超短脉冲激光技术23页PPT
超短脉冲技术
，在一个周期内有2N个零值点，2N+1个极值点。
在t=0和t=2L/c时，A(t)取得极大值，此时A(t)=（2N+1)E0
在t=L/c时，A(t)取得极小值，此时N为偶数时，A(t)=E0，
N为奇数时，A(t)=-E0。 除了t=0，L/c及2L/c点之外，A(t)具有2N-1次极大值。 由于光强正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个 相邻主脉冲之间，共有2N个零点，并有2N-1个次极大值，称为次脉冲。
被动锁模
1 工作原理 由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的高 强度激光能使染料吸收饱和。图3.3—1示出了激光通过染料的透过率T随激光强度 I 的 变化情况。强信号的透过率较弱信号的为大，只有小部分为染料所吸收。强、弱信号 大致以染料的饱和光强 Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。 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。
Eq (t ) Eq cos(qt q )
式中 ωq和 φq 分别是第q个模式的角频率和初相位，
Eq——第q个纵模的电场振幅
多纵模自由振荡激光器的输出特点
• 各纵模的初相位φq 无确定 关系，完全独立随机。 • 相邻纵模之间的频率间隔 不严格相等。 • 输出光强呈现随机的无规 则起伏，平均光强是各纵模 光强之和。
超短脉冲激光微细加工介绍讲解PPT教案
4. 作业思考题
1）与常规激光加工相比飞秒激光微细加工的主要特点是什么？ 2）说明飞秒激光微细加工和准分子激光微细加工的主要区别？
工对象依据波长对材料有选择性，使得加工材料与范围受限； 另外，准分子激光可被透明材料表面吸收，故只能进行表面微 细加工。而飞秒激光不仅能进行表面微细加工，还可对透明材 料内部进行加工，且加工尺寸更小，精度更高。
3. 小结
本次课介绍了超短脉冲激光（特别是飞秒脉冲激光）因 具有的超短和超强特性，使得其在材料微细加工领域与常规 激光相比具有的特点和独特的优势。
2.3 超短脉冲激光与常规激光加工的区别
（1）加工尺寸更小，可突破光束衍射极限； （2）实现高精度的非热熔型加工； （3）能克服等离子体屏蔽作用和掺杂、缺陷对激光吸收影响； （4）加工过程只与被加工材料原子特征有关，不受特性影响。
2.4 超短脉冲激光与准分子激光加工的区别
飞秒激光与准分子激光微细加工的不同： 准分子激光与飞秒激光都可进行微细加工，但准分子对加
图1. 五轴联动皮秒激光加工系统
图2. 飞秒激光加工系统 （西安交大电信学院信息光子实验室）
2.2 超短脉冲激光加工应用领域
太阳能 电池
医疗机械
液晶显示 基板
超短脉冲 激光应用印刷电路源自微光机电 系统LED
图3. 超短脉冲激光应用的主要领域
不同应用领域的案例：
(1)太阳能电池领域：如钻孔、刻线、划槽以及表面纹理化； （2）液晶显示基板：如计算机、手机显示模块中超薄玻璃基板 的划线分割； （3）微机电系统：如发动机喷油嘴的微细加工； （4）医疗领域：飞秒激光视力矫正系统、定点精确的人体局部 组织处理； （5）集成电路领域：芯片的光刻、掺杂等微细处理； （6）特种物质加工：高爆材料如退役火箭、炮弹等的切割拆除 。
《超短脉冲技术》课件
超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l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得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,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得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。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
超短脉冲第四章-PPT
注意 () k()z () k ()z () k ()z
即有关群延得量与群速得量不仅相差一个长度量, 还差一个符号。 如果我们说负得群速色散, 即就是说正得群延迟色散。
