11)将其还原成三角函数的形式：利用三角函数积化和差和三角级数的公式,上式可以化简为: (4.12)如果各纵模初始位相相同，即：=0,则 (4.13)光波电场E(t)最后便可以变化成为下面的形式 (4.14)综上，可以得出结论：（1）锁模激光器的输出时间为T =2/ =2L/C的规则脉冲系列。（2）每个脉冲的宽度为=T/ N ，因为N/，T=2/，所以脉宽2/=1/。例如：在钕玻璃中,= 20nm30nm，可以得到10- 1310- 12S 数量级的锁模脉冲。（3） 平均功率的N倍等于输出脉冲的峰值功率。 蓝信拒.激光技术M.华中理工大学出版社,1995. 飞秒激光技术的重要部分是其增强和形成，相位稳定技术等是和它有紧密关联的。锁模技术生成了飞秒脉冲激光，1976年，当飞秒激光脉冲输出被人们第一次在染料激光器中实现后，飞秒激光技术在世界范围内得到了快速地改进，1982年的R. L.Fork 等人在美国贝尔实验室获得90fs 的光脉冲是在环形染料激光器中第一次运用碰撞脉冲锁模(Colliding Pulse Mode!locking,CPM)技术实现的，1985年美国的J.A.Valdmanis等人在贝尔实验室将可补偿腔内群速弥散的四棱镜结构引入激光腔内，27fs的光脉冲被获得了。中科院西安光机所的陈国夫研究员1986年在英国St.Andrews 大学物理系运用相同的结构，19fs的光脉冲从CPM环形染料激光器上得到了,这是迄今为止染料激光器最好的结果。到了20世纪80年代后期,由于日进改善的晶体生长技术，一大波功效非常好的非线性晶体与固体激光介质被发现了,飞秒激光器主流的改进趋势变成了固体激光器。特别是自从20世纪90年代后期到本世纪初期，飞秒固体激光器完全成为了主要的发展方向。 Ti:Sapphire、Cr:LiSFA、Yb:YAG、Nd:glass、Yb:KGW, Yb:GdCOB、Yb:KYW、Cr:Forsterire、Cr:YAG等主要是这些飞秒的激光介质，具有很宽的荧光谱宽是这些晶体的共通特性。但是Ti:Sapphire 晶体还是非常好的飞秒介质，它不但荧光谱(6601100 nm)很宽、光学均匀性和导热性很良好、高硬度、高损伤阈值等优良的特性，并且还有绿光泵浦源这种完全商品化了的，固体飞秒激光器刚好是由于这类技术的发展有了划时代的迈进。我们把KLM振荡器从两个部分进行了改进，由此缩短了脉冲宽度。将腔内的自相位调制效应是进行改善第一种方法，这种情况下可以得到更宽的光谱，让宽度更短的脉冲可以形成；将腔内的色散补偿进行改进是第二种方法，这种情况下光脉冲色散被削减，同时更短的脉冲也可以被得到。因为不可能忽视棱镜和增益介质引入的四阶和三阶色散对小于10fs的脉冲宽度影响的原因,让低于10fs的脉冲宽度非常困难的被利用棱镜实行色散补偿的振荡器所得到。由于想将高阶色散的影响减弱的原因，R Szipocs 和FKrausz在1994年建议对脉冲的高阶色散运用啁啾镜技术实行补救。将啁啾镜和棱镜对进行比较，前者拥有三个非常突出的优势的，第一：它拥有高达百分之九十九的反射率，在非常宽的光谱领域内都是这样，另一方面在谐振腔内随意位置都能够设置啁啾镜，腔形设计的可变通性被大大增强了；第二：利用设计司在比较大的光谱领域内得到平顺的负群速色散并且通过晶体、介质或自相位调制等引入的高阶色散； 第三：重复频率非常高的飞秒激光脉冲能够被得到。脉冲宽度在飞秒振荡器中被削减到10fs以下，是由啁啾镜技术引起的。五飞秒的脉冲在一九九九年就已经被振荡器实现了,而且也同样早已有了让京赫兹重复频率实现的振荡器，它的重复频率很高的。两千零一年钛蓝宝石飞秒振荡器在利用色散管理方法和增强自相位调制的技术不单单只是得到了五飞秒的脉冲宽度,同样钛宝石的发射光谱被赶超了，6001200nm范围都被其影响，实现了一个倍频程。锁模的自发开启是需要啁啾镜技术和半导体可饱和SESAM的联合才可以完成的，这种情况下6.5 fs 的脉冲被得到了。