现代光学仪器Class 12_0612

1、 Basic principles of ultrafast lasers Components of ultrafast laser system Pump HR Gain OC Mode-locking Mechanism Dispersion Compensation Cavity modes ln = 2 L/n D f = c/2 L Concepts of Mode Locking Out of phase Irradiance vs. Time In phase Mode locking is a method to obtain ultrafast pulses from la

2、sers, which are then called mode-locked lasers mode Basic principles of ultrafast lasers Bandwidth vs Pulsewidth narrow spectrum continuous wave (CW) broader spectrum pulses (mode-locked) broadest spectrum shortest pulses bandwidth DnDn duration DtDt DnDtDnDt = const. Active mode-locking nAcousto-op

3、tic modulator nSynchronous pump mode-locking Passive mode-locking nSaturable absorber (dye, solid state) nOptical Kerr effect Mode-locking Mechanisms Power Time Power Time cwcw ML Power Time Q-switch Power Time Q-sw.ML Types of Laser Output Low-intensity beam High-intensity ultrashort pulse Focused

4、pulse Kerr medium (n = n0 + n2I) Kerr-Lensing Intensity dependent refractive index: n = n0 + n2I(x,t) Spatial (self-focusing) provides loss modulation with suitable placement of gain medium (and a hard aperture) Temporal (self-phase modulation) provides pulse shortening mechanism with group velocity

5、 dispersion Optical Kerr Effect Refractive index depends on light intensity: n (I)= n + n2 I self phase modulation due to temporal intensity variation self-focusing due to transversal mode profile Optical Kerr Effect Optical pulse in a transparent medium stretches because of GVD Group Velocity Dispe

6、rsion (GVD) v = c / n speed of light in a medium n depends on wavelength, dn/dl 0 normal dispersion High-intensity modes have smaller cross-section and are less lossy. Thus, Kerr-lens is similar to saturating absorber! Some lasing materials (e.g. Ti:Sapphire) can act as Kerr-media Kerrs effect is mu

7、ch faster than saturating absorber allowing one generatevery short pulses (5 fs). Prism compensator Wavelength tuning mask “Red” component of the pulse propagates in glass where group velocity is smaller than for the “blue” component GVD Compensation GVD can be compensated if optical pathlength is d

8、ifferent for “blue” and “red” components of the pulse. Components of an Ultrafast Laser Pulse shortening mechanism Self phase modulation and group velocity dispersion Dispersion Compensation Starting Mechanism Regenerative initiation Cavity perturbation Saturable Absorber (SESAM) Cavity configuratio

9、n of Ti:Sapphire laser Tuning range 700-1000 nm Pulse duration 20 fs Pulse energy 10 nJ Repetition rate 80 1000 MHz Pump power: 2-15 W Typical applications: time-resolved emission studies multi-photon absorption spectroscopy imaging Amplification of fs Pulses OscillatorStretcherAmplifierCompressor S

10、tretch femtosecond oscillator pulse by 103 to 104 times Amplify Recompress amplified pulse Concept: Chirped pulse amplification Femtosecond pulses can be amplified to petawatt powers Pulses so intense that electrons stripped rapidly from atoms 9-5 9-5 简谐运动的合成简谐运动的合成 1 1 第九章第九章 振振 动动 物理学物理学 第五版第五版 四四

11、 两个不同频率简谐运动的合成两个不同频率简谐运动的合成 9-5 9-5 简谐运动的合成简谐运动的合成 2 2 第九章第九章 振振 动动 物理学物理学 第五版第五版 频率频率较大较大而频率之而频率之差很小差很小的两个的两个同方同方 向向简谐运动的合成，其合振动的振幅时而简谐运动的合成，其合振动的振幅时而 加强时而减弱的现象叫加强时而减弱的现象叫拍拍. . tAtAx 11111 2coscos tAtAx 22222 2coscos 21 xxx 讨论讨论 , , 的情况的情况 21 AA 2112 两个振动完全不在一个步调上两个振动完全不在一个步调上 9-5 9-5 简谐运动的合成简谐运动的合

12、成 3 3 第九章第九章 振振 动动 物理学物理学 第五版第五版 合振动频率合振动频率振幅部分振幅部分 方法一方法一 振幅振幅 振动频率振动频率 tAtAxxx 221121 2cos2cos ttAx 2 2cos) 2 2cos2( 1212 1 tAA 2 2cos2 12 1 2)( 21 1max 2AA 0 min A 21 AA 2112 9-5 9-5 简谐运动的合成简谐运动的合成 4 4 第九章第九章 振振 动动 物理学物理学 第五版第五版 拍频拍频（振幅变化的频率）（振幅变化的频率） 2 2 12 T 12 1 T 12 ttAx 2 2cos) 2 2cos2( 1212