对于光在介质中得传播, 可以写成Φ(ω)=ωn(ω) l/c。 因为n一般就是ω得 函数, 求群延迟色散以及高阶色散都变成了对折射率求导数。对于光栅对与 棱镜对空间色散元件, 求群延迟色散以及高阶色散即就是对空间路径求导数
第四章 超短激光脉冲特性
1 、平面波啁啾脉冲波形变 假定化一个平面波脉冲通过一段色散介质,为了简单起见,忽略偏振
得变化,只考虑得二阶色散, 即群延迟色散。设z=0处入射脉冲:
E( z 0, t ) A(t )ei (t )ei0t
通过色散介质后得场强就是初始场强得傅里叶变换乘以相位因
子 ei ( )
第四章 超短激光脉冲特性
3 、含有啁啾得高斯光束在色散介质中得传播
对出射脉冲作傅里叶变换, 可得传播后得脉冲光谱:
out [(2 ln 2 / ) / p ][1 4( / p )2 ( p (2 ln 2))4 ]1 2
与入射光谱相同
线性啁啾脉冲在负与正得群延迟色散介质中传播后脉冲波形得变化
第四章 超短激光脉冲特性
4 、傅里叶变换受限脉冲与非傅里叶变换受限脉 一个冲脉冲得包络强度I(t)得半高宽 与它得傅里叶变换光谱得半
高宽得乘积(时间带宽积)必须大于等于一个常数, 即
p
依脉冲波形而异,对于高斯波形脉冲, 2ln 2 / 0.441 , 而对 于双曲正割 sech2 (t) 波形脉冲, 0.315
第四章 超短激光脉冲特性
超短激光脉冲——锁模技术概要PPT课件
超短激光脉冲的应用
• 飞秒激光微加工（适用于各种类型材料）
—喷墨打印机的硅喷嘴
—激光冷烧蚀(ablation)-固体直接气化而不提高温度
—金属表面深度发黑处理（飞秒激光脉冲使金属表面改形而形成 纳米结构）
• 高精度外科切除，周围组织的损伤随脉冲持续时
间的缩短而减小。
• 眼角膜外科:飞秒激光在角膜中造成泡状物
十一模同位相
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锁模方法
• 1966年，梅曼演示世界上第一台激光器6年之后De Maria.等人做出第 一台锁模激光器（可饱和吸收体自锁）
• 主动式锁模:主动式锁模通过调制腔损耗或者调制往返相位改变
实现锁模（如图）
声光调制器为最常用方法：电信号驱动的 正弦调幅（AM）对每个纵模进行调制。
式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—
锁模或锁相。
2L (L为腔长往返时间)
脉冲的时间间隔为
c 1
• 每个脉冲的持续时间由同位相振荡的模式数目决定，如果N个 模式被锁定，频率间隔为∆ע，则整个锁模带宽为 N∆— ע该带 宽越宽，脉冲持续时间越短。
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激光腔模
（2）从两个含时间的函数开始：
个例如
已知，测量 F (t)
F和' (t)
，其中一
将直接给出另一个
F (t )
G( )
F ' (t)来自其中为延时，G( )
为一阶相关函数：
G( )
F '(t)F(t )dt
要测一个时间事件需要更短的时间事件。
—对于超短 持续时间的脉冲，脉冲用于测量它自己！
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。
激光脉冲技术PPT课件
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又 P() ()0 E() () i()0 E
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• 光与物质相互作用的经典理论分析
则
() Ne 2
1
() i ()
m 0
(
2 0
2)
i
() Ne 2
02 2
m 0
(
2 0
2 )2
2
2
() Ne 2
m 0 (02 2 ) 2 2 2
谐振相互作用时，由于 ω02 ω2 2ω(ω0 ω) 8π 2ν(ν0 ν)
γ Δω 2πΔν ，于是有
χ(ν) Ne2
ν0 ν
8π 2mε0ν0 (ν0 ν)2 Δν / 22
x() e
E()
m (02 2 ) i
•简谐振子模型下，电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同，
