第三章 超短脉冲技术

因掺钛蓝宝石激光器的自锁模不能自行启动，所 以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， 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。
2. 稳定锁模脉冲的形成 腔内初始锁模脉冲形成以后，因峰值功率大，不
E（t)=
Ac
sin(wc
t
c
)
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
初始相位保持不变，频率等于无源谐振腔中的相邻两个纵模 的频率
腔损耗正弦调制的结果，是使频率为 的0 纵模又产生了频率分
别式为纵模0有 相2，cL同的初0初始 始2位cL位相相，不保变持化恒的定两的个频边率频差带。，振各幅模调的c制振锁幅模 2L
❖ 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义。
➢同步泵浦锁模原理
1）增益阶段 2）脉冲压缩阶段
图3.4-1 同步泵浦染料激光器特性
❖ 稳定的脉冲状态（锁模区）
(1)泵浦能量越大或反射率越大，则脉冲能量越大 而脉宽越窄。在反射率或泵浦能量比较小的情 况下，脉冲宽度倒数和脉冲能量显示出单调的 特性。
(2)泵浦能量和反射率不同，产生的最窄脉冲的时 延也不同。
声光 锁模器
•泵浦激光器 •染料激光器
Ar+ 激光器
高频发生器
M1 M2 M 4
光学滤波器
染料盒
染料 激光器
M3
同步泵浦染料激光器结构示意图
能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图
•快速控制回路 •慢速控制回路
采用这种系统能产生0.7ps的脉冲
采用两种控制回路的同步泵浦染料激光器
➢调Q与锁模的区别
1.锁模一般可以用调Q的手段来实现 2.锁模：对多纵模进行调制，其频率由谐振腔的长
学导轨，与外界绝热、隔震。
fm
q
c 2L
c 2 L2
L
L
2L2 c
fm
fm
q
L
对于光学腔长为1米的Nd：YAG锁模激光器，其调制频率f
只
m
允许少于1KHz的偏差，相当于腔长L的变化量必须少于7m。
采用电子反馈、实时跟踪、闭环控制、伺服装置。
其基本思路是利用激光输出信号变化所产生的误差信号来校
仅产生了自相位调制，还引入了很大的正群速度色散， 不利于进一步压缩脉宽，因而要用合适的负色散去补 偿，才能得到最窄的脉冲宽度。
常用来启动掺钛蓝宝石激光器自锁模的方法：
（1）在原自锁模激光器内加入一个声光调制器，此 时激光器处于主动锁模状态。调整谐振腔，使激光器 进入自锁模。
（2）在Ti:S激光腔内插入一个饱和吸收体，改变染 料浓度，直至去掉染料装置也能产生自锁。
c
锁模激光器特性。
④ 脉冲位置不稳定。
3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点
调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q激光更加 严格，端面的反射率必须控制在最小，各元件的反射端面应 切成布儒斯特角，倾斜放置或镀增透膜，反射镜做成锲形。 调制器应尽量放在腔内靠近反射镜处。 调制尺寸在通光方向的尺寸应尽量小。
关系通过选择 可控制。它m们相干叠加的结果使激光器得到锁
模序列光脉冲输出。
相位调制锁模原理
激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介 质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波 在不同的时刻通过介质，有不同的相位延迟。
调制前光场：
Ec t Ac cosct
经过调制后，腔内光场变为：
E t Ac cos ct m cosmt
正驱动振荡频率或校正腔长。
3.3 被动锁模
在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节 腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系 列的锁模脉冲。
被动锁模分为： 固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模
固体激光器的被动锁模
线性放大阶段：一个周期2L/c时间内，光脉冲通 过有机染料和工作介质各一次，在激光介质中产 生线性放大，发生自然选模作用。线性放大过程 使频谱变窄，被放大后的信号起伏得到平滑和加 宽。
超短脉冲技术
福建师范大学光电学院 2014.11.17
3.1 概述
调Q技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有
效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用
调Q技术只能获得脉宽为毫、微秒量级的激光脉冲。
利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉
冲。
1ms 103s 1ps 1012s 1fs 1015s
非线性吸收阶段：强脉冲增长。弱脉冲被抑制，发 射脉冲变窄，频谱增宽。
非线性放大阶段：前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲 几乎完全被抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的 脉冲序列。
3.3.1 被动锁模固体激光器的结构
结构如下图所示，为得到高重复率的高质量锁 模脉冲序列，对燃料浓度、泵浦强度和谐振腔的 设计及调整等都要有严格的要求，否则，激光输 出将极不稳定。
锁模调制器的频率必须非常严格调谐到fsAM q /2 c/4L
振幅调制锁模或者fsPM q c/2L相位调制锁模。
稳定性措施
提高泵浦源的稳定度，消除冷却液的非匀速流动和温度波动。 最好采用半导体泵浦和精密的半导体致冷以及风冷散热方式。
采用热不灵敏腔型，用热膨胀系数小的殷钢或大理石作为光
振幅调制原理
设调制信号为：
at
Am
sin
1 2
mt
调制前光场：
E t Ec sin ct c
经过调制后，腔内光场变为：
调制系数
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c )
设激光器中增益曲线中心频率处的纵模首先振荡， 加入调制后，其电场强度为：
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c ) 展开上式：
