第三章-超短脉冲技术..ppt

1、福建师范大学光电学院 2014.11.17,超短脉冲技术,3.1 概述,调Q技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有 效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用 调Q技术只能获得脉宽为毫、微秒量级的激光脉冲。 利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉 冲。,未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。 假定在在腔内振荡的模式有 2N1个。纵模表示式,纵模频率,频率间隔,多模激光的输出特性,呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始位相无确定关系且互不相关。,无锁模激光器的输出功率与时间,瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出功率随时间无规则起伏。,经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持一定

2、，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁模技术。,假设第q个振荡模为：,锁模的基本原理,通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干的。,由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强的简单和,t=0和t=2L/c时，峰值平均光强为：,合成光场的光强为：,纵模锁定激光器的输出特性分析,1.两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内往 返一次的时间： 2.两个锁模主脉冲之间有2N个零点,2N-1个次极大值。主脉冲宽度为： ， 增益曲线越宽，越可能得到窄的锁模脉冲。,3.锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的

3、提高了 2N+1倍。 4.实现了 常数，输出了一个峰值功率 高、脉冲宽度窄的序列脉冲。,主动锁模：调制器的调制特性人为主动可控。 振幅调制锁模 相位调制锁模 被动锁模：其过程非人为可以控制。 同步泵浦锁模：主动锁模激光器泵浦另一激光器 自锁模,实现锁模的方法,如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相位调制器，适当控制调制频率和调制深度可以实现激光器的纵模锁定。,3.2主动锁模,振幅调制原理,设调制信号为： 调制前光场： 经过调制后，腔内光场变为：,调制系数,设激光器中增益曲线中心频率处的纵模首先振荡，加入调制后，其电场强度为： 展开上式：,E（t)=,初始相位保持不变，频率等于无源谐振腔中的相

4、邻两个纵模的频率,腔损耗正弦调制的结果，是使频率为 的纵模又产生了频率分别为 ， 初始位相不变化的两个边频带。振幅调制锁模式纵模有相同的初始位相，保持恒定的频率差 ，各模的振幅关系通过选择 可控制。它们相干叠加的结果使激光器得到锁模序列光脉冲输出。,相位调制锁模原理,激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，有不同的相位延迟。,调制前光场： 经过调制后，腔内光场变为：,只有与相位变化的极值点（极大或极小）相对应的时刻才能在腔内保存下来，不断被放大，成为周期为2L/c的脉冲序列。,相位调制的特点： 调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同

5、。 相位调制的结果，使各纵模相位固定。 -满足锁模条件 输出的光波是间隔为 的脉冲序列，具有 锁模激光器特性。 脉冲位置不稳定。,3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点,在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。,3.3 被动锁模,被动锁模分为： 固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模,固体激光器的被动锁模,线性放大阶段：一个周期2L/c时间内，光脉冲通过有机染料和工作介质各一次，在激光介质中产生线性放大，发生自然选模作用。线性放大过程使频谱变窄，被放大后的信号起伏得到平滑和加宽。,非线性吸收阶段：强脉冲增长。弱脉冲被抑制，发 射脉

6、冲变窄，频谱增宽。 非线性放大阶段：前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲 几乎完全被抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的 脉冲序列。,结构如下图所示，为得到高重复率的高质量锁模脉冲序列，对燃料浓度、泵浦强度和谐振腔的设计及调整等都要有严格的要求，否则，激光输出将极不稳定。,被动锁模固体激光器原理示意图,3.3.1 被动锁模固体激光器的结构,染料激光器的被动锁模,染料激光器产生脉冲的过程和固体激光器被动锁模相似。（通过染料吸收体的非线性吸收和激光介质的放大作用，从涨落的噪声背景中选择出强涨落峰值，通过可饱和吸收体和激光介质饱和作用的联合作用，形成超短脉冲。） 由于染料的谱线宽，激光上能级的寿命短，所以染料

7、锁模激光器可以输出比固体锁模激光器更窄的脉冲。,采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模。 实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或者是它的整数倍。 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义。,3.4 同步泵浦锁模,1）增益阶段 2）脉冲压缩阶段,同步泵浦锁模原理,图3.4-1 同步泵浦染料激光器特性,稳定的脉冲状态（锁模区） (1)泵浦能量越大或反射率越大，则脉冲能量越大 而脉宽越窄。在反射率或泵浦能量比较小的情 况下，脉冲宽度倒数和脉冲能量显示出单调的 特性。 (2)泵浦能量和反射率不同，产生的最窄脉冲的时 延也不同。,

