飞秒激光器的应用与前景

目录

摘要 (1)

1.激光器的基本原理 (2)

1.1自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转 (2)

1.2激光器的基本结构与工作原理 (2)

1.3激光产生的条件 (3)

2.飞秒激光脉冲的产生 (4)

2.1 飞秒激光脉冲技术 (4)

2.2飞秒激光脉冲的产生 (7)

3.飞秒激光器的基本特点及其应用 (9)

3.1 飞秒激光器的基本特点 (9)

3.2飞秒激光器的应用 (9)

4.飞秒激光器发展现状与应用前景 (13)

4.1 飞秒激光器发展现状 (13)

4.2飞秒激光器应用前景 (14)

致谢 (15)

参考文献 (15)

飞秒激光器的应用与前景

李海华（指导教师：李宏）

湖北师范学院物理系0301班，湖北，黄石，435002

摘要:飞秒激光器具有广泛的应用范围，特别是在材料加工、器件制作及光通信等领域具有重要的应用。本文对飞秒激光器的原理、技

术以及在几个方面的应用进行探讨，最后是对飞秒激光器将来应

用及发展前景进行了分析。

关键词：飞秒激光器锁模技术飞秒光脉冲

中图分类号：TN209

Application and prospect of femto-second laser

LI Haihua(Tutor:LI Hong)

(Department of Physics , Hubei Normal University ,435002 ) Abstract：Femtosecond laser is of large application scope, and particularly they are used in material processing, apparatus facture and optical

communication. The working principle of the laser is demonstrated,

and its applications introduced. Finally, application and prospect of the

femto-second laser in the future are discussed.

Key word：Femtosecond laser Locking mode technology femtosecond optical pulses

1.激光器的基本原理

激光器是20世纪60年代出现的一种新型光源。激光具有四大特性：单色性好、方向性好、相干性好、能量集中。

1.1自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转

激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。我们把这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反

转分布。也就是，要产生激光，

必须实现粒子数反转分布。

1.2激光器的基本结构与

工作原理

粒子数反转分布是产生

激光的一个必要条件，而要实

现粒子数反转分布和产生激

光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。因此，如图1所示，常用激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐

振腔。

只有具有亚稳态的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。因此，激活介质中必须存在一种特殊的能级——亚稳态能级。如图2所示，在

外界能源的激励下，基态E

1上的粒子被抽运到激发态E

3

上，因而基态E

1

上

的粒子数N

1减少，由于激发态E

3

的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无

辐射跃迁的方式转移到亚稳态E

2上，由于亚稳态E

2

寿命较长，其上就积累了

大量粒子，N

2不断增加。一方面N

1

不断减少，另一方面N

2

不断增加，以致

N 2大于N

1

，于是实现了亚稳态E

2

与基态E

1

间的粒子数反转分布。利用处在亚

稳态下的激活物质制成放大器，当有外来光信号输入时，光就被放大。受激辐射后产生的放大是杂乱无章的，要使它变成激光，需要选取一定传播方向和一定频率的光信号，在最优越的条件下进行放大，同时将其它方向和频率的光信号抑制，使.获得方向性和单色性很好的强光——激光。因此可以在激活介质两端安放具有选择性的光学谐振腔来达到这一目的。

1.3激光产生的条件

综上所述可知，产生激光的条件有工作物质在激励能源的激励下实现粒子数反转分布和光学谐振腔使受激辐射不断放大。除此之外，还必须满足增益条件。我们用增益系数G来描述介质对光的放大能力，只有在谐振腔中实现激光振荡不断加强才能产生激光，而要实现激光振荡不断加强的必要条件

是：R

1R

2

e2Gl>1其中R

1

，R

2

为谐振腔两镜的反射率，I

1

为发出光强，l为腔长。

对于给定的光学谐振腔R

1，R

2

和l固定，因此，要想实现激光振荡加强，增

益系数G必须大于R

1R

2

e2Gl =1时的增益系数G

m

，即G>G

m

。

图2 激活介质的两种工作模式

(b)四级能图（a）三级能图