第3章 超短脉冲技术1
超短脉冲技术
,在一个周期内有2N个零值点,2N+1个极值点。
在t=0和t=2L/c时,A(t)取得极大值,此时A(t)=(2N+1)E0
在t=L/c时,A(t)取得极小值,此时N为偶数时,A(t)=E0,
N为奇数时,A(t)=-E0。 除了t=0,L/c及2L/c点之外,A(t)具有2N-1次极大值。 由于光强正比于A2(t),所以在t=0和t=2L/c时的极大值,称为主脉冲。在两个 相邻主脉冲之间,共有2N个零点,并有2N-1个次极大值,称为次脉冲。
被动锁模
1 工作原理 由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降,所以高增益激光器所产生的高 强度激光能使染料吸收饱和。图3.3—1示出了激光通过染料的透过率T随激光强度 I 的 变化情况。强信号的透过率较弱信号的为大,只有小部分为染料所吸收。强、弱信号 大致以染料的饱和光强 Is来划分。大于Is的光信号为强信号,否则为弱信号。 在没有发生锁模以前,假设腔内光子的分布基本上是均匀 的,但还有一些起伏。由于染料具有可饱和吸收的特性, 弱的信号透过率小,受到的损耗大,而强的信号则透过率 大,损耗小,且其损耗可通过工作物质的放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料和工作物质一次。其强弱信号的强 度相对值就改变一次,在腔内多次循环后,极大值与极小 。 值之差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡,而尖峰部分 能有效地通过,则使脉冲变窄。
Eq (t ) Eq cos(qt q )
式中 ωq和 φq 分别是第q个模式的角频率和初相位,
Eq——第q个纵模的电场振幅
多纵模自由振荡激光器的输出特点
• 各纵模的初相位φq 无确定 关系,完全独立随机。 • 相邻纵模之间的频率间隔 不严格相等。 • 输出光强呈现随机的无规 则起伏,平均光强是各纵模 光强之和。
超短脉冲技术要点
I I t E2 t
E2 q
cos2
➢ 高带宽:光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级,脉宽 缩短,则带宽增加。100fs的脉冲宽度其带宽达到了10THz, 最短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分 可见光光谱区,看起来象白光一样。高带宽在光通信方面 非常重要。
➢ 高功率激光:激光器输出功率提升意味着体积的增加,也 意味着费用的增长,fs技术可以用中等输出能量的激光器产 生有极高峰值功率激光输出,目前已达到1015W量级的峰值 功率和1020W/cm2的光强。
属于非相干叠加,没有干涉项,为非同步辐射。
对于无规则变化的光场,讨论其瞬时光强I t 意义
不大,一般讨论其平均光强。
§3.1概论
▪ 光场的平均光强
I t E t 2 N Eq cos q t • N Eq cos q t
qN
qN
Eq2 cos2 q t 2 Eq Eq cos q t cos q t
2、纵模间隔非严格相等。
q
q c 2Lq
q c 2L0nq
q
q1 q
c 2L0
q 1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
nq1
q
1
nq
m
3、各纵模初始相位随机分布,q1 q const.
以上三点互相关联,由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布,
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏,
激光原理与技术
超短脉冲技术
1
§3.1概论
由图中可知,光子封闭在L中,L为谐振腔的几何长度, 则光子的空间测不准量为x L。 光子在谐振腔中往返振荡,其动量测不准量为
超短脉冲 第三章
3.1.2 掺杂类别
掺杂光纤(doped fiber)掺杂离子类别和浓度对于光纤激光器 的运转起着很大作用。作为增益介质的稀土金属离子(如Er3+、 Nd3+ 等离子)是以10ppm~103ppm的浓度和一定的分布掺杂于 以SiO2为主要成份的纤芯中。
线性腔展宽压缩型飞秒光纤激光器
λ /4
激光 输出
λ /4
SMF28 光纤
透镜 掺Er光纤
透镜
λ /2
隔离器
PBS
λ /4
SMF28 光纤
负色散
正色散
Flexcor 1060光纤 980nm 泵浦 980/1550nm WDM 耦合器
展宽-压缩型环型光纤激光器装置示意图
SMF28型光纤、1060光 纤、掺铒光纤色散0.023, -0.007, +0.075。 当泵浦光的功率达到 0.9W时, 输出脉冲重复 频率是36.9 MHz, 输出 脉冲的能量是2.25 nJ, 带宽有5060 nm,压 缩后脉宽90飞秒,倍频 光 7 7 5 n m 。
第三章 飞秒光纤激光器
3.1 光纤简介 光纤全称光导纤维,是由纤芯、包层和涂覆层构成 。
分两种结构:纤芯折射率一定的称为阶梯折射率分布光纤, 简称SIF(Step Index Fiber);纤芯折射率随半径r变化的光纤, 称为渐变折射率光纤,简称GIF(Graded Index Fiber)
涂覆层 包层 纤芯
3.3 展宽—压缩型飞秒光纤激光器
问题:光纤中孤子脉冲飞秒激光器最大缺点是输出能量很小, 只有几十pJ。如何提高能量同时尽可能压缩脉冲宽度?