由于很多类别飞秒振荡器的被发现的原因，给超短脉冲合成技术等超快钻研给予了钻研器材和鉴定牢靠的前级。另一方面，因为钛蓝宝石激光器的射出激光拥有不窄的可调谐领域， 基本上可以不间断调节于7001000nm的范围，故而光学参量和倍频放大等方法的被运用，早就可以从紫外到中红外不同的波段范围里得到飞秒脉冲。 飞秒脉冲(2.7fs)在一个光周期从在理论上分析是可以被钛蓝宝石荧光光谱实现，但是一般状况下它的光谱拥有非常自由的调制，所以，最短也仅可能有大概为5fs的脉宽从振荡器被直接输出。想要愈加短的脉宽能够被得到，腔外压缩的技术又被我们运用了。经过光纤里注入腔倒空激光完成了最初的打破。纳焦为不超过一百的飞秒脉冲通过腔倒空射出被注入到标准光纤里，宽带的延续不断的光谱被取得是利用自相位调制效应的原因，再通过光栅对、棱镜对及啁啾镜的结合紧缩脉冲。利用空心光纤里入射放大光的技术使得宽度为三点八飞秒的脉冲在两千零三年被捕捉到，这是一个超级靠近八百纳米的光周期。Eiichi Matsubara等人在两千零七年实现钛宝石输出脉冲宽度为五百纳米，是通过氩气展宽得到的,然后将其紧缩能够获取一个周期为二点六飞秒的激光脉冲。结果两千零一年利用惰性气体被大概为100TW/cm2光强、八百纳米中心波长，四十飞秒脉冲宽度的飞秒脉冲所冲击，250as的脉冲宽度信号在高次谐波中被发现了，人类迈进了阿秒的范畴。1、啁啾脉冲放大技术实现强度高的峰值高的功率，重要的原因是产生了宽带高增益介质与运用CPA 方法。在CPA技术被发明以前,GW(109W)量级脉冲峰值功率长时间没有办法被打破，是因为它被激光元件损伤阈值及非线性效应所遏制引起的，因此同样造成了很低的聚焦功率密度。当时间来都1985年后, 激光脉冲的增强运用了CPA 技术，再由于被日益改进的晶体生长技术，大量具有不错功能的宽带高增益放大介质被发现了，至此也快速增强了脉冲的峰值功率，使其突破到1012W量级，更有甚者迈入了1015W量级的门槛。同样,这些介质的发现也快速增强了聚焦功率密度，超过1021W/cm2量级是现如今实现的最棒的记录。在脉冲经过CPA 技术进行增强的情况下,得到高峰值功率是靠放大介质来保障的。增强脉冲紧缩的极限依靠宽带来保障，高效率的增强依靠高增益来保障。当前形势下,掺Nd3+和Ti3+两种介质是主要的放大的。Nd:g lass,Nd:glass是掺Nd3+类中最经常用来增强的的， 它的特点是：具有很长的荧光寿命,很高的饱和能流,比较适宜增强高能量；然而它也有缺点：导热性能极其不好, 非常狭窄的增益谱宽,短脉冲(100fs)的增强不是非常合适。Ti:Sapphire晶体是掺Ti3+种类中被运用的最频繁的放大介质，拥有一百八纳米这种较宽的增益谱宽,高达5J/cm2的损伤阈值,还有优良的导热性能，都是它的优势。在超短脉冲放大领域内最为完美的介质。一套钛宝石激光器所需要的使用面积是非常小的，几乎等同于一个实验平台，袖珍型与稳定性的优点让普通的实验室同样能够进行类似实验。下面CPA放大系统可以被划分为三大类别，其主要分类依据是其应用的重复频率,增益介质与输出峰值功率,这同样也是CPA系统现在改进的三个大趋势。长脉冲高能量放大系统是第一个种类。通常情况下Nd:glass是其最重要的放大介质, 这类放大系统能够将体积做的非常大，再者它能拥有大于300s的上能级弛豫时间，而且可以在八百纳米周围拥有非常好的吸收性，半导体激光器直接泵浦领域它是非常符合的，可是其也具有很差的导热能力和较低的重复频率。Lawrence Livermore National Laboratory美国国家实验室在1999年，通过Ti:sapphire Nd:glass 激光系统使峰值功率高于一千五百太瓦的激光脉冲产生了,功率密度在聚集后可以超过71020 W/cm2，这是我们迄今为止能够得到的峰值功率最高的激光脉冲。超短脉冲峰值功率超高的放大系统是第二个种类。掺钛蓝宝石晶体是这个种类激光放大系统经常使用的放大介质，低于三十飞秒的脉冲宽度。