第29讲 被动锁模及飞秒激光技术

稳定锁模脉冲的形成： 腔内初始锁模脉冲形成以后，因为它的峰值功率较大，所以在 增益介质中由非线性克尔效应，脉冲产生自相位调制（SPM） 严重地改变了脉冲的相位。 当光脉冲通过掺钛蓝宝石棒时，又引起了很大的二阶正群速度 色散（GVD）和三阶色散。
在这一阶段中，增益介质的自振幅调制和增益放大仍起主要作 用，只是由于脉冲功率增大，不可避免地要产生自相位调制和 很大的正群速度色散，不利于进一步压缩脉宽，
的驰豫时间大于光脉冲宽度的条件下， 对脉冲后沿也有相当大
的调制，造成的相移拓宽了频谱，而散射使脉冲后沿受削，
从整体上压缩了脉冲宽度。
CPM 锁模激光器属于慢弛豫锁模激光器，激光介质和可饱和 吸收材料的弛豫时间在ns量级。 CPM 技术使得被动锁模的非线性过程加强、加快，可获得更窄
的锁模脉冲。 例如，对于Nd：YAG 激光器，采用CPM 技术后，
另外，掺铬氟化铝锶铌（Cr : LiSAF）和掺铬镁橄榄石 （Cr : Forsterite）也可以作全固化、高效率产生飞秒激光 的材料
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29.3 飞秒激光技术
钛宝石飞秒激光系统
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29.3 飞秒激光技术 二、自锁模 Self — Mode — Locking
当激活介质本身的非线性极化效应，能够补偿色散、频率牵引 并且有确定的相位关系，实现满足锁模条件的超短脉序列输出， 则该激光器称为自锁模激光器。
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29.1 被动锁模
非线性放大阶段： 选择出的强脉冲不但能使染料吸收饱和， 当强脉冲经过激活介 而且使激光工作物质的增益达到饱和， 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。
频域分析
目前，几乎所有的飞秒脉冲都是通过光克尔效应进行被动锁模的。
三、光克尔透镜效应
通常的克尔效应也称为二次电光效应，即介质折射率的变化n 与外电场的平方成正比，在光频范畴内，与光强I t 成正比的 介质折射率变化。 克尔效应属于三阶非线性光学效应。
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n t n2 I t
从较为广泛的意义上讲，自锁模也属于被动锁模，并且通常是 快饱和吸收方式，即透过率能完全瞬时的随光强而变，因此， 脉冲前、后沿损耗大，中心峰值处损耗小。
对于自锁模的飞秒激光介质，具有一个非常重要的性质，即 光克尔 Optical Kerr 效应，能在空间上改变光脉冲的时间分 布性质，使快饱和吸收的锁模得到进一步增强。
因此，必须首先在腔内引入一个瞬间扰动，造成高损耗，当腔 镜复位时，腔中的光强产生强烈涨落。 当它们通过增益介质时，由于增益介质的自聚焦效应，它与腔 内光阑的结合等效于可饱和吸收体， 经过自振幅调制（SAM）和增益介质的线性放大，对脉冲进行 选择、放大、初步压缩，形成初始脉冲。
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29.3 飞秒激光技术
激光原理与技术
第二十九讲 被动锁模及飞秒激光技术
29.1 被动锁模
将可饱和吸收体放在激光谐振腔内，当其上能级寿命小于光脉 冲在腔内往返一次的时间2 L / c时， 1 2 L 109 s a q c 则可得到一系列锁模脉冲。
时域分析
光泵开始后，激活粒子由基态激发到高能态，产生自发辐射。 当腔中增益等于损耗时，则形成激光振荡。 由于大量纵模的相互干涉，使谐振腔中激光输出幅度出现了强 的波动。 随着振荡次数的增加，这些辐射场的强度逐渐增强， 并获得了周期结构，但仍保持它的噪声特性。 由于激光工作物
为此人们发明了许多主动和被动的启动与维持自锁模运转的方法： 利用饱和吸收体也可以启动自锁模激光器。
在激光腔内插入一个饱和吸收体（如HITCI），改变染料 浓度直至最终形成的锁模脉冲。 饱和吸收体的作用只是引入最弱的调制来启动自锁模。
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29.3 飞秒激光技术
利用声光调制再生启动的方案： 即在原自锁模激光器内加入一个声光调制器，使其频率与 谐振腔周期的倒数匹配， 激光器输出为几十ps到几百ps量级的脉冲，脉冲重复频率 由调制器的驱动频率决定，这时激光器处于主动锁模状态。
收材料，除了传统的染料 之外，近年来还有Cr：YAG 晶体和半导体可饱和吸收 镜（SESAM）等。
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碰撞锁模（Colliding Pulse Mode locking CPM ）技术在上世纪80
29.2碰撞锁模（CPM）激光器
年代出现，首先将激光超短脉冲由皮秒 ps 压缩到飞秒 fs 量级。
激光器中的棱镜组是脉冲压缩器件，用以补偿DODCI和若丹明6G的群速度色散。
该激光器可以产生脉宽60 fs的激光输出，脉冲重复率为80 MHz，中心波长为620nm， 平均功率20mW 。
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29.3 飞秒激光技术
一、飞秒激光技术的发展
材料科学的进步推动了超短脉冲激光技术的发展。
以掺钛蓝宝石（Ti：Al2 O3）为代表的自锁模飞秒激光器，由 于具有极宽的增益带宽（几乎是钕玻璃的10倍），意味着它 特别适应于作为飞秒激光介质，全固化掺钛兰宝石自锁模激 光器能直接产生10 fs量级的光脉冲。
