超短脉冲激光技术(钱列加老师)

5．6 (3)

一．概述 (3)

1．飞秒激光脉冲的特性 (3)

2．飞秒脉冲的传输 (5)

3．光束空间传输 (6)

4．脉冲传输的数值模拟 (6)

5．时空效应 (9)

5.1自相位调制 (10)

5.2相位调制对有限光束的影响——自聚焦 (11)

二．飞秒光学 (13)

1．简介 (13)

2．色散元件 (13)

2.1 膜层色散 (13)

2.2 材料体色散 (13)

2.3 角色散元件 (14)

3．群速度色散的补偿及控制 (14)

4．聚焦元件 (16)

4.1 透镜的色差 (16)

4.2 脉冲畸变与PTD效应 (16)

三．飞秒激光器 (18)

1．锁模简介 (18)

2．克尔透镜锁模 (18)

3．飞秒激光振荡器 (20)

4．光纤孤子激光器 (21)

四．飞秒脉冲的放大与压缩 (23)

1．简介 (23)

2．飞秒脉冲放大的困难 (25)

3．啁啾脉冲放大技术 (26)

4．CP A放大器的设计 (27)

4.1 CP A激光系统的工作脉宽 (27)

4.2 高增益的前置放大器 (27)

4.3 装置的色散控制 (28)

4.4 设计多程CP A放大器的理论模型 (31)

五．脉冲整形 (34)

1．脉冲整形 (34)

2．飞秒光脉冲整形的物理基础 (34)

(1)线性滤波 (34)

(2)脉冲整形装置 (35)

(3)脉冲整形的控制 (38)

3．几种典型的空间光调制器 (39)

(1)可编程液晶空间光调制器(LC SLM) (39)

A．电寻址方式 (39)

B．光寻址方式 (40)

(2)声光调制器 (41)

(3)变形镜 (41)

4．脉冲压缩 (42)

2.1 波导介质中的SPM (42)

2.2 级联非线性压缩脉冲 (43)

六．脉冲时间诊断技术 (45)

1．强度相关 (45)

(1) 多次平均测量 (45)

(2) 单次工作方式 (47)

(3) 三次相关法 (48)

2．干涉相关 (49)

3．脉冲振幅与位相的重建 (50)

七．大口径高功率激光装置 (53)

1．高能量的PW钛宝石/钕玻璃混合系统 (55)

2．关键技术问题 (56)

2.1 高阶色散 (57)

2.2 光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 (57)

2.3 非线性自位相调制SPM (58)

2.4 自发辐射放大ASE (58)

3．光参量啁啾脉冲放大(OPCPA) (58)

3.1 大口径高能钕玻璃泵浦的OPCPA 系统 (62)

3.2 小口径低能量高重复率OPCPA 系统 (63)

4．展望 (64)

4.1 峰值功率的理论极限 (64)

4.2 光学元件的限制 (65)

4.3 非线性B积分的限制 (65)

5．6

一． 概述

1． 飞秒激光脉冲的特性

飞秒（

15110fs s −=）激光最早出现于70年代初。同传统的激光技术相类似，飞秒激光的发展也是和光学材料紧密相关的。宽带的掺钛宝石激光晶体的出现，促进了飞秒激光在

90-年代的飞速发展。至今飞秒激光在宽带上可以小于4fs ，非常接近单个光波振荡周期。另

一方面，激光脉冲的峰值功率已经超过拍瓦（），相应的光波聚焦光强超过，相当于将所有覆盖于地球表面的太阳能辐射集中到3015

110PW W =21210/W cm m µ的小孔内所获得的

强度。因此，脉冲极短和强度极高的飞秒激光将显示独特的光波特性，并且将创造研究重大

科学问题的新途径。

由于飞秒激光的脉冲宽度和光波振荡周期相近，其振幅和位相在相当的时间尺度上发生

变化。飞秒激光将显示出不同于其它较长脉冲的传输特性，光波的谱域相位()φω会显著的

影响时域振幅分布或激光脉冲。例如，50fs 脉宽的飞秒激光经过1cm 的光学玻璃线性传输，

将展宽至约100fs 。这种特性被称为群速度色散效应。对于大多数光学透明介质，群速度色

散仅在飞秒时间尺度上是重要的。为清晰地说明群速度的概念，可以讨论光波由二列频率稍

有不同的平面波组成的情况：

11220012[()][()]

00[(())]0()()()

2cos ())i k z t i k z t i k z t E t E t E t E e E e E k z t e k ωωωωωωω−−−=+=+∆=∆−∆ （1）

其中

211[()()]2k k k ωω∆=−

211()2ωωω∆=− 021()2

1ωωω=+ 上式表明具有多个频率成分的光波的传输和单色平面波相比较，有很大的不同。它是以

中心频率0ω为载频的载波，而其振幅则成为随时间变化的振幅（Fig 1）

。载波表征整个光波

的相位信息，其传递速度被定义为相速度。振幅包洛体现了光波能量的信息，表征了多

个频率成分的整体（群）行为，其随 时间变化的速度被定义为群速度p V g V ：

g V k ω∂=∂ （2（a ）） p V k ω

=

（2（b ））

图1. 脉冲光波的振幅包洛与载波

群速度仅对于脉冲光波才是有意义的。受介质折射率色散的影响，群速度随光波频率而

变化。可以从光波的相位角度出发，来阐明群速度的色散： 234230234111()()()()()2624φφφφωφωωωωωωω∂∂∂=+∆+∆+∆+∂∂∂…4 （3）

相位泰勒展开式中的前二项对脉冲传输没有影响，第三项2φ则表征了群速度二阶色散

（GVD ），以后各项3φ,4φ等分别表示了三阶（TOD ）、四阶（FOD ）高阶色散。受群速度色

散的影响，脉冲光波的性质会发生一系列的变化。对于高斯型脉冲，仅考虑介质的二阶色散

量GVD ，我们可以方便地进行解析分析。入射高斯脉冲以及二阶色散分别为

20()()at i t in E t Ae ω−−= （4.a ） 221

()()2z φωβω=∆⋅

（4.b ） 上式中2β为单位长度的群速度色散量，对应着22z φβ=。

通常以强度分布的半高全宽（FWHM ）定义脉冲宽度，则高斯脉冲的宽度