第3讲飞秒激光技术及其应用
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Science 293 (2001)1286
分立两台激光 — — 电子学控制 腔内双色激光 — — 光学控制
双色激光同步、相位锁定
波长间隔很大的激光相干迭加
超短光脉冲的获得新途径
高次谐波迭加
L1
Gas jet Grating Slit1
Vacuum Slit2 Reflector Slit3
PMT2 Amplifier Boxcar
Ti:Sapphire
飞秒激光
新的锁模技术 — — 光克尔自锁模技术 1991年 D,E. Spence et al, Opt. Lett. 16, P.42
60fs, 845 - 950nm, 300mW ( 6W Ar+ 泵浦） 1997年 M.Nisoli et al, Opt. Lett. 22, P.522 光纤压缩 4.5fs 20µJ 1KHz
Linear optics ω0 Ii ω0 I0
Nonlinear optics ω0 Ii ω I0
No change of ω0
ω = 2 ω0 , 3 ω0 , … ...
PNL = ε0χ(2) : EE + ε0χ(3) : EEE χ(2) — — 非中心对称要求 χ(3) — — 无非中心对称要求
脉冲周期 T=2 π/ω = 2L/c 脉冲宽度 τ=2 π/N ω = 2L/Nc = T/N N= ∆νG/ ∆ν ∆ν = c/2L τ=1/ ∆νG ∆νG增益线宽 纵模间隔
∆νG越宽 — — τ 就越短 增益 — — 介质谱宽宽、反射镜宽带反射
可以锁定更多的模式 N越大 t 可以越小
Ti:Sapphire晶体吸 收和发射光谱 发射谱： 600 — 1150nm
群速色散 GVD
客观存在 Vg--- 波包（脉冲）传播速度 Vg=c/n(1+λ/n dn/dλ) d2n/dλ2 > 0 dVg /dλ > 0 脉冲中长波分量快于短波 分量
波长 λ
正常色散（dn/dλ<0）介质
n(λ ) 折射率 dn(λ)/dλ
λ1
λ2
λ3
正啁啾（ Chirp）的光脉冲
结果：+GVD 的作用是
例子： λ = 1064nm, γ = 600, λ1 - λ2 =10nm δλ τ (ps) = 0.58d (cm) d = 100cm, δλ τ = 58 ps
CPA : Chirped Pulse Amplifier 工作原理图
t
stretcher
Amplifier
Compressor
M11 L4 L5 M17 A6 Ti: PC2 M15 M13
Pump
λ/4 PC1
A5
OPCPA放大新技术
更高功率飞秒激光的获得
Nd:YAG laser (Q-switched)
0.6J SHG532 nm/5ns
1mJ
Seed source 1nJ/840nm 10.5fs stretched to 0.5ns BBO pre-ampl
80年代 90年代
Colliding Pulse Modelocking 10-13 s ( sub-ps ) Kerr Lens Modelocking
4.0 fs
10-15 s (fs )
最短的激光脉冲为 4.5 fs 腔外压缩
激光振荡周期为 T= 2.7fs
有机染料飞秒（80年代） 染料 发射光谱宽度50nm
autocorrelation
Pulse traces of Ti:S (top) and Cr:F (bottom) lasers (a) free-running (b) synchronization
(a) Ti:S laser τ= 43± 2fs (b) Cr:F laser τ = 52 ±1fs
PMT1
A/D
PC
高次谐波
位相相关 相干迭加
阿秒脉冲
Power spectrum of high harmonics 800nm, 1015W/cm2 , neon target
飞秒激光基本特性：
波长：750 - 1100nm 超快 (4.5fs) ---- 万亿分之一秒 超强 (100TW) 聚焦强度 光 压 1020W/cm2 1012bar 1021g 109Gauss 提供了极端实验条件 自然界存在 3.5 ×1016W/cm 2 1bar g 0.5Gauss
一、锁模基本知识
激光腔纵模 增益曲线
振荡阈值 允许振荡模
未经锁模多纵模自由运转激光器. 各模的振幅和位 相不固定无规叠加
模式锁定：
N个等振幅等相位激光锁模可表示成： I(t) ∝ E 02Sin 2(N ωt/2)/ Sin 2(ωt/2) 锁模后，最大光强为 N 2E02 (ωt/2 =m π ) 相干迭加
三、Ti:S光克尔锁模技术
1、 KLM ( Kerr Lens Modelocking )
---- passive, simple, solid state modelocking
非线性光学效应 n n= =n n + ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n I(r) I(r) 非线性光学效应 00+ ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n22
n2 ∝ ε0 Re[χ(3)] χ(3) — — 三阶非线性光学系数
Nonlinear Optics P = ε0χ(1)E + ε0χ(2) : EE + ε0χ(3) : EEE
E很强时 Linear optics Reflection diffraction …… no frequency change Nonlinear optics EO effect SHG, SFG, THG Four-wave mixing self-action (self-focusing, SPM) … ...
