超短脉冲激光技术

锁模的方法
1、主动锁模
主动锁模是采用周期性调制谐振腔参量的方法。 基本原理：在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频 率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率等于纵模间隔时， 对各个模的调制会产生边频，边频又与两个相邻纵模的频率相一致，由此引 起模之间的相互作用。若调制的强度足够大，则使所有的振荡模达到同步， 形成周期性的锁模脉冲序列。
这些模的振幅及相位都不确定，激光输出随 时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一 种时间平均的统计值。
如果激光工作物质的增益曲线内包含2N+1 个纵模，激光输出的光波场是2N+1个纵模 的和，而平均光强则是各纵模光强之和。
锁模激光器的输出特性
锁模激光器是指腔内振荡的各纵模间隔相等，并具有确定 的相位关系，激光器的 输出是列时间间隔一定的超短脉冲。
超短脉冲激光的特点
时间宽度非常短 光谱含量非常丰富 光脉冲峰值功率高
中科院物理所 TW级飞秒激光 装置
极光Ⅲ号装置
脉冲激光器的发展
超短脉冲激光的应用
巨脉冲的产生原理：调Q
普通运转激光器中的驰豫振荡
泵浦作用下，激光器达到其振荡阈值 产生激光振荡，腔内光子数上升长产生激光； 随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗， 使反转粒子数密度下降，然后腔内光子数密度 下降。此时泵浦的继续抽运反转粒子数密度重 新上升，重复上述过程，输出一系列尖峰脉冲
超短脉冲激光技术
报告人：xxx
主要内容
超短脉冲激光及其特点 调Q激光 锁模激光技术 飞秒激光技术
超短脉冲激光及其特点
什么是超短脉冲激光？
一般是指时间宽度小于10^(-12)秒的激光脉冲 10^(-12)秒~皮秒；10^(-15)秒~飞秒；10^(-18)秒~阿秒
一般超短激光脉冲：5飞秒~几百飞秒
驰豫振荡产生的激光脉冲的特点： 脉冲的峰值功率低 增大抽运能量只会增加小尖峰的个数 脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理 驰豫振荡脉冲能量低的原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲，必须控制腔内损耗，即调节腔内的品质因数Q
Q
调
设法在光泵浦初期将激光器内的振荡阈值调高，从而抑制激光 振荡，使工作物质的上能级粒子数得到积累。随着光泵的继续
2、被动锁模
被动锁模是利用可饱和吸收体和腔内光强的变化来实现锁模
3、同步泵浦锁模
锁模既可以像主动锁模那样通过周期性地调制谐振腔的损耗或光程来实现，也可以 通过周期性地调制谐振腔的增益来实现。 具体做法：用一台主动锁模激光器的脉冲序列作为种子脉冲去泵浦另一台激光器使 其实现锁模。
4、自锁模
不需要在谐振腔内插入任何调制元件，而是利用工作物质自身的非线性效应来保 持各振荡纵模频率的等间隔分布和确定相位关系。如掺钛蓝宝石激光器。
式中，第一项为与光强无关的折射率，第二项为非线性折射率。 在横截面内光强呈高斯分布的激光束通过工作物质时，由于上述效应造成的 折射率的横向分布，将产生自聚集效应。自聚焦的焦距和轴线上的光强呈反 比。如果来自外界的扰动引起偶然的光脉冲振荡，由于光脉冲中部的光强大 于前后沿，脉冲中部经工作物质时形成的自聚焦距小于前后沿，因此当光脉 冲每次经过在束腰位置处设置的光阑，前后沿被不断消弱，形成锁模脉冲。
幅波。振幅Ａ(t)是一随时间变化的周期函数
为讨论方便，假定α = 0，则
7个纵模锁定后的输出光强
具有如下性质：
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列
(2)每个脉冲的宽度
2
1 N 1
1 q
，可见增益线宽愈宽，愈可能
Fra Baidu bibliotek
得到窄的锁模脉宽。
(3)输出脉冲的峰值功率正比于 E02 (2N 1)2 ，因此，由于锁 模，峰值功率增大了2N+1倍。
非线性克尔效应
非线性克尔效应
折射率与光强有关: n (I)= n + n2 I
时间强度变化导致自相位调制
高斯横模导致自聚焦
飞秒激光谐振腔
原
激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时，突然将器件的
理
阈值调低，那么，积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃到激
光下能级，从而获得贬值功率极高的激光脉冲输出。
Q Q
调 示 意 图
电 光 调 示 意 图
锁模激光器原理
普通多模激光器的输出特性
腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：
自由运转激光器一般都包括很多超过阈值的 纵模
被动锁模原理
在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布 基本上是均匀的，但还有一些起伏。由于染 料具有可饱和吸收的特性，弱的信号透过率 小，受到的损耗大，而强的信号则透过率大， 损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得 到补偿。所以光脉冲每经过染料和工作物质 一次。其强弱信号的强度相对值就改变一次， 在腔内多次循环后，极大值与极小值之差会 越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰 部分能有效地通过，则使脉冲变窄。
示波器输出的锁模脉冲序列图
非锁模和理想锁模激光器的 信号结构, (a) 非锁模,（b)理 想锁模
要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是 使各纵模相邻频率间隔相等，并且相邻纵模位相差为常量。这一点 在单横模的激光器中是能够实现的。
2N+1个纵模锁模后的输出：
2N+1个振荡的模经过锁相以后，总的光场变为频率为ω0的调
脉冲宽度与增益曲线宽度的关系
Bandwidth vs Pulsewidth bbrrooaaddeesrt ssppeeccttrruumm n = const. narrobwandswpniedcthtrum
continuoudsuwrataiovne (CW)
pulshesor(mtesotdpe-ullosceksed)
可饱和吸收体的吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
弱脉冲被抑制强脉冲被压缩和放大
经过多次往返，经过可饱和吸收体和增益介质的共同作用可以产生一个很短的脉冲
Z型腔SESAM锁模谐振腔及输出脉冲
自锁模激光器
某些激光增益工作物质的折射率可表示为： 0 2 I (t)