实际上,这种结构的激光器输出峰值功率取决于锁模的饱和水 平。增加泵浦功率只能使脉冲分裂为多个孤子。
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识一、本文概述超短脉冲激光,作为现代光学领域的璀璨明珠,以其独特的性质和应用价值,正逐渐引起人们的广泛关注和深入研究。
本文旨在全面介绍超短脉冲激光的基本概念、产生机制、特性以及其在各个领域中的应用,帮助读者更好地理解和应用这一前沿技术。
我们将首先概述超短脉冲激光的定义和特点,包括其脉冲宽度、峰值功率、光谱特性等基本属性。
接着,我们将探讨超短脉冲激光的产生方法,包括调Q技术、锁模技术、光参量放大等,并简要介绍各种方法的原理和应用场景。
在了解了超短脉冲激光的基本特性后,我们将重点介绍其在各个领域中的应用。
这些应用包括但不限于:光学精密测量、超快现象研究、材料加工、生物医学等。
我们将结合具体案例,详细阐述超短脉冲激光在这些领域中的独特优势和实际应用效果。
我们将对超短脉冲激光的发展前景进行展望,分析其在未来科学研究和技术应用中的潜在价值和挑战。
通过本文的阅读,读者将能够全面而深入地了解超短脉冲激光及其相关应用的基本知识,为其在未来的科研和工作中提供有益的参考和启示。
二、超短脉冲激光的基本原理超短脉冲激光,也被称为超快激光,其脉冲宽度通常在纳秒(ns)甚至更短的皮秒(ps)、飞秒(fs)量级。
这种激光技术的基本原理主要涉及到激光产生和控制的物理过程。
我们需要理解激光是如何产生的。
激光产生的关键在于实现粒子数反转,即高能级粒子数大于低能级粒子数。
当高能级粒子数足够多时,受激辐射将占据主导地位,从而产生激光。
超短脉冲激光的产生则需要在此基础上,进一步控制激光的振荡过程,以实现脉冲宽度的缩短。
超短脉冲激光的产生通常利用调Q技术或锁模技术。
调Q技术通过改变谐振腔的Q值(品质因数),使得激光能量在短时间内迅速积累并释放,从而得到高能量的超短脉冲。
而锁模技术则是通过特定的光学元件和控制系统,使得谐振腔内的多个振荡模式同步,形成单一的高强度超短脉冲。
超短脉冲激光的特性使其在许多领域具有广泛的应用。
超短脉冲激光技术在材料研究中的应用
超短脉冲激光技术在材料研究中的应用超短脉冲激光技术是一种先进的材料加工技术,它的出现极大地推动了材料研究的发展。
超短脉冲激光通过短时间内高能量的脉冲作用于材料表面,使得材料表面瞬间蒸发或者产生等离子体,从而实现材料表面微米级别的加工和改性。
下面将从材料加工、表面改性和生物医学三个方面介绍超短脉冲激光技术在材料研究中的应用。
一、超短脉冲激光在材料加工中的应用超短脉冲激光技术可以实现大尺寸、高精度、良好表面质量的材料微加工。
比如在制备微型元器件、工艺模具、精密机械等方面都有广泛应用。
此外,超短脉冲激光还能够实现“一正一反”微米级别的加工,对于金属、无机物甚至生物材料表面都有很好的加工效果。
二、超短脉冲激光在表面改性中的应用超短脉冲激光技术可实现微米级尺度的表面改性,如增强材料强度、提高材料的电学和光学性能。
对于复合材料、高强度陶瓷等高性能材料的制备过程中,超短脉冲激光技术能够使得材料的表面产生过渡层,从而增加材料的粘结强度和性能。
此外,超短脉冲激光也是改善金属表面抗腐蚀性能和耐磨性能的重要手段。
三、超短脉冲激光在生物医学中的应用超短脉冲激光技术还可以在生物医学领域中应用。
通过超短脉冲激光,细胞可以被定向破坏而不影响周围组织,这为细胞和组织的研究奠定了基础。
此外,还可以将超短脉冲激光用于眼科手术,如在眼科激光屈光(LASIK)手术中使用。
总之,超短脉冲激光技术的应用范围非常广泛,越来越多的行业开始使用这种先进的材料加工技术。
然而,这种技术也有一些问题需要解决。
例如,超短脉冲激光的使用需要十分精密的设备和实验条件,成本较高;此外,过度依赖超短脉冲激光技术也容易导致技术陈旧,需要不断更新和改进。
相信在科学家们的不断努力下,这些问题也将得到解决,超短脉冲激光技术也会在未来得到更广泛的应用。
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形,实现脉冲能量的优化分配 ,提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应,将长脉冲压缩成短脉 冲,提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起,实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距:超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性,能够实现高精度的距离和速度测量,被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究:超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率,它能够 