超快超强激光物理学
第三讲 Ti:Sapphire 飞秒激光 技术及其应用
龚旗煌 教授
北京大学物理学院现代光学研究所 人工微结构和介观物理国家重点实验室 中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心
本文撰写时间仓促，有错误和不足之处，恳请批评指正。版权所有，引用请与作者联系！
目录
一、锁模基本知识 二、脉冲激光进展 三、Ti:S 光克尔锁模技术 四、飞秒激光放大技术 五、获得更短脉冲（如< 1fs ) 办法 六、飞秒激光的应用 七、结语
SPM + GVD ： n2 , d2n/dλ2 > 0
脉宽越来越宽 脉宽不断展宽
GVD 引入负GVD d2n/dλ2（ d2P/dλ2 ）< 0
SPM n2>0
长波分量传播慢于短波分量
长波分量传播快于短波分量
稳定短脉冲
负GVD产生 ----- 光栅对 损耗大 ----- 棱镜组 布儒斯特角入射、可连续调节
1999年 Guinness record
二、脉冲激光器进展
60年代 70年代 Q-Switching 10-9 — 10-10 s (ns ) Modelocking 10-11 — 10-12 s(ps)
（ Active, Synchronous Pumping, Passive Modelocking）
脉冲的蓝光红光 分量重新重合
β
红光 蓝光
l
棱镜 1 (BP1) 棱镜 2 (BP2)
四、飞秒短脉冲的放大
——
CPA
1969年 E.B. Treacy IEEE J. Quan. Electron. QE-5, 454-458 引入衍射光栅对 造成不同波长分量光程不 同— — 短脉冲展宽或长脉 冲压缩 δλ τ =b(λ/d)dλ/{cd[1-(λ/d - sinγ)]} b --- 光栅对距离，d --- 光栅常数 γ --- 入射角
3-7W Ar+ 90fs
1981 对撞锁模 R6G 激光介质 DODCI 可饱和吸收体 第一次获得 < 100fs 脉宽
1987 主动或同步泵浦 1985 被动（对撞）锁模
65fs Opt. Lett. 12(1987)681 27fs Opt. Lett. 10(1985)131
功率较低 100mW量级，操作难度大
two lasers cross-correlation τ= 74± 2fs （实验、理论符合）
双色激光同步在几飞秒时 间内（time jitter only few femtoseconds)
波长间隔很大的激光相干迭加
Phase-coherent optical pulse synthesis two separate fs lasers ( 100MHz ) 760nm, 810nm wavelengths
Re — 折射率变化 Im — 吸收变化
激光空间横截面分布为高斯分布
非线性光学效应 n n= =n n + ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n I(r) I(r) 非线性光学效应 00+ ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n22 Ir
r
光斑中心折射率高于边缘
n2 > 0, 光程 nL：中心光线 ＞ 边缘光线 L 等 同 于
正常色散 前沿ω减少 （可见、 走得更快 长波分量 红外区）
飞秒短脉冲 d∆φ(t)/dt= -∆ω ∆ω
前沿 ∆ω < 0
结果：SPM (n2>0) 作用 是 脉宽越来越宽
Ti:S ( n2 > 0 ) SPM 作用 是 脉宽越来越宽
解决方法： 引入负 群速色散 ( Group Velocity Dispersion )
~0. 6J
BBO
1000×
15mJ 840nm
15000 ×
光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)示意图
五、获得更短脉冲（如< 1fs ) 办法
