超短激光脉冲——锁模技术概要
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超短激光脉冲
——锁模技术概要
长春新产业光电技术有限公司 内部培训资料
引言：向更短的光脉冲进发
普通脉冲激光：微秒（μs，10-6s），千瓦（KW） 调Q激光 锁模激光 ：纳秒（ns，10-9s）， 兆瓦（MW） ：皮秒（ps，10-12s），千兆瓦（TW） 飞秒（fs，10-15s）
李永大教授系列讲座，2013
第7页
激光腔模
• 纵模数目很大的激光器，这些干涉效应趋于平均—接近不变的输 出强度—连续运转激光器 • 与此相反，如果各模式之间具有固定的位相关系—激光的模式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—锁模或锁
2L ( L为腔长往返时间) c 脉冲的时间间隔为 1
相。
十一模同位相
李永大教授系列讲座，2013
第 14 页
李永大教授系列讲座，2013
第 15 页
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。 如果调制频率接近纵模间隔 ，则两 个边带将非常接近选定纵模的临界模，边 带和纵模将在介质中互相竞争最大放大作 用。然而最有效地使用增益介质的能量是 让纵模的位相锁定在边带上。这转而造成 在整个光谱分布中的总体锁相（global phase-locking），总体锁相将给出包含腔 内能量的单一振荡脉冲。
李永大教授系列讲座，2013
第 18 页
测量
• 超短脉冲的表征一直是一项挑战。多年来可能造成超短脉冲 但不能测量。测量包括测能量（或功率），形状，持续时 间，频谱等。实验表明超短脉冲的表征是困难的，用于较长 脉冲的光探测器响应速度不能胜任超短脉冲。
• 两种常用的间接测量技术：
FROG-frequency resolved optical gating（频率分辨光选通）
N个周期的归一化频谱：
李永大教授系列讲座，2013
第 10 页
理论分析
• N个周期的归一化功率谱：
李永大教授系列讲座，2013
第 11 页
理论分析
• 时域激光腔中EM波的周期重复：
李永大教授系列讲座，2013
第 12 页
理论分析
三模同位相 十一模随机位相
李永大教授系列讲座，2013
第 13 页
• 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。
李永大教授系列讲座，2013
第8页
激光腔模
• 实际脉冲持续时间由每个脉冲的形状决定
0.441 高斯形状： N 0.315 t 双曲正割平方形： N t
其中0.441和0.315为时间带宽乘积。（不同线 型取值不同） 例：He-Ne，光谱宽度1.5GHz，最短高斯脉冲300ps Ti：sapphire，光谱宽度128Thz，最短高斯脉冲3.4fs
李永大教授系列讲座，2013
第9页
理论分析
• 激光腔中电场的一般描述：
当
激光器实现锁模。 在时域，EM场呈周期重复
相或锁模）这些模式之间的干涉作用使激光器输出等间距 的脉冲列。
干涉作用使腔内的进行光波退缩为非常短的脉冲
李永大教授系列讲座，2013
第6页
激光腔模
纵模：驻波形式的分立频率集合称为腔的纵 模（谐振腔允许的自在生振荡频率）
2
驻波条件：
Lq
(q为大整数，q ~ 10 5 ~ 10 6 ) C (腔的共振频率) 2L
第2页
短脉冲的意义
• 高峰值功率---高光强
空间影响（热扩散，热畸变）
• 对过程的影响小 时间影响（瞬时作用，无热积累）
重叠效应（过程的时间尺度关系）
李永大教授系列讲座，2013
第3页
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）
•
超短脉冲技术的发展任重而道远！
李永大教授系列讲座，2013
第 21 页
总结
• 锁模技术非常重要—超快过程的基础，技术 难度很大。 • 对锁模过程的深入理解,精心设计和计算 和精细的实验调 试 。 • 参考文献：Herman A.Haus: Mode-Locking of Lasers IEEE Journal of selectd Topics in Quantun Electronics Vo1.6,No6 November/December
（2）从两个含时间的函数开始：F (t ) 和 F ' (t ) ，其中一个例
如 F (t ) 已知，测量 G ( ) 将直接给出另一个 F ' (t )
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！
• 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
典型成功之例LASIK（Laser Assisted In-situ Koratomi ）—激光原位角 膜磨镶术（准分子激光眼科手术）
李永大教授系列讲座，2013
第4页
超短激光脉冲的应用
• 非线性光学：二次谐波产生，参量下转换，光学参量振荡， 太赫兹辐射产生 • 光学数据存储：3D光学数据存储（依赖于非线性光化学） • 高重复率超短脉冲：大容量通信系统，光子开关器件，大
规模集成微处理器的时钟
• 与超短脉冲相关的宽光谱支持优异的空间分辨（无损断层 成像技术）
• 宽带频率梳—高精度光频计量—全光学原子钟（优于铯原
子钟）
李永大教授系列讲座，2013
第5页
锁模原理
• 定性描述 锁模：使激光器产生极短持续时间光脉冲的技术 （10-12s或10-15s）
基本原理：造成激光谐振腔模式之间固定的位相关系（锁
李永大教授系列讲座，2013 第 20 页
展望
• • 超短激光物理领域已存在40多年，可以认为它的产生，操控，测量，和使用 已相当成熟，但仍是当今激光研究的前沿。 研究新的增益介质，有趣的性质和优越的性能
a) 掺镱晶体如sesquixoides，钨酸盐—更高功率的超短脉冲 b) Cr2+：ZnSe（掺铬锡化锌）—预期不久产生20fs脉冲
•
锁模光纤激光器进展神速，将来可能取代体激光器
高平均功率，好的光束质量。目前尚无光纤激光器在700~1100nm取代钛宝
石激光器 • 阿秒物理学刚露出地平线（Attsecond，10-18s）要产生周期小于1fs的脉冲 必须使用极紫外（XUV）或X射线波段的波长。阿秒激光的出现将最终使我 们看见电子在原子轨道上的动态行为。（高速摄拍的动作）
2000.