因而要用合适的负色散去补偿，才可以得到最窄的脉冲宽度。
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29.3 飞秒激光技术
大量的实验及分析计算表明，自锁模必须采用附加措施来启动 （最初工作在连续状态）。
最简单的方法是轻敲平台或某一腔镜以产生一个强度扰动以启 动自锁模。
启动后的激光器在锁模稳定运转时受周围环境扰动的影响，一 旦失锁必须重新启动，
从空间上看，一个高斯型分布的光束，在横截面上的光强分布 是中间大、两边小，导致折射率梯度分布，从而形成一个等效 的会聚透镜，即克尔自聚焦效应。
其焦距f m
2 m
为5.6 ~ 5.7；nm n2 I t 为轴线上折射率变化，I m 为入射到 介质上光束的近轴光强。
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4nm L
每次强脉冲漂白可饱和吸收材料就相当于Q开关开关一次，每 过 2 L / c的时间漂白一次，类似于Q开关频率f s c / 2 L。
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29.1 被动锁模
由于增益与 损耗的饱和 效应，由可 饱和增益介 质和可饱和 吸收材料共 同产生的脉 冲压窄过程
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29.1 被动锁模
光脉冲经过可饱和吸收体时前沿被削减，经过增益介质时候 前沿被放大，后沿被衰减，直到与群速度色散导致的脉冲展 宽效应相平衡。
上世纪90年代初，首次在掺钛蓝宝石激光器上获得飞秒量级的 超短脉冲， 这类自锁模激光器结构简单，激活介质本身就是锁
模元件，锁模谱线宽度也就是增益线宽， 并且输出稳定性好，
可获得最短的锁模脉冲，是目前产生飞秒超短脉冲的主要器件。
最简单的自锁模掺钛兰宝石激光器的结构装臵如图所示。
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29.3 飞秒激光技术
然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小 于损耗，而使脉冲中间的增益大于损耗，
脉冲在腔内往返过程中，不断被整形放大，脉冲宽度被压缩， 直到稳定锁模。
因此，自锁模脉冲形成可以分为以下两个阶段：
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29.3 飞秒激光技术
初始脉冲的形成：
理论分析和大量的实验证明，连续运转的掺钛蓝宝石激光器中 的噪声脉冲由于达不到锁模的启动阈值，故该种激光器的自锁 模不能自启动。
可以得到10 PS的锁模脉宽，较主动锁模脉宽窄了1个数量级基本 达到增益线宽的倒数。CPM技术主要适用于驰豫时间大于光脉
冲宽度，慢饱和吸收体的被动锁模。
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29.2碰撞锁模（CPM）激光器
下图是CPM 染料激光器示意图，谐振腔为环形腔，以若丹明6G为激光增益介质， DODCI为可饱和吸收体。激光器泵浦源为波长515nm，功率为5W 的Ar 激光器。
在He Ne激光器、红宝石、钕玻璃，Nd : YAG 激光器以及半导
和纵模 跳变”等无规则随机因素，能维持各纵模的等间隔分布， “
但输出极不稳定，锁 体和CO2 激光器上，都观察到自锁模现象， 模脉冲不能得到持续，无实用价值，有时还要作为影响激光器稳 定运转的负面因素设法予以消除。
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29.3 飞秒激光技术
光kerr效应：n n0 n n0 n2 I t
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29.3 飞秒激光技术
n ＞0 ，从时域上分析光强导致折射率的变化，
对光脉冲的前、后沿和中心部分，将在介质中对应不同的折射 率变化。对于玻璃和晶体等材料，其响应时间为飞秒量级，因
此可以认为n t 能 实时”地跟随I t 的变化。 “
，式中， m 为光斑大小； 为一常量，一般
29.3 飞秒激光技术
1个光脉冲中不同的时间区域内，对应着不同的自聚焦的焦距。 即：光强的大小对应焦距的短长。光脉冲峰值处的光强所形 再利用通常的谐振腔模式分析方法，不难 成的自聚焦距最短。 得出光脉冲前后沿与峰值处，各自相对应的高斯光束参数。 一般来讲，高强度区对应短焦距，其光斑半径较小，低强度区 对应长焦距，其光斑半径较大。 利用光阑或介质本身的自孔径
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29.1 被动锁模
被动锁模器件激光器的典型腔型结构如图所示。 为得到锁模效果好，稳定性高的激光超短脉冲，器件设计应 注意以下几点： 为消除 子腔”效应，可饱和吸收体与全反射镜最好合而为一。 “ 饱和吸收谱线与激光增益谱线相匹配，且不小于增益线宽。
饱和吸收体具有适当的饱和光强和静态透过率，以及高的抗光 损伤阈值，其上能级寿命要远小于2 L / c。 用于被动锁模的可饱和吸
CPM常采用如图所示的共振环型腔结构。其锁模过程概述如下：
1 、由激光增益介质产生的光脉冲在分束镜R1 处被分为两个
强度相等的光脉冲，在环型腔内相向传播、可饱和吸收 体位于环型腔中部，保证两个光脉冲在可饱和吸收体中 相碰撞。
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29.2碰撞锁模（CPM）激光器
2 、由于两个光脉冲的相干性和波长量级的光程差，碰撞时将