•受迫振动与驱动光场之间存在相位差（式中含有 i 项）
由上述过程可知：
(可1)以当看出，若0 时不，考电虑子，先则吸x收(ω少)为量有光限能恒，值引，起电受子迫将振吸动收，的并能辐量射全次部波辐。射由出x(去ω)，表中达间式
• 1960年秋，美国 Javan等 1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。 • 1962年，美国 Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光
器。 • 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激
光器。 • 1966年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等 低温工作窄
1
0
r
脉冲激光焊接工艺最全PPT
点距：相邻两个焊点间的距离。点距越小，焊接 会越慢。画图时注意穿透焊和对接焊两种。
焊接速度：等于频率乘以点距。
表面对接焊点距说明
穿透焊点距说明
以下参数会对脉冲激光焊接造成影响
一、吸收率的影响 二、功率密度的影响 三、波形的影响 四、脉宽的影响 五、离焦量的影响 六、聚焦透镜焦距的影响
功率密度的影响
我们的机器上是几十到几百瓦。
2、当注入功率引起的材料温度上升速度小于散 对平于均一 功些率容＝易1×裂5纹÷的20材＝料2，50则W需要在波形上加一段预热和一段缓冷的时间，如右图所示： 在我们的机器上一般是几个热千瓦的的数速量级度。 时，材料温度下降。
在我们的机器上一般是几个千瓦的数量级。
在脉冲激光焊中用到的一些名词
激光功率密度：单位面积内的激光功率。等于激 由则于随材 着料物在质固表态面和状液态态的下变对化激，光吸体收现的出能不量同变的多吸，收出率现，气在化固。态下反射率较高，而液态下较低，这意味着如果不改变能量注入的波形，
光峰值功率除以光斑面积。用于焊接一般是 根据这个资料，我们可以算出来对应WF200，SI600的光纤，100对100的镜头，使不锈钢表面在1ms内升温到1500度约为20A，
吸收率的影响
1、激光波长越短，吸收率越高； 2、一般导电性好的材料，反射率都很高； 对YAG激光来说，银的反射率是96％，铝是
92％，铜90％，铂89％，而铁只有60％。 3、温度越高，吸收率越高，呈线性关系。 4、表面涂层的影响，一般涂磷酸盐、碳黑、
石墨等以提高吸收率。
功率密度的影响
1、功率密度直接影响表面材料的温升时间， 功率密度越大，温度升得越快。拿不锈钢来 说，当注入功率密度在3.5×104W/cm2的时 候，材料表面会在1ms内被加热到熔点1500 度，而注入功率在6.3×104W/cm2时，材料 表面会在1ms内被加热到沸点2700度。根据 这个资料，我们可以算出来对应WF200， SI600的光纤，100对100的镜头，使不锈 钢表面在1ms内升温到1500度约为20A，升 到2700度约为29A。
6.5 超短脉冲激光介绍讲解
物质相互作用、激光核聚变…
图8. 超短脉冲（飞秒）激光切割染色体内的线粒体
图9. 不同超短脉冲激光与物质作用的不同效果
3. 小结
本次课介绍了超短脉冲激光的特点和应用：脉冲宽度
超短、谱线丰富和峰值功率超强的特殊性使得超短脉冲激 光具有与常规激光和物质作用不同的规律，特别适合超快 现象和超强现象研究。
4. 作业思考题
1）与常规激光相比，超短脉冲激光的主要特点是什么？
2 ）飞秒激光与物质作用时属于光热作用还是光化学作用，为 什么？ Nhomakorabea 飞秒脉冲
图2. 超短脉冲激光技术发展
图3. 我国研制的超短脉冲激光器(极光I号和极光II号）
图4. 我国研制的超短脉冲激光器 （极光III号）
2.3 超短脉冲激光的获得方法
锁模技术
调Q技术
2.4 超短脉冲激光的特点和应用 （1）时间宽度非常短:瞬态成像、超快光开关、高速光通信…
图5. 高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间 （微妙量级）
高速摄影技术获得的子弹出膛的瞬间微妙量级飞秒激光的出现使人类第一次能在原子电子层面上研究这一超快运动原子分子层面的粒子运动示意图飞秒量级2光谱含量非常丰富
超短脉冲激光介绍
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解超短脉冲激光的特点和主要应用。