这种激光放大系统的运用非常普遍，拥有非常活跃的前景，具有低廉价格的成本，是CPA 放大系统现在改进的主要前景趋势。日本M.Aoyama 和K.Yamakawa 等人两千零三年增加一个主放大级在原来一百太瓦的基础上, 运用=88 mm口径的Ti:sapphire晶体，运用能量为七百焦耳的泵浦，超过50%的转化效率，最后八百五十太瓦的高峰值功率被获得, 初步估计脉冲强度为31021 W/cm2的激光在聚集后可以被得到,迄今为止这是这一种激光器可以实现峰值强度和功率的极限。重复频率高的放大系统是第三个种类。超过一千赫兹的重复频率,大部分都是应用掺钛蓝宝石的作为增益介质的,因此导致脉冲峰值功率的输出被增加到零点六六太瓦，可以实现十四瓦的平均功率。由于CPA技术的改善，大量全新的技术被发现了，大幅度的增强了其时间性能、聚焦特性和输出光谱性能等方面。例如应用CPA 的光学参量作为基准的OPCPA技术，它的优势明显并且数量大:不可能出现热效应的困扰，同样能够得到毫焦量级的能量却明显减少种子光通过晶体的次数,并且它不是一个线性过程,介质增益带宽无法控制它的增强，宽光谱能够形成，理论上证明能够实现109的信噪比，整整超过CPA系统两个数量级。可是现在一部分工程与技术上的困扰仍然无法得到解决, 例如，只有高同步精度存在时才能放大，其不具有很高的稳定性等。但是，由于深入改进工程技术，可以比较完美的消除这些困扰，以后宽带高能量脉冲放大运用的主流办法就这样形成了。在时间比较靠近的两年里，又出现了增强脉冲对比度的不错的技术那就是DPA方案。这种方案是利用放置一个时域过滤器在两个CPA系统中间，能够使ASE的背景噪声在时间上被完全清除, 减少了三个数量级噪声值。高功率光学系统领域里，干扰聚焦特性与光学元件的被损坏的最重要的因素就是是光束畸变。空间畸变里非线性的小尺度自动聚集可能够使用真空滤波器完美的清除,另一方面对于波前畸变来讲,放大过经过产生的波前畸变能够利用变形镜方法来消除。另一方面，一个非常主要的原因就是放大经过中的光谱特征,因为红移等干扰产生在CPA放大过程中,放大光谱的形状与宽度因此均会产生明显的变化，以至于脉冲的紧缩被干扰。放大经过里的光谱窄化与红移均能够被AOPDF完美的压制住,利用人为控制系统的二三阶色散和特性化光谱,紧缩脉冲完美的宽度能够被得到。12、光参量啁啾脉冲放大技术高功率超短超强脉冲输出被OPCPA技术被完成了，这是一个崭新的方式。它的主要定义是:功率高能量强的泵浦脉冲通过部分运行在高能量的激光器产生,例如Nd:glass等激光器。比较合适的脉冲宽度与不是很宽的光谱宽度是泵浦脉冲所必需的，通常是在LBO、KDP或BBO晶体中啁啾脉冲与这种泵浦脉冲利用OPA的经过增强一个宽带啁啾信号激光脉冲，然后将输出峰值功率很强的激光脉冲利用脉冲紧缩得到。 对比于传统的CPA固体激光系统，OPCPA激光系统具有这些优势:第一、由于OPA的增益高于109,能够在很low的水准下让全部激光系统的B积分被产生出来,削减脉冲时间性能被自相位调制的干扰，进而的高质量输出光束被获得。第二、增益带宽高于一百纳米的非线性晶体(例如KDP,LBO,BBO等) ,这比钛宝石晶体的增益带宽大多了。明显区别于一般的的激光增益介质,增益的增强可以让OPA系统的增益带宽也同样变宽,于是,小于一百飞秒的激光脉冲能够被产生。通过现在光栅的商品化的性能,脉冲输出拍瓦量级的激光能够被完成。在这个过程的同一时间, ICF冕区会被它拥有的增益带宽实现直接干扰与压制。第三、因为在OPA经过里，只有在相互耦合时才能够增强光脉冲，理论上讲能够实现109的信噪比,相比于现在拥有CPA 系统，要整整超出两个数量级的信噪比。在物质和超短超强激光互相影响时，固体靶在主脉冲还没有发挥影响时不可能被预电离是能够保证的。第四、在普通的的CPA预案里，在时域上超短脉冲互相重合被多光束叠加技术实现是非常困难的，进而导致该技术不能被应用。