13、 1 设计：李波设计：李波 锁模激光器原理简单原理锁模激光器原理简单原理 l 让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让让腔内只有一种拍频模式存在，特别是只让E En n(t(t) )振荡，振荡， 而其余拍频不能振荡而其余拍频不能振荡锁模技术锁模技术 l 拍频拍频E En n(t(t) )是一个周期为是一个周期为T T的巨脉冲系列，比起调的巨脉冲系列，比起调Q Q技技 术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高术获得的巨脉冲，它的脉宽更窄，峰值功率更高 设计：李波设计：李波 锁模激光器原理简单原理锁模激光器原理简单原理 图图 周期性损耗的调制开关周期性损耗的调制开关 l 在腔内装上一个周期性的损耗

14、调制器：在腔内装上一个周期性的损耗调制器： c l T 2 l 每隔每隔T T，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最，开关打开一非常短的时间，使损耗减少到最 小，刚好能够让巨脉冲小，刚好能够让巨脉冲E En n(t(t) )通过，促后又回到高损通过，促后又回到高损 状态。状态。 lE En n(t(t) )模式能够起振，而其他模式模式能够起振，而其他模式E En/2 n/2(t) E (t) En/4 n/4(t) (t)因因 损耗过大无法起振。损耗过大无法起振。 设计：李波设计：李波 锁模激光器原理脉冲基本参量锁模激光器原理脉冲基本参量 l 锁相脉冲峰值：锁相脉冲峰值： l 锁相脉冲时间宽

15、度锁相脉冲可能的最短脉宽锁相脉冲时间宽度锁相脉冲可能的最短脉宽 22 max )(nAtEP n 22 3max 3)(AtEP c lT tl 2 . 3 1 3 3 三相三相 c l nn T tl 2 . 1 n n相相 增益线宽越宽，可增益线宽越宽，可 参与振荡谱线越参与振荡谱线越 多，脉宽越窄多，脉宽越窄 设计：李波设计：李波 锁模激光器原理脉冲基本参量锁模激光器原理脉冲基本参量 l n n个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下个纵模振荡的激光器，在未锁相的情况下: : AntAtE n )()( 2 2 )()(nAtEtPl 平均功率平均功率: : l 锁模峰值功率锁模峰值功率:

16、: )()( 2 max tPnnAtP 锁模巨脉冲的峰值功率为没有锁模巨脉冲的峰值功率为没有 锁模时平均功率的锁模时平均功率的n n倍倍 设计：李波设计：李波 l 主动锁模主动锁模 周期性调制谐振腔损耗周期性调制谐振腔损耗 振幅调制，相位调制振幅调制，相位调制 l 被动锁模被动锁模 可饱和吸收体可饱和吸收体 l 同步泵浦锁模同步泵浦锁模 周期性调制谐振腔的增益周期性调制谐振腔的增益 l 自锁模自锁模 ( Ti-S laser ) 利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件利用增益介质本身的非线性克尔效应锁模，不需插入任何锁模元件 锁模激光器原理锁模方式锁模激光器原理锁模方式

17、几百几百fsfs，如果需要更短脉，如果需要更短脉 冲，则脉冲压缩冲，则脉冲压缩 设计：李波设计：李波 锁模激光器原理克尔效应锁模激光器原理克尔效应 克尔透镜锁模技术克尔透镜锁模技术 Pnnn 20 ：光强 ：折射率的非线性系数 关；材料折射率，与光强无 P : 2 0 n n l 当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延当光强很强时，这种折射率的变化所引起的光的相位延 迟不再可以忽略。迟不再可以忽略。 l 光的折射率与光强有关：光的折射率与光强有关： l 对于对于5050 m m，2.5MW2.5MW，800nm800nm的激光的激光 ，传播，传播1cm1cm可产生可产生 的非的非 线

18、性相移，线性相移，这等效于一个透镜造成的光束自聚焦这等效于一个透镜造成的光束自聚焦高损耗高损耗 效果相当于快速可饱效果相当于快速可饱 和吸收体和吸收体 设计：李波设计：李波 Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱 发射谱： 600 1150nm nnG (增益带宽增益带宽)越宽越宽可以锁定更多的模式可以锁定更多的模式(n越大越大) t t就越短就越短 如何获得超短脉冲宽度（如何获得超短脉冲宽度（fs量级）的激光脉冲？量级）的激光脉冲？ 最短脉冲宽度最短脉冲宽度t = 3fst = 3fs （理论上）（理论上） t 5 t 5 fsfs (4.5fs)( (4.5fs)(实验上）实验上） 20

19、032003年年 钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大钛宝石作为增益介质开始在超短脉冲的产生中发挥了重大 作用，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础！作用，为飞秒激光器的固体化，实用化奠定了基础！ 设计：李波设计：李波 飞秒激光器的结构飞秒激光器的结构 振荡器振荡器展宽器展宽器放大器放大器压缩器压缩器 3.3 光谱仪 3.3 光谱仪 3.3 光谱仪 棱镜光谱仪 衍射光栅光谱仪 干涉光谱仪 看谱仪 摄谱仪 光电直读光谱仪 光电光谱仪 光电单色仪 分光光度计 3.3 光谱仪 3.3 光谱仪 3.3 光谱仪 干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的 干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理