李永大教授系列讲座，2013
第 22 页
欢迎学习交流
Thank you
李永大教授系列讲座，2013 第 16 页
锁模方法
•被动式锁模在腔内
放置可饱和吸收体，
引入自调幅可以产生
比主动锁模短得多的 脉冲，这是因为当可 饱和吸收体 被已经非 常短的脉冲驱动时， 可以调制腔损耗比任 何电子调制器快得多！
李永大教授系列讲座，2013
第 17 页
锁模方法
• 通常可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜（SESAM），它具有光强依赖透射 性质：允许高强光透射而吸收低强光，脉冲开始形成在腔内进行并遇到增益 介质和可饱和吸收体：可饱和吸收体对前沿强烈吸收，由于吸收体弛豫时间 比脉冲持续时间长，脉冲尾将通过吸收体而不被衰减，当脉冲达到增益介质， 前沿被强烈放大而尾部则经历很小的放大（增益饱和），经过多次振荡，脉 冲变强变窄。（因为起始脉冲的中心不被吸收体影响却被放大）两翼则经历 相反过程—前沿被吸收；后沿不放大。
SPIDER-spectral interferometry for direct electric field
reconstruction（直接电场重构的光谱干涉量度学）
李永大教授系列讲座，2013
第 19 页
测量Biblioteka Baidu
• 以上两种技术使用相关函数：
涉及两个关键点： （1）光脉冲一皮秒进行300微米（空气中）一个容易测量和 标定的长度
或 q q
C 纵模间隔： 2L •在简单激光器中，每个纵模独立地振荡，互相 没有固定的位相关系，实质上像一组独立的激 光器，都在发出频率略有差别的光。
每个光波的位相不固定，随机变化（材料的热 改变等引起）
图2：激光器纵膜结构
李永大教授系列讲座，2013
•只有少数几个振荡纵模的激光器，纵模之间的 干涉可能造成拍频效应—输出光强的随机起伏
——锁模技术概要
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引言：向更短的光脉冲进发
普通脉冲激光：微秒（μs，10-6s），千瓦（KW） 调Q激光 锁模激光 ：纳秒（ns，10-9s）， 兆瓦（MW） ：皮秒（ps，10-12s），千兆瓦（TW） 飞秒（fs，10-15s）
李永大教授系列讲座，2013
第7页
激光腔模
• 纵模数目很大的激光器，这些干涉效应趋于平均—接近不变的输 出强度—连续运转激光器 • 与此相反，如果各模式之间具有固定的位相关系—激光的模式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—锁模或锁
2L ( L为腔长往返时间) c 脉冲的时间间隔为 1
相。
十一模同位相
李永大教授系列讲座，2013
第 14 页
李永大教授系列讲座，2013
第 15 页
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。 如果调制频率接近纵模间隔 ，则两 个边带将非常接近选定纵模的临界模，边 带和纵模将在介质中互相竞争最大放大作 用。然而最有效地使用增益介质的能量是 让纵模的位相锁定在边带上。这转而造成 在整个光谱分布中的总体锁相（global phase-locking），总体锁相将给出包含腔 内能量的单一振荡脉冲。
李永大教授系列讲座，2013
第 18 页
测量
• 超短脉冲的表征一直是一项挑战。多年来可能造成超短脉冲 但不能测量。测量包括测能量（或功率），形状，持续时 间，频谱等。实验表明超短脉冲的表征是困难的，用于较长 脉冲的光探测器响应速度不能胜任超短脉冲。
• 两种常用的间接测量技术：
FROG-frequency resolved optical gating（频率分辨光选通）
N个周期的归一化频谱：
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理论分析
• N个周期的归一化功率谱：
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• 时域激光腔中EM波的周期重复：
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理论分析
三模同位相 十一模随机位相
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• 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。
李永大教授系列讲座，2013
第8页
激光腔模
• 实际脉冲持续时间由每个脉冲的形状决定
0.441 高斯形状： N 0.315 t 双曲正割平方形： N t
其中0.441和0.315为时间带宽乘积。（不同线 型取值不同） 例：He-Ne，光谱宽度1.5GHz，最短高斯脉冲300ps Ti：sapphire，光谱宽度128Thz，最短高斯脉冲3.4fs
李永大教授系列讲座，2013
第9页
理论分析
• 激光腔中电场的一般描述：
当
激光器实现锁模。 在时域，EM场呈周期重复
相或锁模）这些模式之间的干涉作用使激光器输出等间距 的脉冲列。
干涉作用使腔内的进行光波退缩为非常短的脉冲
李永大教授系列讲座，2013
第6页
激光腔模
纵模：驻波形式的分立频率集合称为腔的纵 模（谐振腔允许的自在生振荡频率）
2
驻波条件：
Lq