产生瞬时的强光场,从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射,导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时,会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射, 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像:超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率,它能够产 生瞬时的光场,从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质,通过泵浦光激发电子-空穴对,实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应,实现信号光的放大。
第3章 超短脉冲技术1
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果:
按指数形式展开,再用三角函数表示
(3.1-7)’
14
由(3.1-8) ~(3.1-10)式可知, 2N+1个振荡模经过锁相以后,总 光场变为频率为ω0 的调幅波。振幅A(t)是随时间变化的周期函 数,光强I(t)正比A2(t) ,也是时间的函数,光强受到调制。按 傅里叶分析,总光场由2N十1个纵模频率组成,因此激光输出脉 冲是包括2N十1个纵模的光波。 图3.1-3给出了7(N=3)个振荡模 的输出光强曲线。
20
复习上一节
锁模所产生的现象
(1)锁模激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
0, t1
(2)每个脉冲的宽度
得到窄的锁模脉宽。( t=to=0时,A(t)有极大值,而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时,A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽,则 有…)
17
通过分析可知以下性质:
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
(2)每个脉冲的宽度
1 1 2N 1
0, t1
得到窄的锁模脉宽。( t=to=0时,A(t)有极大值,而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时,A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽,则 有…)
9
某一瞬时的输出光强为
第一项 平均值,其平均光强为:
第二项
(3.1-5)
接收到的光强是在一段比1/ νq = 2π/ωq 大的时间(t1)内的
因为第一项积分: 第二项积分: 所以:
10
该式说明:非锁模时,平均光强是各个纵模光强之和 的一 半。
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术
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CONTENTS
主要内容
超短脉冲激光及其特点
一般超短激光脉冲:5飞秒~几百飞秒
一般是指时间宽度小于10^(-12)秒的激光脉冲
超短脉冲激光的特点
时间宽度非常短 光谱含量非常丰富 光脉冲峰值功率高 中科院物理所TW级飞秒激光装置
Dn
duration
Dt
DnDt = const.
主动锁模是采用周期性调制谐振腔参量的方法。 基本原理:在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器,用一定的调制频率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率等于纵模间隔时,对各个模的调制会产生边频,边频又与两个相邻纵模的频率相一致,由此引起模之间的相互作用。若调制的强度足够大,则使所有的振荡模达到同步,形成周期性的锁模脉冲序列。
被动锁模原理
01
02
被动锁模过程
经过多次往返,经过可饱和吸收体和增益介质的共同作用可以产生一个很短的脉冲
Short time (fs)
Intensity
Round trips (k)
k = 1
k = 7
超短脉冲的获取方法及应用
超短脉冲的获取方法及应用超短脉冲是指时间长度非常短暂的电磁脉冲信号。
由于脉冲时间非常短,通常在皮秒(10^-12秒)甚至飞秒(10^-15秒)级别,超短脉冲具有极高的峰值功率和宽带频率特性,因此在科学研究和许多实际应用中得到了广泛关注。
要获取超短脉冲,一般采用以下几种方法:1. 模式锁定激光:最常见的方法是通过模式锁定技术获得超短脉冲激光。
模式锁定激光通过通过控制放大器和光纤等元件的特性,使光传播过程中不同模式的相位相互耦合,最终实现了超短脉冲的产生。
2. 非线性光学效应:通过利用非线性光学效应,如自相位调制(Self-Phase Modulation,SPM)、调制不稳定和双光子吸收等,可以将连续波光信号转化为超短脉冲。