1）锁定更多模式 增益带宽限制，难于突破 2）其它技术，大大增大锁定的纵模间隔，得到极 宽带宽 假设 锁定 ω0=800nm, 2 ω0, … … 11ω0 , 共 11个成分 则可以得到约 250as 的极短脉冲 可见红外波段： 双波长飞秒激光 不同激光器脉冲相关
4棱镜组组合
( Opt. Lett. Vol.9,1984, P.156)
d2P/dλ2= 4l{[d2n/dλ2 + (2n-1/n3)(dn/dλ)2]sinβ- 2(dn/dλ)2cosβ} P ---- 光程； 对于石英晶体 620nm 波长 n=1.457, dn/dλ = -0.03059µ m-1； d2 n/dλ2 = 0.1267µm-2 d2P/dλ2 = 1.0354 - l (7.48×10-3) l > 138.4mm d2P/dλ2 < 0
R6G吸收和荧光光谱 ∆λ > 50nm
脉宽与光谱带宽的变换极限： ∆ν×τ = 0.314 （场强分布为双曲正割函数） 0.441 （场强分布为高斯函数） 0.886 （场强分布为矩形） Ti:S 晶体Laser 最短脉冲宽度 τ = 3飞秒 （理论上） τ < 5 fs (4.5fs) (实验上）
20fs
A.Baltuska et al, Opt. Lett. 22, P.102 13fs 光纤压缩 5fs 6µJ 1MHz
1999年 腔内产生
U. Morgner et al, Opt. Lett. 24, P.411 4.3fs (Sech), 4.8fs (Gaussian )
< 2T (2.7fs), 200mW, 90MHz, 650-1050nm
光栅 反射镜
光栅
压缩脉冲
反射镜
蓝光
红光
蓝光
红光
光栅
至放大 展宽后的脉冲
由放大级来的 啁啾脉冲
光栅
KHz飞秒放大系统
M2 A2 M5(6) _ M 3 A3 M 8 A1
seed
M7 M19(20) Output M18 Stretcher Compressor M21(22)_
M1
M4 Mp2
M9(10) L3 M16 P1 M14 L1 L2 Mp1 M12
KLM 锁模原理
n2>0 脉冲光光强强 自聚焦效应
锁模光斑截面
连续光斑截面
钛蓝宝石晶体
连续光
来自百度文库
狭缝打开——锁模 与连续光束均无损耗
调节狭缝使 连续光束损耗
光栏
2、飞秒短脉冲的获得
SPM + 负GVD SPM ( Self Phase Modulation ) ∆n(t) ∝ n2I(t) ∆φ(t) ∝ I(t) n2 > 0 前沿 dI(t)/dt > 0 t t
双波长同步飞秒激光
Z.Wei, Opt. Lett. (2002)
Ti:S and Cr:forsterite lasers are coupled inside Ti:S crystal by M1,M2,M3,M4, F.C1, F.C2 frequency counters Cr:F laser (1250nm) T2 output coupler Ti:S laser (820nm) T1 output coupler
分立两台激光 — — 电子学控制 腔内双色激光 — — 光学控制
双色激光同步、相位锁定
波长间隔很大的激光相干迭加
超短光脉冲的获得新途径
高次谐波迭加
L1
Gas jet Grating Slit1
Vacuum Slit2 Reflector Slit3
PMT2 Amplifier Boxcar
Ti:Sapphire
飞秒激光
新的锁模技术 — — 光克尔自锁模技术 1991年 D,E. Spence et al, Opt. Lett. 16, P.42
60fs, 845 - 950nm, 300mW ( 6W Ar+ 泵浦） 1997年 M.Nisoli et al, Opt. Lett. 22, P.522 光纤压缩 4.5fs 20µJ 1KHz
Linear optics ω0 Ii ω0 I0
Nonlinear optics ω0 Ii ω I0
No change of ω0
ω = 2 ω0 , 3 ω0 , … ...
