第三章 超短脉冲技术

福建师范大学光电学院2014.11.17超短脉冲技术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。sms3101sps12101sfs1510119958fs年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至19967.5fs年，西安光机所的许林在奥地利产生了的超短激光脉冲19964.5fs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的记录1998,25,,4fsfs年西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的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的最佳结果。这些都是当时的国际最高指标。1810ass目前正进入未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。假定在在腔内振荡的模式有2N＋1个。纵模表示式2cL纵模频率频率间隔()cos()qqqqEtEtLqcvq2多模激光的输出特性无锁模激光器的输出功率与频率锁模技术的基本原理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。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。假设第q个振荡模为：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。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qqII()cos()qqqqEtEtt=0和t=2L/c时，峰值平均光强为：02max12INI）（合成光场的光强为：22201sin[(21)()]2()()[]1sin()2NtItAtEt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：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：，增益曲线越宽，越可能得到窄的锁模脉冲。q1121）（Ngv1mincLT23.锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了2N+1倍。4.实现了常数，输出了一个峰值功率高、脉冲宽度窄的序列脉冲。1qq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实现锁模的方法如图所示，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。3.2主动锁模振幅调制原理设调制信号为：调制前光场：经过调制后，腔内光场变为：sincccEtEttAtamm21sin)sin()]cos(1[)ccmctwtwmAtE（调制系数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：展开上式：)sin()]cos(1[)ccmctwtwmAtE（])sin[(21])sin[(21)sin(cmcccmccccctwwmAtwwmAtwAE（t)=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，是使频率为的纵模又产生了频率分别为，初始位相不变化的两个边频带。振幅调制锁模式纵模有相同的初始位相，保持恒定的频率差，各模的振幅关系通过选择可控制。它们相干叠加的结果使激光器得到锁模序列光脉冲输出。0Lc20Lc20Lc2m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：经过调制后，腔内光场变为：coscccEtAtcoscosccmEtAtmt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。②相位调制的结果，使各纵模相位固定。--满足锁模条件③输出的光波是间隔为的脉冲序列，具有锁模激光器特性。④脉冲位置不稳定。2mcL10qq2Lc调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 Q主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调激光更加严格，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。/2/4/2sMMqqsAPffcLLc振锁模调制器的频率必须非常严格幅调调谐相位制锁模到或者调制锁模。3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点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正驱动振荡频率或校正腔长。117mNdYAGfKHzL对于光学腔长为米的：锁模激光器，其调制频率只允许少于的偏差，相当于腔长的变化量必须少于m。采用电子反馈、实时跟踪、闭环控制、伺服装置。222mqccfLLL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学导轨，与外界绝热、隔震。22mmqfLLfLc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。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。稳定性措施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。3.3被动锁模被动锁模分为：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。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。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。100%反射镜接触染料盒泵浦光滤光片激光棒光阑输出耦合反射镜被动锁模固体激光器原理示意图3.3.1被动锁模固体激光器的结构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。）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。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获得锁模。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。同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义。3.4同步泵浦锁模1）增益阶段2）脉冲压缩阶段同步泵浦锁模原理图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。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）•泵浦激光器•染料激光器高频发生器声光锁模器Ar+激光器染料激光器染料盒光学滤波器同步泵浦锁模激光器结构同步泵浦染料激光器结构示意图M1M4M2M3能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图•快速控制回路•慢速控制回路采用两种控制回路的同步泵浦染料激光器采用这种系统能产生0.7ps的脉冲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。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6fs。3.5自锁模一、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。掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为：n=no+n2I(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:)(142tIcLnfmmm△nm=n2Im(t）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。1.初始脉冲的形成掺钛蓝宝石激光器自锁模脉冲的形成分为以下两个阶段：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。(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脉冲不同部位的瞬时频率不同自相位调制频率啁啾（）)()(tt(a)Trτp，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）Trτp，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。利用这种技术，已经得到6fs的超短光脉冲目前压缩超短脉冲的方法有以下两种：1、光纤-光栅对法这是在腔外进行，利用光纤提供的正色散将脉冲展宽成啁啾脉冲，再利用光栅提供的负色散对光脉冲进行压缩。2、激光腔内插入负色散元件由于衍射光栅的插入损耗很大，而且不容易调节它的正负色散量。所以可以在激光腔内插入两块高色散的石英棱镜。光脉冲的光线对于棱镜的入射角和出射角都为布儒斯特角和最小角。3.6单一脉冲的选取及超短脉冲测量技术一