这种方法适用于光纤而非气体激光介质。
3. 光学斯托克斯过程:通过非共线非相位匹配的非线性光学斯托克斯过程,将几个光子能量合并为一个光子,并使合并后的光子频率减小,从而得到超短脉冲。
这种方法常用于基于光学斯托克斯过程的光学放大器中。
超短脉冲在许多领域中具有广泛的应用,包括:1. 激光科学研究:超短脉冲激光可以提供极高的峰值功率和高能量密度,已广泛应用于激光物理、激光生物学、激光化学等领域的研究。
如超高时间分辨率的飞秒光谱学、非线性光学研究、光子晶体等。
2. 生命科学研究:超短脉冲激光在生物领域的应用主要包括生物成像、细胞操作和基因组研究等。
例如,基于多光子吸收现象的超短脉冲激光显微术成像技术可以实现高分辨率和深度成像,对生物、医学研究具有重要意义。
3. 材料加工与纳米制造:超短脉冲激光由于其极高的峰值功率和精细加工特性,已广泛应用于材料微加工、曲面精细加工、表面改性、激光蚀刻等领域。
还可以通过调控超短脉冲激光的参数,如能量密度、重复频率等,实现纳米材料制造、光子晶体制造等。
4. 高速通信技术:超短脉冲激光在光通信领域的应用主要是基于其游戏理论特性,提供了高速、高频宽的数据传输能力,如飞秒激光自由空间通信和光纤通信等。
第三章 超短脉冲技术
➢实现锁模的方法
❖ 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
3.2主动锁模
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。
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。
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。
目前压缩超短脉冲的方法有以下两种:
(t )
(a)Tr << τp,脉冲前 后沿具有负啁啾, 脉冲中间部分只有 正啁啾,谱带加宽, 而且是向原载波频 率ωo的高端和低端 同时扩展。
(b)Tr >>τp,脉 冲频谱的扩展只是 向ω <ω。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。
超短脉冲技术
非线性放大阶段:选择出的强脉冲不但能使染料吸收饱和,而 且使激光工作物质的增益达到饱和,当强脉冲经过激活介质时, 前沿及中心部位放大得多,致使脉冲后沿放大得少,甚至得不 到放大,其结果使前后沿变陡,脉冲变窄,小脉冲几乎被完全 抑制,最后输出一个高强度窄脉宽的脉冲序列。
§3.1概论
▪ 高斯分布锁模脉冲特性
设激光器纵模为高斯分布,中心频率0,q
0,振幅E0, FWHM
,
g
则有Eq2
E2 0
exp
2 g
2 q
ln 2
Eq
E0
exp
2 2g
q
2
ln
2,
则E t Eq exp i qt 0 Eq exp i 0 q t 0
以上三点互相关联,由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布,
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏,
N
其平均光强I Iq ,为各纵模光强之和,属于非 q N
相干叠加,没有干涉项,为非同步辐射。锁模技术
要实现各纵模之间的同步。
§3.1概论
▪ 锁模原理
如果采用某种技术,使
§3.1概论
▪ 超短脉冲特性
➢ 高时间分辨率:超短脉冲的脉宽在ps、fs甚至更短,能够作 为测量固体物理、化学、生物材料等领域超快物理过程的 测量工具。
➢ 高空间分辨率:超短光脉冲空间长度是脉冲宽度与光速的 乘积,随着光脉宽的缩短,其空间长度也不断缩短,已经 达到微米量级,这在显微成象方面有很大用途。
超短脉冲技术的原理与应用
超短脉冲技术的原理与应用引言超短脉冲技术是一种在相对时间尺度上产生非常短脉冲的技术。
它具有很高的时间分辨率和能量浓度,被广泛应用于多个领域。
本文将介绍超短脉冲技术的原理及其在不同领域中的应用。
超短脉冲技术的原理超短脉冲技术的原理基于光的时间调制性质。
通过优化光学元件和脉冲发生器的设计,可以产生非常短的脉冲。
以下是超短脉冲技术的主要原理:1.【原理1】光的色散补偿:在光经过不同材料或器件时,会因为折射率的不同而引起色散。
超短脉冲技术利用特殊的光学元件来补偿色散,使得在光经过时不会引起时间延迟。
2.【原理2】光纤拉伸:光纤拉伸技术可以将宽频带的光脉冲缩短。
通过拉伸光纤,光的不同频率被拉宽,从而实现宽频带的短脉冲。
3.【原理3】自发放射:自发放射是一个自然现象,它是由于原子或分子在受到外界激发后发射出光。
通过利用自发放射现象,可以产生非常短的脉冲。
超短脉冲技术在激光领域的应用超短脉冲技术在激光领域有广泛的应用。
以下是几个主要的应用领域:•材料加工:超短脉冲激光在材料加工中具有优越性能。
由于脉冲时间非常短,光的能量集中在一个非常小的空间范围内,可以实现精确的加工。
超短脉冲激光已经在微细加工、孔加工、锡焊接等领域得到广泛应用。
•光谱学研究:超短脉冲激光可以产生宽频谱的光,适用于光谱学研究。
通过测量光的频谱,可以获得物质的吸收、发射等信息。
