超短脉冲技术要点

qq
qq
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
Px
k
h 2 k 2 h k= h k
2
t
E
h
t
h
2
h
2
t
k n
c
Px
2h n 1 c t
Px
h k
又因为x Px
➢ 1996 年,西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs 的超短激光脉 冲;
➢ 1996 年,毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全固态腔 倒空压缩后4. 5 fs 的记录 ;
➢ 1998 年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs 的脉 冲产生了强白光连续谱,将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔外压缩, 得了4 fs 的最佳结果. 这些都是当时的国际最高指标.
§3.1概论
▪ 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，为人类提供了前所未有 的全新的实验手段与极端的物理条件。
▪ 就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒（10的负15 次方秒）时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒（10的负18 次方秒）时代。
▪ 就空间角度而言，空间分辨率已经从微米向纳米发 展。
▪ 飞秒科学技术的发展已有近20年历史，所有这一切， 都对自然科学和人类社会的进步产生重要的影响。
§3.1概论
▪ 在通常条件下，多纵模自由运转激光器的输出 光强为各纵模光强的之和，是各纵模光电场无 规则，非相干叠加的结果。其原因在于：
➢ 非同步的受激辐射导致的各纵模之间没有确定的相 位关系,
➢ 线性极化有关的色散效应，使得激光器出现纵模间 距不严格相等的“频率牵引”，
➢ 外界温度变化,机械振动和光腔标准具效应等随机条 件引起光学频率起伏与“跳模”等。
▪ 激光锁模技术将采取相应的措施，使得各纵模 之间具有确定的相位关系，纵模相互耦合，间 距严格相等，从而实现光电场的相干叠加。这 种时域上的“干涉”效应，将导致以线宽为倒 数的超短激光脉冲输出，即时域上的“干涉”
➢ 锁模技术突破了调Q技术的限制，利用“同步”相干的受激辐射， 实现了超短脉冲输出。
§3.1概论
▪ 超短激光脉冲的发展历史
➢ 脉冲激光技术自1965 年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲 而进入超短范围以来,发展十分迅速.
➢ 20 世纪70 年代中出现了对撞锁模环形染料激光器,使激光脉冲的 宽度进入飞秒范围. 80 年代中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽 度达到了27 fs.
§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。
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§3.1概论
▪ 自由运转多模激光器输出特性
纵模间隔为
q，设振荡增益带宽为
，则腔内能够振荡的纵模数为
g
2N
1
g q
向下取整
N
1，E t Eq cos
q N
qt q
N
Eq cos t
q N
多纵模激光器有如下输出特性：
1、各纵模非相干叠加，d dt
q1
t
d t
dt
const.
ms s 脉冲
100ns ns 短脉冲
100 ps fs 超短脉冲
L(ns) c t 3108 109 0.15m
2
2
L( ps) c t 3108 1012 0.15mm
2
2
L( fs) c t 3108 1015 0.15m
2
2
在技术上不可能实现如此短的调Q腔型。
➢ 对于上能级寿命非常短的激光器，因为不能实现上能级粒子数的积 累，也达不到调Q效果。
➢ 1986 年,中科院西安光机所的陈国夫在英国进修期间,利用对撞锁 模环形染料激光器创造了19 fs 的当时国际最短记录.
➢ 1990 年,国际上出现了被动锁模钛宝石飞秒激光器. 钛宝石增益带 宽宽,因而调谐范围宽(650～1100 nm) ,适用于产生超短脉冲(理论 上可以支持产生3 fs 的脉冲) ,由它构成的飞秒激光器可靠性高、 使用方便,掀起了国际上发展飞秒激光技术与应用飞秒脉冲的热潮. 1995 年,钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs ;
h L 2h n 1 c t
h 2nL 1 c t
1
最终有t 2L ，式中L为谐振腔的光学长度。 c
§3.1概论
▪ 激光技术的一个重要的发展方向就是不断获得更窄脉宽的激光 输出。
▪ 调Q技术的局限性
➢ 采用PTM方式，Δt=2L/c，L为光学腔长。
激光脉冲的分类
ms
长脉冲 ct 300km