❖ 稳定的脉冲状态（锁模区）
(3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦 能量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。 反之，随着泵浦能量和反射率的增大．脉冲逐 渐呈不对称型。泵浦能量保持不变而脉冲宽度 改变，对激光脉冲的参数影响不大。
❖ 相位调制脉冲 （一定条件下不存在稳定态）
同步泵浦锁模激光器结构
无锁模激光器的输出功率与时间
瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出 功率随时间无规则起伏。
经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔 保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输 出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁 模技术。
➢锁模的基本原理
通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个 模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是 互不相干的。
100% 反射镜
激光棒 光阑
接触 染料盒
泵浦光 滤光片
输出耦合 反射镜
被动锁模固体激光器原理示意图
染料激光器的被动锁模
染料激光器产生脉冲的过程和固体激光器被动 锁模相似。（通过染料吸收体的非线性吸收和激光介质
的放大作用，从涨落的噪声背景中选择出强涨落峰值，通 过可饱和吸收体和激光介质饱和作用的联合作用，形成超 短脉冲。）
目前正进入as 1018 s
➢多模激光的输出特性
未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。
纵模频率
vq
qc 2L
频率间隔 c
2L
假定在在腔内振荡的模式有
2N＋1个。纵模表示式
Eq (t) Eq cos(qt q )
理锁 模 技 术 的 基 本 原
无锁模激光器的输出功率与频率
呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始 位相无确定关系且互不相关。
(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。
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：
1995年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs 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。
4.实现了 q1 常q 数 ，输出了一个峰值功率 高、脉冲宽度窄的序列脉冲。
➢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。
(3)采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁模。 (4)使用振动镜启动，频率25Hz，振幅小于0.5mm。
二、超短脉冲的压缩技术
当超短光脉冲在介质中传输时，表现出多种非线性 效应，而折射率的非线性效应是最基本的。
折射率非 线性效应
非线性相移 自相位 调制
脉冲不同 部位的瞬 时频率不同
频率啁啾
（ (t) ）
由于染料的谱线宽，激光上能级的寿命短，所 以染料锁模激光器可以输出比固体锁模激光器更 窄的脉冲。
3.4 同步泵浦锁模
❖ 采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器， 通过调制腔内增益的方法wenku.baidu.com得锁模。
❖ 实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振 腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或者是它的 整数倍。
度决定。 调 Q：对谐振腔内损耗的调节，是对光子数的调
整。其频率由调制频率决定。 3.压缩程度不同。 调 Q：功率兆瓦级、脉宽纳秒级 锁模：脉宽飞秒级。
3.5 自 锁 模
自锁模就是在激光腔内不需插入任何调制元件， 而是利用增益介质本身的非线性效应就可以产生短脉 冲的锁模方式。1991年，人们首次在掺钛蓝宝石连续 激光器中，成功获得自锁模运转。目前自锁模脉冲宽 度可达 6 fs。
Imax （2N 1）2I0
➢纵模锁定激光器的输出特性分析
1.两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内往 返一次的时间： T 2L
c
2.两个锁模主脉冲之间有2N个零点,2N-1个次极大
值。主脉冲宽度为 ：（2 N1
1 1）q
，
min
1 vg
增益曲线越宽，越可能得到窄的锁模脉冲。
3.锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了 2N+1倍。
假设第q个振荡模为：
Eq (t) Eq cos(qt q )
由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为 诸模光强的简单和
I Iq
q
合成光场的光强为：
sin[1 (2N 1)(t )]
I (t) A2 (t) E02[
2
sin 1 (t )
]2
2
t=0和t=2L/c时，峰值平均光强为：
掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为：
n= no + n2 I (t) no为与光强无关的折射率， n2为非线性折射率， 由克尔效应决定，I (t)为脉冲的光强。
自聚焦效应的焦距为:
fm
m2 4nm L
c
1
I(t )
△nm = n2 Im (t）
掺钛蓝宝石激光器自锁模脉冲的形成分为以下两 个阶段： 1. 初始脉冲的形成
只有与相位变化的极值点 （极大或极小）相对应的时 刻才能在腔内保存下来，不 断被放大，成为周期为2L/c 的脉冲序列。
相位调制的特点：
① 调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同。
m
c 2L
② 相位调制的结果，使各纵模相位固定。
q1 --q满足0 锁模条件
③ 输出的光波是间隔为 2的L 脉冲序列，具有