PNL = ε0χ(2) : EE + ε0χ(3) : EEE χ(2) — — 非中心对称要求 χ(3) — — 无非中心对称要求
脉冲周期 T=2 π/ω = 2L/c 脉冲宽度 τ=2 π/N ω = 2L/Nc = T/N N= ∆νG/ ∆ν ∆ν = c/2L τ=1/ ∆νG ∆νG增益线宽 纵模间隔
∆νG越宽 — — τ 就越短 增益 — — 介质谱宽宽、反射镜宽带反射
可以锁定更多的模式 N越大 t 可以越小
Ti:Sapphire晶体吸 收和发射光谱 发射谱： 600 — 1150nm
群速色散 GVD
客观存在 Vg--- 波包（脉冲）传播速度 Vg=c/n(1+λ/n dn/dλ) d2n/dλ2 > 0 dVg /dλ > 0 脉冲中长波分量快于短波 分量
波长 λ
正常色散（dn/dλ<0）介质
n(λ ) 折射率 dn(λ)/dλ
λ1
λ2
λ3
正啁啾（ Chirp）的光脉冲
结果：+GVD 的作用是
例子： λ = 1064nm, γ = 600, λ1 - λ2 =10nm δλ τ (ps) = 0.58d (cm) d = 100cm, δλ τ = 58 ps
CPA : Chirped Pulse Amplifier 工作原理图
t
stretcher
Amplifier
Compressor
M11 L4 L5 M17 A6 Ti: PC2 M15 M13
Pump
λ/4 PC1
A5
OPCPA放大新技术
更高功率飞秒激光的获得
Nd:YAG laser (Q-switched)
0.6J SHG532 nm/5ns
1mJ
Seed source 1nJ/840nm 10.5fs stretched to 0.5ns BBO pre-ampl
80年代 90年代
Colliding Pulse Modelocking 10-13 s ( sub-ps ) Kerr Lens Modelocking
4.0 fs
10-15 s (fs )
最短的激光脉冲为 4.5 fs 腔外压缩
激光振荡周期为 T= 2.7fs
有机染料飞秒（80年代） 染料 发射光谱宽度50nm
autocorrelation
Pulse traces of Ti:S (top) and Cr:F (bottom) lasers (a) free-running (b) synchronization
(a) Ti:S laser τ= 43± 2fs (b) Cr:F laser τ = 52 ±1fs
PMT1
A/D
PC
高次谐波
位相相关 相干迭加
阿秒脉冲
Power spectrum of high harmonics 800nm, 1015W/cm2 , neon target
飞秒激光基本特性：
波长：750 - 1100nm 超快 (4.5fs) ---- 万亿分之一秒 超强 (100TW) 聚焦强度 光 压 1020W/cm2 1012bar 1021g 109Gauss 提供了极端实验条件 自然界存在 3.5 ×1016W/cm 2 1bar g 0.5Gauss
一、锁模基本知识
激光腔纵模 增益曲线
振荡阈值 允许振荡模
未经锁模多纵模自由运转激光器. 各模的振幅和位 相不固定无规叠加
模式锁定：
N个等振幅等相位激光锁模可表示成： I(t) ∝ E 02Sin 2(N ωt/2)/ Sin 2(ωt/2) 锁模后，最大光强为 N 2E02 (ωt/2 =m π ) 相干迭加
三、Ti:S光克尔锁模技术
1、 KLM ( Kerr Lens Modelocking )
---- passive, simple, solid state modelocking
非线性光学效应 n n= =n n + ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n I(r) I(r) 非线性光学效应 00+ ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n22
n2 ∝ ε0 Re[χ(3)] χ(3) — — 三阶非线性光学系数
Nonlinear Optics P = ε0χ(1)E + ε0χ(2) : EE + ε0χ(3) : EEE
E很强时 Linear optics Reflection diffraction …… no frequency change Nonlinear optics EO effect SHG, SFG, THG Four-wave mixing self-action (self-focusing, SPM) … ...
超快超强激光物理学
第三讲 Ti:Sapphire 飞秒激光 技术及其应用
龚旗煌 教授
北京大学物理学院现代光学研究所 人工微结构和介观物理国家重点实验室 中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心
本文撰写时间仓促，有错误和不足之处，恳请批评指正。版权所有，引用请与作者联系！
目录
一、锁模基本知识 二、脉冲激光进展 三、Ti:S 光克尔锁模技术 四、飞秒激光放大技术 五、获得更短脉冲（如< 1fs ) 办法 六、飞秒激光的应用 七、结语
SPM + GVD ： n2 , d2n/dλ2 > 0
脉宽越来越宽 脉宽不断展宽
GVD 引入负GVD d2n/dλ2（ d2P/dλ2 ）< 0
SPM n2>0
长波分量传播慢于短波分量
长波分量传播快于短波分量
稳定短脉冲
负GVD产生 ----- 光栅对 损耗大 ----- 棱镜组 布儒斯特角入射、可连续调节
1999年 Guinness record
二、脉冲激光器进展
60年代 70年代 Q-Switching 10-9 — 10-10 s (ns ) Modelocking 10-11 — 10-12 s(ps)