但是，这种方法却能够在OPCPA 系统中被很简单的完成。利用多光束叠加的方法应用于泵浦激光中,能够很好的增强全部OPCPA 激光系统的输出功率。第五，对比于CPA预案，因为OPA系统具有大于30%的效率，故其能够很好的削减建造整个系统的成本。第六，抽运光在OPA光学晶体中是看不见的，OPCPA可以变小系统热畸。 彭江德.光电子技术基础M.清华大学出版社,1988.2.4锁模的种类 2.4.1 主动锁模主动锁模的两大主要类别是相位调制与幅度调制, 但是应用的比较普遍的是幅度调制, 调制器大多采用声光调制器，它的结构如图所示，声光调制器被插入在激光谐振腔内，规律性交变的损耗在谐振腔里被形成了,如果T=2Lc是的规律性变化一次的时间,即在腔内光往返一次所耗费的时间, f=1T=c2L是损耗的交变频率,即纵模间隔,这样的话锁模脉冲就能够在谐振腔内被实现,在最小损耗的值的时候，窄脉冲就能够规律性的产生。图3.2-4 主动锁模激光器示意图图3.2-5 调制器位置示意图这样的结构乍一看非常的像声光调Q, 在锁模时必须要让附加到声光调制器上的驱动信号控制其生成的损耗频率完全与q相同时他们之间最明显的不同。那么,驱动信号的这样的变动能获得窄脉冲列的原因是什么呢?要找出这个问题的答案,我们只要讨论各纵模的初位相是如何被损耗调制相互关联起来的。用最简单的余弦调幅举例,如果损耗调制器插入腔内，可以使中心频率0的光波电场振幅产生余弦规律的变化，将会得到以下结论：1、一个频率0，0+q和0-q,理论分析指出，如果q的振幅被一个周期为T=1q=2Lc的任意正弦函数所调制，那么一个纵模0将分裂为0mq个纵模，在其中m=1,2,3,m的上限由腔内能起振的纵模个数来决定。2、经过余弦调制后，所得到三个频率的光波电场的初始位相都等于q0,q+1-q=0,同样的，被任意周期函数所调制后，得到各频率的振荡纵模都会拥有相同的初始位相。3、我们还有深入的发现，经过0发展起来的各个纵模，往返传播在腔内时，同样也会受到调制器的调制，所以，新的纵模经过也可以被它们激发出，因此造成了相应相互的局面，最终所有落在激光谱线范围内纵模会被紧密耦合起来，都会以相同的初始位相振荡。这样，可以用整个谱线起振的形式将谐振腔内原先的某一纵模0光波电场写出，到此，由锁模原理可以知晓，只要激光器的调整和结构适宜，就可以获得超短脉冲列的激光输出。 陈钰清.王静环等,激光原理M.浙江大学出版社,1992.2.4.2 被动锁模如图3.3-5所示，如果可饱和吸收染料被放置到谐振腔里，如果这种染料的驰豫时间小于2Lc即光在谐振腔内来回一周所用的时间，这种条件下锁模的作用能够被实现。图3.3-3 被动锁模固体激光器的谐振腔结构示意图图3.3-5 锁模染料光器的光学元件（tA，t1，tr）在染料没有达到饱和之前，和自由运转的激光器相同，每个纵模的初始位相是不确定的，谐振腔内的光强的起伏也是随机。假定在染料盒处某一频率或者此频率和其它一些频率光波电场叠加的结果，正好产生光强的最大值，当这种脉冲光强恰好染料饱和时，染料盒就如同一个“开关”被打开，这种脉冲光强就可以正常通过。因为值非常小，在很短时间内这个“开关”又会关闭,所以产生了可以吸收光强较小的脉冲的特性。从“开关”（染料盒）透过去的强脉冲被工作物质二个单程进一步放大后回到“开关”时，又把“开关” 打开。这样往复循环,和上面所讲的损耗调制的作用一样，但不同的是光脉冲自己在腔内往返一周就可以自动满足的它的损耗调制频率q=c2L。一开始可能仅有一个或几个频率的光波电场可以被它调制，之后整个振荡谱线就可以被激发起，并且每个被激发的纵模都是拥有一样的初相位,这样就可以实现锁模。 器件结构能够被制造的小而轻并且简单,便宜的价格是被动锁模非常突出的优势。不足之处是不具有高稳定性,只有百分之六十到百分之七十的偏低概率成功激发被动锁模,脉冲的锁模是它非常符合的运行模式。 周炳琨.激光原理M.国防工业出版社,1995.2.4.3 自锁模（光克尔透镜锁模）激光器的自锁模现象最先被发现是在(He一Ne)激光器中，之后又被发现可以在红宝石等激光器中出现。