超短脉冲激光在分子光谱学、固态物理等领域的研究中发挥着重要作用。
•生物医学影像:超短脉冲激光可用于生物医学影像的研究。
超短脉冲激光的短脉冲宽度和高峰值功率可以提供高分辨率的成像。
它被广泛应用于皮肤病学、眼科学和神经科学等领域。
超短脉冲技术在通信领域的应用超短脉冲技术在通信领域也具有重要的应用价值。
以下是几个主要的应用领域:•光纤通信:超短脉冲技术可以实现光纤通信中的高速数据传输。
由于脉冲时间短,可以将信号传输速率提高到数十Gbps甚至更高。
超短脉冲光纤通信已经成为现代通信系统的重要组成部分。
习题及解
答案:
(1) 谐振腔的光学腔长为 L/ L l n1 l n 1 0.11 0.11.76 1.076(m) 谐振腔决定的模式间隔为 激光介质的增益线宽为 则可以振荡的模式数 输出的脉冲宽度
c 3 108 q / 1.394 108 ( Hz) 2 L 2 1.076
c g
g
2
694.3 10
3 108
9 2
0.5 109 3.11 1011 ( Hz)
3.111011 N 2230 8 q 1.39410
1 1 1 1 1.611012 (s) 2 N 1 q 2 2230 1 1.394108
声光调Q 小结
当频率fs=40MHz的超声波在熔融石英声光介质(n=1.54) 中建立起超声场(vs=5.96*105cm/s)时,试计算波长为 1.06μm的入射光满足布拉格条件的入射角θ。 一个声光调Q器件(L=50mm,H=5mm)是用熔融石英材料 做成的,用于连续YAG激光器调Q。已知声光器件的电 声转换效率为40%,求(1) 声光器件的驱动功率Ps应为多 大?(2) 声光器件要工作于布拉格衍射区,其声场频率应 为多少? 设计声光Q开关需要考虑哪些因素?
03-超短脉冲技术介绍
(2) 脉冲宽度
按脉宽定义,应为脉冲(极大值)半高全宽(FWHM)。这里可
以近似用极大值和0点之间的时间来表示
t0 t 1 2L
2N 1 c
极大值
第一个0点
1 2N 1
2L c
(2N
1
1) q
在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器,输出的脉宽 最小为2L/c。可见通过锁模可以大大缩短脉宽。实际锁模激光器中并不是 激光器中所有振荡的纵模都可以锁定,被锁定的纵模数越多脉宽越窄。
第三章 超短脉冲技术
Ultra-Short Pulse Techniques
主讲: 韩 群
天津大学精密仪器与光电子工程学院
主要内容
3.1 锁模原理 3.2 主动锁模 3.3 被动锁模 3.4 单脉冲选取与超短脉冲测量技术
第三章小结
Qun Han@Tianjin University 2012年10月19日, 09:49:38
另外各模式的相位还会受温度影响各自漂移,因此各个模式之间是不
相干的。
Qun Han@Tianjin University 2012年10月12日, 10:08:41
频域
时域
由于各模之间不相干,所
以激光的强度是各个不同频
率的模式的光强的无规则叠
加。某一瞬时的光强为
自由运转多模激光器的输出特性
I
q1 q 常数 将会出现另一番景象:脉宽极窄、峰值功率很高、脉冲输出。- 锁 模(锁相)技术
Qun Han@Tianjin University 2012年10月12日, 10:14:10
三、锁模的基本原理
1. 相位锁定后光场的变化
为了讨论方便,假定各个模式具有相同的振幅E0,超过阈值的纵模共
第三章 超短脉冲技术
当分子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 ,A’(t)=0
1 1 1 1 (2 N 1)sin( t ) cos[ (2 N 1)t ] cos( t )sin[ (2 N 1)t ] 2 2 2 2
1 1 (2 N 1)tg ( t ) tg[ (2 N 1)t ] 把方程化简: 2 2
Eq (t ) Eq cos(q t q )
E 式中 q和 q 分别是第q模的角频率和相位, q -第q模的电场振幅,q -激 qc 光器内2N+1个振荡模中第q个纵模数,而不是 q 纵模序数。 2L
1.激光器输出特性
①各振荡模的振幅和相位无规则分布
Eq ---中心频率处的振幅大,远离中心小,且它们之间变化
无规律。 q ---各模的初相位,在 ~ 之间分布, 或 q 1 q 常数。 对于不同的时间,每个模的 振幅和相位也有变化, q 随时间漂移。
图3.1-2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构模, (a)-非锁模, (b)-理想锁模
②输出的光强是各个纵模无规叠加。 输出的光强是各纵模光强的无规叠加,接收到的光强是时间的 平均值。
N
总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。 相位分布对输出光强有影响的, q 不同,各模不相干。 假定在一般激光器中设法使相邻两纵模间的位相固定。 相位有规律。 q 1 q 常数 由于各相邻模之间的频率间隔是固定的,<纵模条件> 各模的振动方向(偏振光)或振动方式(自然光)对于一定激 光器是相同的。 各振荡模具备了上述三个条件,各模光波变成相干波。 c q 因此输出的光波可能是一序列的脉冲形式。对于 2L 每一脉冲来说,脉宽窄了,峰值功率大大增加,锁相 激光器-锁模。