（ Active, Synchronous Pumping, Passive Modelocking）
脉冲的蓝光红光 分量重新重合
β
红光 蓝光
l
棱镜 1 (BP1) 棱镜 2 (BP2)
四、飞秒短脉冲的放大
——
CPA
1969年 E.B. Treacy IEEE J. Quan. Electron. QE-5, 454-458 引入衍射光栅对 造成不同波长分量光程不 同— — 短脉冲展宽或长脉 冲压缩 δλ τ =b(λ/d)dλ/{cd[1-(λ/d - sinγ)]} b --- 光栅对距离，d --- 光栅常数 γ --- 入射角
3-7W Ar+ 90fs
1981 对撞锁模 R6G 激光介质 DODCI 可饱和吸收体 第一次获得 < 100fs 脉宽
1987 主动或同步泵浦 1985 被动（对撞）锁模
65fs Opt. Lett. 12(1987)681 27fs Opt. Lett. 10(1985)131
功率较低 100mW量级，操作难度大
two lasers cross-correlation τ= 74± 2fs （实验、理论符合）
双色激光同步在几飞秒时 间内（time jitter only few femtoseconds)
波长间隔很大的激光相干迭加
Phase-coherent optical pulse synthesis two separate fs lasers ( 100MHz ) 760nm, 810nm wavelengths
Re — 折射率变化 Im — 吸收变化
激光空间横截面分布为高斯分布
非线性光学效应 n n= =n n + ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n I(r) I(r) 非线性光学效应 00+ ∆n(r) , ∆n(r) ∝ n22 Ir
r
光斑中心折射率高于边缘
n2 > 0, 光程 nL：中心光线 ＞ 边缘光线 L 等 同 于
正常色散 前沿ω减少 （可见、 走得更快 长波分量 红外区）
飞秒短脉冲 d∆φ(t)/dt= -∆ω ∆ω
前沿 ∆ω < 0
结果：SPM (n2>0) 作用 是 脉宽越来越宽
Ti:S ( n2 > 0 ) SPM 作用 是 脉宽越来越宽
解决方法： 引入负 群速色散 ( Group Velocity Dispersion )
~0. 6J
BBO
1000×
15mJ 840nm
15000 ×
光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)示意图
五、获得更短脉冲（如< 1fs ) 办法
1）锁定更多模式 增益带宽限制，难于突破 2）其它技术，大大增大锁定的纵模间隔，得到极 宽带宽 假设 锁定 ω0=800nm, 2 ω0, … … 11ω0 , 共 11个成分 则可以得到约 250as 的极短脉冲 可见红外波段： 双波长飞秒激光 不同激光器脉冲相关
4棱镜组组合
( Opt. Lett. Vol.9,1984, P.156)
d2P/dλ2= 4l{[d2n/dλ2 + (2n-1/n3)(dn/dλ)2]sinβ- 2(dn/dλ)2cosβ} P ---- 光程； 对于石英晶体 620nm 波长 n=1.457, dn/dλ = -0.03059µ m-1； d2 n/dλ2 = 0.1267µm-2 d2P/dλ2 = 1.0354 - l (7.48×10-3) l > 138.4mm d2P/dλ2 < 0
R6G吸收和荧光光谱 ∆λ > 50nm
脉宽与光谱带宽的变换极限： ∆ν×τ = 0.314 （场强分布为双曲正割函数） 0.441 （场强分布为高斯函数） 0.886 （场强分布为矩形） Ti:S 晶体Laser 最短脉冲宽度 τ = 3飞秒 （理论上） τ < 5 fs (4.5fs) (实验上）
20fs
A.Baltuska et al, Opt. Lett. 22, P.102 13fs 光纤压缩 5fs 6µJ 1MHz
1999年 腔内产生
U. Morgner et al, Opt. Lett. 24, P.411 4.3fs (Sech), 4.8fs (Gaussian )
< 2T (2.7fs), 200mW, 90MHz, 650-1050nm
光栅 反射镜
光栅
压缩脉冲
反射镜
蓝光
红光
蓝光
红光
光栅
至放大 展宽后的脉冲
由放大级来的 啁啾脉冲
光栅
KHz飞秒放大系统
M2 A2 M5(6) _ M 3 A3 M 8 A1
seed
M7 M19(20) Output M18 Stretcher Compressor M21(22)_
M1
M4 Mp2
M9(10) L3 M16 P1 M14 L1 L2 Mp1 M12
KLM 锁模原理
n2>0 脉冲光光强强 自聚焦效应
锁模光斑截面
连续光斑截面
钛蓝宝石晶体
连续光
来自百度文库
狭缝打开——锁模 与连续光束均无损耗
调节狭缝使 连续光束损耗
光栏
2、飞秒短脉冲的获得
SPM + 负GVD SPM ( Self Phase Modulation ) ∆n(t) ∝ n2I(t) ∆φ(t) ∝ I(t) n2 > 0 前沿 dI(t)/dt > 0 t t
双波长同步飞秒激光
Z.Wei, Opt. Lett. (2002)
Ti:S and Cr:forsterite lasers are coupled inside Ti:S crystal by M1,M2,M3,M4, F.C1, F.C2 frequency counters Cr:F laser (1250nm) T2 output coupler Ti:S laser (820nm) T1 output coupler