2.超短脉冲激光的特点和主要应用
飞秒激光的出现，使人类 第一次能在原子、电子层 面上研究这一超快运动
图6. 原子、分子层面的粒子运动示意图（飞秒量级）
（2）光谱含量非常丰富：光谱检测、脉冲整形、光谱编码…
不同原子具有不同的 特征谱线，据此可对 物质的组成和化学成 分做出分析
Lecture超短脉冲的测量PPT课件
Beamsplitter
Input pulse
E(t–)
SHG Lens crystal Filter
Slow detector
Developed by J-C Diels
Diels and Rudolph,
Ultrashort Laser
Pulse Phenomena,
[E(t) E(t )]2 E(t ) E(t )
光电子技术精品课程
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感谢您的观看！
光电子技术精品课程
第11页/共11页
Outlines
➢ Intensity Autocorrelation ➢ Single-shot autocorrelation ➢ Third-order Autocorrelation ➢ Intensity Cross-Correlation ➢ Interferometric Autocorrelation
Iaconis and Wa光lm电sl子ey技, J术Q精E品3课5,程501 (1999).
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SPIDER apparatus
Delay Line
M
Input
BS
Delay
Line
BS
Michelson Interferometer
Focusing Lens
Lens
SHG
Filter
光电子技术精品课程
第2页/共11页
强度自相关器
Crossing beams in an SHG crystal, varying the delay between them, and measuring the second-harmonic (SH) pulse energy vs. delay yields the Intensity Autocorrelation:
超短脉冲激光技术
超短脉冲激光技术超短脉冲激光技术（Ultrafast Laser Technology）是一种目前最具有前瞻性的新型激光技术，它主要应用于精密加工、光学通信、生物医学、能源科学等各个领域。
相较于传统的激光技术，超短脉冲激光技术具有更高的功率密度、更快的时间分辨率和更高的频率程度。
超短脉冲激光技术的产生主要是通过提供高峰值功率并将其压缩至几十或几百飞秒的时间尺度。
这种激光可以产生高达1激光焦耳（J）的脉冲能量和约500万瓦特（MW）的功率密度，之后只有十几个飞行透镜分离。
这种激光通常会产生光谱波长在750纳米至1550纳米之间的光脉冲。
由于超短脉冲激光技术的独特性质，它的应用领域十分广泛。
在材料科学方面，超短脉冲激光可以用于加工某些高强度和高温度材料。
例如，使用这种激光可以制造出更坚硬、更耐磨的表面，并可以制造出具有微米和亚微米级别的结构的高精度零部件。
另外，在化学研究领域中，超短脉冲激光技术可以帮助实现一些反应的速率控制和选择性，从而有助于新材料的开发和绿色化合物的制备。
超短脉冲激光技术在生物医学领域中的应用也十分广泛。
例如，在眼科行业中，使用这种激光可以进行准确的激光手术，帮助人们恢复视力。
而在生物科学方面，超短脉冲激光可以用于快速扫描对细胞内部分子进行成像，并帮助生物学家研究生物体如何发挥其生理作用。
总的来说，超短脉冲激光技术的发展，为我们的日常生活、工业生产、科学研究等各个领域都带来了巨大的贡献和影响。
在未来，超短脉冲激光技术的应用将更加广泛，同时也将为世界带来更多的科学和技术突破。
超短脉冲激光技术在精密加工领域应用超短脉冲激光技术在精密加工领域中的应用最为广泛和成熟。
精密加工的主要应用领域包括半导体、微电子、微机械、微流控芯片、纳米加工等领域。
超短脉冲激光技术在这些领域中的应用，主要表现在以下几个方面：1. 纳米级加工超短脉冲激光技术能够实现纳米级加工，尤其在光刻领域被广泛应用。
传统的光刻工艺主要通过紫外线光束照射在光刻胶上，进行光刻图形的制作。