超短脉冲的发展及应用
脉冲宽度在皮秒,飞秒到阿秒的脉冲
秒; 毫秒;微秒;纳秒;皮秒;飞秒;阿秒 皮秒; 皮秒 飞秒; s : ms; ms; ns; ps; fs; as ; ; 现在人们已经能够比较容易地产生脉宽仅为几个飞秒的高强度少周期或亚周期 超短脉冲,脉冲聚焦峰值功率密度可以达到1020~1022 W/ cm2,这种周期量级 超短激光脉冲已经失去了波动所特有的周期性特征,且如此高的激光功率密度 能够产生前所未有的极端物理条件,即超强电场、超强磁场和超高电压等,从 而产生一系列全新的物理现象与规律,开创了极端非线性相互作用的最前沿。
美国哈佛大学的格老伯教授(R.J.Glauber)因对“光相干性的量子理论”的贡 献而分享该奖的一半,另一半由美国国家标准技术研究院(NIST)的霍尔教授 (J.L.Hall)和德国马普量子光学所的亨施教授(T.W.Hansch)共同获得,以 奖励他俩对“超精细激光光谱学,包括光学频率梳技术”的贡献。这些研究 对开发极度精确的钟表和发展更先进的全球定位技术非常有用。
飞秒超短脉冲具有极高的时间分辨率和空间分辨率,在飞秒时间分辨光谱学,飞秒 化学,飞秒生物学、光通讯等领域都有非常广泛的应用。 研究物理,化学和生物过程中的动力学问题,成为观测和记录爆炸和化学过程等超 快过程的重要手段。 飞秒激光极高的峰值功率用于电子及质子加速。 激光核聚变,2010年10月,世界上最强大的激光器国国家点火装置首次成功地实 施一次完整的点火演练。 飞秒激光在病变的早期诊断,医学成像和外科医疗等方面都发挥着极其重要的作用。 飞秒激光利用其独特的优势,能克服长脉冲加工材料选择性大等缺点,可对不同材 料进行精密加工。 在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术, 研究光合作用反应中的传能、转能与电荷分离过程等。 阿秒脉冲(1阿秒=10-18秒),最直接的应用就是对原子内部电子及原子核的运动过 程的观测,电子绕氢原子核一周大约是150阿秒,在这样短的时间尺度内飞秒脉冲无法 胜任。最近一个欧洲研究小组首次成功使用阿秒激光脉冲观测分子里的电子运动,揭 示了原子内微观物质运动的规律。 超短脉冲在军事上的应用,使其发展更显得尤为重要
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三、锁模的方法 1.主动锁模:采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。 2.被动锁模:产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模。 3.自锁模:当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模 频率的等间隔分布,并有确定的初相位关系,不需要在谐振腔 内插入任何调制元件,就可以实现纵模锁定的方法。 4. 同步泵浦锁模:如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实 现锁模,则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一 台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。
29
损耗调制的结果把各个纵模联系起来了,其锁模过程如 下: 假设处于增益曲线中心的纵模频率为υ ,由于它的增益
0
最大,首先开始振荡,电场表达式为 E(t)=E0cosω0t (3.2-10)
当该光波通过腔内的调制器时,受到损耗调制,调制的结 果产生了两个边频分量υ0±υm 。当损耗变化的频率υm和腔内 纵模的频率间隔相等时,
第三章
超短脉冲技术
超短脉冲技术及其发展历程
超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学,以及 激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的 重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、 同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM),以及90年代出现的加成脉冲 锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实 现激光锁模以来,锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级,70年 代,脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级,到80年代则出现了一次 飞跃,即在理论和实践上都有一定的突破。1981年,美国贝尔 实验室的R.L.Fork等人提出碰撞锁模理论,并在六镜环形腔中 实现了碰撞锁模,得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲 压缩技术后,获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出 现,在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序 列。 本章将讨论超短脉冲激光器的原理、特点和实现方法。