8、稳定的脉冲状态（锁模区） (3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦 能量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。 反之，随着泵浦能量和反射率的增大脉冲逐 渐呈不对称型。泵浦能量保持不变而脉冲宽度 改变，对激光脉冲的参数影响不大。 相位调制脉冲 （一定条件下不存在稳定态）,泵浦激光器 染料激光器,同步泵浦锁模激光器结构,同步泵浦染料激光器结构示意图,M1,M4,M2,M3,能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图,快速控制回路 慢速控制回路,采用两种控制回路的同步泵浦染料激光器,采用这种系统能产生0.7ps的脉冲,调Q与锁模的区别,1.锁模一般可以用调Q的手段来实现 2.锁模：对多纵模进行调制，其频

9、率由谐振腔的长 度决定。 调 Q：对谐振腔内损耗的调节，是对光子数的调 整。其频率由调制频率决定。 3.压缩程度不同。 调 Q：功率兆瓦级、脉宽纳秒级 锁模：脉宽飞秒级。,自锁模就是在激光腔内不需插入任何调制元件，而是利用增益介质本身的非线性效应就可以产生短脉冲的锁模方式。1991年，人们首次在掺钛蓝宝石连续激光器中，成功获得自锁模运转。目前自锁模脉冲宽度可达 6 fs。,3.5 自 锁 模,一、自锁模机理 一般认为，自锁模现象是利用增益介质的自聚焦效应形成的克尔透镜和光阑构成一个与强度相关的投射来产生短脉冲。,如果在束腰附近加上光阑，与自聚焦的结合就相当于一个可饱和吸收体。由于脉冲中央光强较

10、大，透镜对脉冲中央有更强的聚焦，使其几乎无损耗地通过光阑。而前后沿的强度较小，透镜对脉冲前后有较小的自聚焦，使其损耗大于脉冲中央。脉冲在腔内循环时，将不断的被抑制而消失，而中间部分不断被放大，使得脉冲不断被压缩，形成稳定的锁模。,常用来启动掺钛蓝宝石激光器自锁模的方法： （1）在原自锁模激光器内加入一个声光调制器，此时激光器处于主动锁模状态。调整谐振腔，使激光器进入自锁模。 （2）在Ti:S激光腔内插入一个饱和吸收体，改变染料浓度，直至去掉染料装置也能产生自锁。 (3)采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁模。 (4)使用振动镜启动，频率25Hz，振幅小于0.5mm。,二、超短脉冲的压缩技术,(a)

11、Tr p，脉冲频谱的扩展只是向 。端扩展，即频率向低频端扩展。,图3.5-1 超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应,如果考虑介质的色散时，当啁啾和色散同号时 脉冲被展宽，异号时变窄。当介质具有正色散时， 以负啁啾为特征的脉冲前沿和后沿被压缩，而以正 啁啾为特征的脉冲中间被展宽，脉冲波形变成方波。 当介质具有负色散时，具有负啁啾的脉冲前沿和后 沿被展宽，而脉冲的中间部分被压缩，从而导致整 个脉冲波形变窄。 只要选择具有负色散的介质就可以使超短脉冲 进一步的压缩。,利用这种技术，已经得到6 fs的超短光脉冲,目前压缩超短脉冲的方法有以下两种： 1、光纤-光栅对法 这是在腔外进行， 利用光纤提供的

12、正色 散将脉冲展宽成啁啾 脉冲，再利用光栅提 供的负色散对光脉冲 进行压缩。,2、激光腔内插入负色散元件 由于衍射光栅的插入损耗 很大，而且不容易调节它的 正负色散量。所以可以在激 光腔内插入两块高色散的石 英棱镜。光脉冲的光线对于 棱镜的入射角和出射角都为 布儒斯特角和最小角。,3.6 单一脉冲的选取及超短脉冲测量技术,一、单一脉冲的选取,开始时开关不起作用，偏振器调到最大透过率，由M2输出的锁模脉冲，经透镜聚焦，击穿火花隙，经过脉冲形成网络，将高压脉冲(V/4)加在电光调制器上，锁模脉冲两次经过开关，偏振方向旋转90。，这时偏振光不再透过偏振镜，只能从其界面上反射侧向输出，获得单一脉冲。,