然而，因为输出特性并不具有很高的平衡性，于是人们觉得它只有理论研讨的价值，实用的意义几乎不存在，应尽量在实验上规避这种的现象的产生。用兰姆理论当做根据的是前期的自锁模分析的状况。Fahlen说:激活区域的很混乱的特点是自锁模被激发的最重要的缘由，只要将激活区域均匀化，就可以解除自锁模。然而之后在实验横向放电的铜蒸汽激光器中观察到了一模一样的自锁模状况，进而Fahlen的说法变得毫无根据。在钛宝石激光器的自锁模现象被人们所关注开始，激光自锁模至此重回大众眼球。通过补偿群被腔内棱镜速度色散后，钛宝石激光器则能够将自锁模飞秒脉冲射出，而且每天所得到的脉冲越来越短，至今为止13fs是最短的记录，也是最短脉冲中直接从激光器获得的。自锁模现象同样被发现于Nd:YLF激光器中，飞秒脉冲也同样被捕捉到在Cr:LisrAIF激光器中。除此之外，新的进程出现在气体激光器的自锁模领域，恒定的的自锁模脉冲输出可以在He一Ne激光器中利用调节腔长得到。仅仅要求将一个小孔(滤掉高阶横模)放置到腔内，稳固性非常高的自锁模脉冲输出就能够在CuBr激光器中得到。这个情况说明自锁模技术拥有非常好的使用前景和非常划算的实用意义。理论方面，尽管有一些成功的案例，但它的进度相比于实验就显得非常缓慢了，讲实话自锁模真正的机理仍然无法弄清楚。现在克尔镜模型是大家比较接受的。它的短脉冲产生是利用一个小孔(硬孔或软孔)构成与强度相关的透射和增益介质的自聚焦效应形成的透镜(克尔镜)。即使克尔镜模能够将固体激光自锁模基本解释清楚，但是气体激光自锁模仍然处于一个尴尬的状态。由此我们新建立了一套激光自锁模模型，它依赖于激光介质凹的增益(小信号增益)线型，因为这样的增益线型的特性是在放大的同时可能使激光脉冲被压窄，故它有自锁的可能。而宽带激光器(如钦宝石激光器)，它的增益线型较宽，激光光谱区域内自身非饱和吸收有可能是产生凹陷的增益线型的原因.对于窄带激光器(如cuBr激光器)，激光能级的简并度分裂(斯塔克效应和塞曼效应)可能是产生凹陷的增益线型的原因。某些情况下兰姆凹陷或谱烧孔也会产生凹的增益线型，但它产生的自锁一般具有不稳定性。而自锁模激光器，它的脉冲的压缩并不是只能靠增益介质本身，与主动锁模或被动动锁模激光器脉冲压缩元件不同。利用增益介质的自聚焦效应压缩脉冲就是自锁模的克尔模型。固体激光器(如钦宝石激光器)的自锁模现象可以用这一模型解释。自锁模钦宝石激光器的基本结构如图5所示，在这个结构中，激光介质同样也是克尔介质。通过激光脉冲时该介质后会出现自聚焦的现象，并且如果焦点越近、需要的强度越大。如果放一小孔在最短的焦点处，会产生脉冲的中央全通过，而脉冲的两翼只有通过部分的现象，故而脉冲压窄.新的发现出现在后来的实验中，没有小孔的情况下同样可以自锁，为了能够沿用原来的模型，软孔被人提出了。软孔的定义是当泵浦光的模体积小于激光的模体积时，脉冲的中央由于强的自聚焦几乎全部进人泵浦光的模体积内被放大，而两翼弱的自聚焦只有部分进人泵浦光的模体积内被放大，故脉冲中央的放大倍数大于两翼的放大倍数(脉冲被压窄)，它有自锁的可能。图4.4 自锁模钛宝石激光器的结构图 泵浦激光器用PL表示，M0,M1,M2,M3和M4用来表示反射镜，双色滤光片用BF表示，透镜用L表示，增益棒用GR表示，三棱镜用P1,P2表示，A为小孔除了cuBr激光器之外，在外部不起作用的状况下，绝大多数的自锁模激光器稳定性都不高。我们认为不能形成稳定的凹的小信号增益是不稳定的主要原因。至于钦宝石激光器，吸收系数远小于开始的增益系数远，凹的小信号增益很难由气形成。只有当拥有足够强(出现饱和)的脉冲信号时，凹的小信号增益才能形成，所以它不具有自起动性。至于He一Ne激光器，因为它的低功率密度凹的小信号增益难以形成而自锁;至于铜蒸汽激光器，尽管它具有较高的功率密度，但是它也具有较宽(由于它的工作温度较高)的增益线宽，凹的小信号增益一样难于形