(3.2-3)
a(t)
To为平均透过率; △T为透过率变化幅 度。
26
调制器放入腔内,未加调制信号(t=0)时,调制器的损耗:
α= α0- △ α0
透过率 : T=T 0+△ T 0 (3.2-5) 并且: α +T=1 (3.2-6) 假定调制前腔内的光场为:
(3.2-4)
α为常数,它表示调制器的吸收、散射、反射等损耗。
21
1 1 2N1 q ; 可见增益线宽愈宽,愈可能
锁模所产生的现象
(3)输出脉冲的峰值功率正比于 E0 (2N 1) ,因此,由于锁模,
2 2
峰值功率增大了2N+1倍。
(4)多模(ω0+q△ωq )激光器相位锁定的结果,实现了q+1 - q=常 数,导致输出一个峰值功率高,脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵 模激光器锁模后,各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的 功率应看成是所有振荡模提供的。
13
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果:
按指数形式展开,再用三角函数表示
(3.1-7)’
14
由(3.1-8) ~(3.1-10)式可知, 2N+1个振荡模经过锁相以后,总 光场变为频率为ω0 的调幅波。振幅A(t)是随时间变化的周期函 数,光强I(t)正比A2(t) ,也是时间的函数,光强受到调制。按 傅里叶分析,总光场由2N十1个纵模频率组成,因此激光输出脉 冲是包括2N十1个纵模的光波。 图3.1-3给出了7(N=3)个振荡模 的输出光强曲线。
12
3.1.2 锁模的基本原理
要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲,只有采用锁模的方 法,就是使各纵模相邻频率间隔相等并固定为
q 2cL
,并且
相邻位相差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现 的。 下面分析激光输出与相位锁定的关系,为运算方便,设多 模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅E0,超过阈值的纵模 共有2N十1个,处在介质增益曲线中心的模,其角频率为ω0, 初相位为0,其模序数q=0,即以中心模作为参考,各相邻模的 相位差为α,模频率间隔为Δω ,假定第q个振荡模为 (3.1-7)
9
某一瞬时的输出光强为
第一项 平均值,其平均光强为:
第二项
(3.1-5)
接收到的光强是在一段比1/ νq = 2π/ωq 大的时间(t1)内的
因为第一项积分: 第二项积分: 所以:
10
该式说明:非锁模时,平均光强是各个纵模光强之和 的一 半。
11
如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步, 即把它们的相位相互联系起来,使之有一确定的关系(φq+1 -φq =常数),那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现 象;激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲,如图 3.1-2(b)所示。 该激光器各模的相位已 按照: φq+1 -φq=常数 的关系被锁定,这种激 光器叫做锁模激光器, 相应的技术称为“锁模技 术”。 图3.1-2 (b) 理想锁模
3.0 概述
模式(模):就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的 波型。可以分为纵模与横模两种。 纵模:也叫轴向模,是沿轴向的光场分布,不能在光屏上 观察到。
0阶模 1阶模
横模:横向(与光轴垂直方向)的光场分布,其花样可以 在光屏上观察到。
横模花样图
目前,主要采用纵模锁定技术来获得超短激光脉冲。
3.1.1 普通多模激光器的输出特性
未经锁摸的多纵模自由运转、腔长为L的激光 器,其纵模的频率间隔为: (3.1-1) 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈 值的纵模,如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都 不固定。
3.1.1 普通多模激光器的输出特性