13、1. 脉冲透射法,此方法的缺点：工作阈值较高，腔内元件容易损坏，而且腔内元件多，容易产生标准具效应，且漏光严重，稳定性差。,V/4,P1P2，中间放一个电开关，只要加压时间 2L/c ，得单一脉冲。 缺点：需加半波电压，两个偏振棱镜。 优点：腔内光学元件少，调整方便。,2. 腔外选单一脉冲法,V/2,工作过程：首先在电开关加电压。当第一个锁模脉冲输出后，光电二极管把光信号转换为电信号去触发闸流管，将加在克尔盒的V/4电压短路，则从偏振镜侧向输出单一超短脉冲。闸流管动作时间锁模脉冲间隔2L/c。,3闸流管触发电路,二、超短脉冲的测量技术,由于锁模激光器输出的脉宽一般几ps-fs量级，而光电接收装

14、置如一般光电二极管和光电倍增管响应时间一般在 s，因此响应时间大于 s，因此无法测量 s - s脉冲。目前主要的测量方法有两种类型：直接观察法和相关测量法。,1. 直接观察法,条纹照相机：主要由结构复杂的条纹管构成。它可把光脉冲直接记录在照相底片上，通过光密度分析获得脉冲形状和宽度。近来出现的新型条纹管，利用了光纤，可以直接给出光脉冲强度I(t)的数字记录，分辨力可以测到12ps。,缺点：结构复杂，价格昂贵，不适用连续锁模激光器，需取出一脉冲。不能测飞秒脉冲。,2 .相关测量法,应用较广，间接测量。利用相关函数的测试，但测出的相关函数曲线不是脉冲的实际宽度，要通过换算，才能得到脉宽的近似值。

15、(1)相关函数强度为I(t)的2阶强度相关函数为,二阶相关函数测得的脉冲波形对称。因 ,如果实际波形不对称，此法测不出。,目前比较成熟的二阶相关函数测量法是双光子荧光法和二次谐波法。,双光子荧光法 原理：当入射光为高功率的情况下，基态的粒子吸收两光子跃迁到高能态，然后无辐射跃迁到能级，最后由能级自发辐射跃迁到能级发出荧光，hvf12hvin。,实验装置如下：,M3 分束镜，把入射光分成相等的两束光，M1、M2全反镜,在系统中，把一束激光分成两束光，沿相反方向进入染料中。重合的少，荧光弱，光全重合，荧光最强。双光子吸收是一种与光强平方成正比的非线性现象，通过观测双光子吸收产生的荧光，测定两个光脉

16、冲的相互关系，再由相关函数获得脉宽数据。,M3,特点： 1.结构简单，适合脉冲激光器。 2.底片的感光度的非线性给测量带来误差分辨力低。 3.存在背景光，测量的波形不能反映实际的波形。 4.要求实际调整精度高，分析周期长，灵敏度低。,二次谐波法 根据非线性光学原理，当两束光频率为w的光通过非线性晶体时，如果满足一定的相位匹配条件，则能产生频率为2w的倍频光（二次谐波），产生的倍频光的强度与入射光的强度的平方成正比。因此通过一定的装置（迈克尔逊干涉仪）把光分成相等的两束光，改变两束光在非线性晶体中的重合程度，从而接收到不同强度的倍频光相关测量。,特点：测量的精度高，分辨力高，处理数据方便，结构复

17、杂并需逐点测量。,3.7几种典型的锁模激光器,掺钛蓝宝石自锁模激光器 以掺钛的蓝宝石晶体（Al2O3）为工作物质的激光器。由于掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱很宽，如果激光器的纵模全部被锁定，那么理论上可以直接产生几个fs宽度的脉冲输出，而不需要采取另外的脉宽压缩技术，该种激光器具有结构简单和工作稳定的特点。,掺钛蓝宝石自锁模激光器、半导体锁模激光器、掺饵光纤锁模激光器,自锁模掺钛蓝宝石激光器结构图,晶体长20mm,端面切成布儒斯特角，置于四境折叠腔的中心，腔长1.5-2m。泵浦源为连续TEM00模Ar3+激光器，用B.R.F进行波长调谐。自锁模状态一般是由外界的微扰引入。在锁模情况下，波长可在845-950nm范围。目前输出最窄脉冲为10.9fs，当采用控制色散的啁啾介质镜，去掉腔内色散补偿棱镜时