(q为大整数，q ~ 10 5 ~ 10 6 ) C (腔的共振频率) 2L
第2页
短脉冲的意义
• 高峰值功率---高光强
空间影响（热扩散，热畸变）
• 对过程的影响小 时间影响（瞬时作用，无热积累）
重叠效应（过程的时间尺度关系）
李永大教授系列讲座，2013
第3页
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）
•
超短脉冲技术的发展任重而道远！
李永大教授系列讲座，2013
第 21 页
总结
• 锁模技术非常重要—超快过程的基础，技术 难度很大。 • 对锁模过程的深入理解,精心设计和计算 和精细的实验调 试 。 • 参考文献：Herman A.Haus: Mode-Locking of Lasers IEEE Journal of selectd Topics in Quantun Electronics Vo1.6,No6 November/December
（2）从两个含时间的函数开始：F (t ) 和 F ' (t ) ，其中一个例
如 F (t ) 已知，测量 G ( ) 将直接给出另一个 F ' (t )
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！
• 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
典型成功之例LASIK（Laser Assisted In-situ Koratomi ）—激光原位角 膜磨镶术（准分子激光眼科手术）
李永大教授系列讲座，2013
第4页
超短激光脉冲的应用
• 非线性光学：二次谐波产生，参量下转换，光学参量振荡， 太赫兹辐射产生 • 光学数据存储：3D光学数据存储（依赖于非线性光化学） • 高重复率超短脉冲：大容量通信系统，光子开关器件，大
规模集成微处理器的时钟
• 与超短脉冲相关的宽光谱支持优异的空间分辨（无损断层 成像技术）
• 宽带频率梳—高精度光频计量—全光学原子钟（优于铯原
子钟）
李永大教授系列讲座，2013
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锁模原理
• 定性描述 锁模：使激光器产生极短持续时间光脉冲的技术 （10-12s或10-15s）
基本原理：造成激光谐振腔模式之间固定的位相关系（锁
李永大教授系列讲座，2013 第 20 页
展望
• • 超短激光物理领域已存在40多年，可以认为它的产生，操控，测量，和使用 已相当成熟，但仍是当今激光研究的前沿。 研究新的增益介质，有趣的性质和优越的性能
a) 掺镱晶体如sesquixoides，钨酸盐—更高功率的超短脉冲 b) Cr2+：ZnSe（掺铬锡化锌）—预期不久产生20fs脉冲
•
锁模光纤激光器进展神速，将来可能取代体激光器
高平均功率，好的光束质量。目前尚无光纤激光器在700~1100nm取代钛宝
石激光器 • 阿秒物理学刚露出地平线（Attsecond，10-18s）要产生周期小于1fs的脉冲 必须使用极紫外（XUV）或X射线波段的波长。阿秒激光的出现将最终使我 们看见电子在原子轨道上的动态行为。（高速摄拍的动作）
2000.
李永大教授系列讲座，2013
第 22 页
欢迎学习交流
Thank you
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锁模方法
•被动式锁模在腔内
放置可饱和吸收体，
引入自调幅可以产生
比主动锁模短得多的 脉冲，这是因为当可 饱和吸收体 被已经非 常短的脉冲驱动时， 可以调制腔损耗比任 何电子调制器快得多！
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锁模方法
• 通常可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜（SESAM），它具有光强依赖透射 性质：允许高强光透射而吸收低强光，脉冲开始形成在腔内进行并遇到增益 介质和可饱和吸收体：可饱和吸收体对前沿强烈吸收，由于吸收体弛豫时间 比脉冲持续时间长，脉冲尾将通过吸收体而不被衰减，当脉冲达到增益介质， 前沿被强烈放大而尾部则经历很小的放大（增益饱和），经过多次振荡，脉 冲变强变窄。（因为起始脉冲的中心不被吸收体影响却被放大）两翼则经历 相反过程—前沿被吸收；后沿不放大。
SPIDER-spectral interferometry for direct electric field
reconstruction（直接电场重构的光谱干涉量度学）
李永大教授系列讲座，2013
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测量Biblioteka Baidu
• 以上两种技术使用相关函数：
涉及两个关键点： （1）光脉冲一皮秒进行300微米（空气中）一个容易测量和 标定的长度
或 q q
C 纵模间隔： 2L •在简单激光器中，每个纵模独立地振荡，互相 没有固定的位相关系，实质上像一组独立的激 光器，都在发出频率略有差别的光。
每个光波的位相不固定，随机变化（材料的热 改变等引起）
图2：激光器纵膜结构
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•只有少数几个振荡纵模的激光器，纵模之间的 干涉可能造成拍频效应—输出光强的随机起伏