未经锁摸的多纵模自由运转、腔长为L的激光 器,其纵模的频率间隔为: (3.1-1) 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈 值的纵模,如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都 不固定。
υ0 υ-1 υ1
由调制激发的边频实际上是与υ0相邻的两个纵模频率,这样使得
30 与它相邻的两个纵模开始振荡,它们具有确定的振幅和与υ0 相同
的相位关系。而后 ,υ1和υ-1通过增益介质被放大,并通过调制 器得到调制,调制的结果又激发新的边频υ2= υ1+ c/2L和
υ-2= υ-1- c/2L 及υ3= υ2+ c/2L和υ-3 = υ-2- c/2L等等。此过程继
20
复习上一节
锁模所产生的现象
(1)锁模激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
0, t1
(2)每个脉冲的宽度
得到窄的锁模脉宽。( t=to=0时,A(t)有极大值,而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时,A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽,则 有…)
续进行,直到落在激光线宽内的所有纵模被激发为止,如图3.2-2 所示。
介质增益曲线
υ0 υ-1 υ-2 υ0 υ1 υ2
υ-4 υ-3 υ-2 υ-1 υ0 υ1 υ2 υ3 υ4
纵模
一直到激光线宽内的 所有纵模都被激发。
31
振幅调制锁模的特点
1 c ①调制器的信号频率为 2 m ,损耗变化的频率为 m 2 L q ②调制的结果,使各纵模之间的相位固定 q 1 q 0
(3.1 3)
式中,α(ω)为幅度;φ(ω)为位相频谱。当脉冲带宽△ω比 平均光频ω0窄时, 在时域内光脉冲可以写成: (3.1-4) 式中,A(t)是脉冲的振幅;是φ(t)相位。
8
时域和频率描述的非锁模激光脉冲图形
频域特性
时域特性
图3.1-2 非锁模激光器的信号结构 该图说明:非锁模时脉冲波形不规则
17
通过分析可知以下性质:
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
(2)每个脉冲的宽度
1 1 2N 1
0, t1
得到窄的锁模脉宽。( t=to=0时,A(t)有极大值,而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时,A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽,则 有…)
24
3.2.1 振幅调制锁模
调制信号a(t)
结构图: M1
调制器
YAG L
M2
利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模。
设在某时刻t1通过调制器时的光信号受到的损耗为: α(t1), 2L 2L 则在脉冲往返一周 (t1 c )时,将受到同样的损耗: (t1 c ) ( t1 ) 若α(t1) ≠0,而且损耗大于增益,则这部分光波最终将会消失。 若α(t1) =0,则t1时刻通过调制器的光,最终会形成脉宽很窄、周 期为T=2L/c的脉冲序列输出。
荧光光谱
假设在激光工 作物质的净增益 线宽内包含有N 个纵模,那么激 光器输出的光波 电场是N个纵模 电场的和:
(3.1-2)
N=11
(3.1-2) 式中,q是激光器内纵模的序数; Eq:是纵模序数为q的场强;
ωq及φq:分别是角频率及相位。
在频率域内光脉冲可以写为:
( ) ( ) exp[i ( )]
22
3.2 主动锁模
23
3.2
主动锁模
主动锁模是在激光腔内插入一个调制器,调制器的调制频 率应精确地等于纵模间隔,这样可以得到重复频率为f=c/2L的 锁模脉冲序列。 根据调制的原理,可分为相位调制(PM)(或频率调制FM) 锁模及振幅调制(AM或称为损耗调制)锁模。下面讨论其原理 及实现的方法。
频率间隔△υ=c/2L倒数
16
(3.1-11)
在t=0和t=2L/c时,A(t)取得极大值,因A(t)分子、分母同时为 零,利用罗彼塔法则可求得此时振幅(2N+1)E0。 在t=L/c时,A(t)取得极小值±E0,当N为偶数时,A(t)=E0,N为 奇数时,A(t)=-E0。除了t=0,L/c及2L/c点之外,A(t)具有2N-1次 极大值。 由于光强正比于A2(t),所以在t=0和t=2L/c时的极大值,称为主 脉冲。在两个相邻主脉冲之间,共有2N个零点,并有2N-1个次 极大值,称为次脉冲。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光 脉冲在腔内) 一个频率为ωc的光波,经过外加频率为ωm/2的调制信号调 制后,其频谱包括了三个频率,即ωc ,上边频(ωc + ωm),下 边频(ωc –ωm) ; (2)这三个频率的光波的相位均相同。由此可见,损耗是以频率 fm= ωm /2π=△υq (频率间隔)变化的,因此,第q个振荡模 里会出现其他模的振荡。