谐振腔内的色散补偿

目录摘要......................................................................IAbstract.................................................................II引言....................................................................III1.飞秒激光器的介绍........................................................11.1飞秒激光器的概念及结构...........................................11.2飞秒激光器的发展现状.............................................11.3飞秒激光器的应用.................................................21.4飞秒钛宝石激光器.................................................22.飞秒激光脉冲的锁模机理..................................................42.1锁模原理.........................................................42.2主动锁模.........................................................52.2.1振幅调制..................................................52.2.2相位调制..................................................62.2.3稳定锁模的方法............................................72.3被动锁模.........................................................72.3.1被动锁模的物理过程.......................................82.3.2被动锁模激光器的结构......................................92.3.3碰撞锁模.................................................92.4自锁模..........................................................103.克尔透镜锁模机制.......................................................123.1克尔透镜模型脉冲压缩机理........................................123.2克尔透镜锁模理论分析............................................133.3克尔透镜锁模与钛宝石激光器......................................154.色散补偿...............................................................164.1棱镜对色散补偿机理..............................................164.2棱镜对的色散计算推导............................................174.3棱镜对色散补偿..................................................215.论文总结...............................................................23致谢.....................................................................24参考文献.................................................................25I摘要随着飞秒激光以及相关激光器的快速发展，使得激光脉冲宽度和能量的记录在不断的刷新，以致于现在能获得飞秒级短脉冲。本文研究了激光器的锁模技术，尤其是钛宝石激光器的克尔透镜锁模机理，以及棱镜对的色散补偿。通过锁模技术对激光束进行调制,使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系,从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。又根据色散补偿原理，群速色散的作用可使光脉冲展宽,也可使光脉冲压缩。通过改变棱镜对的结构，可以对色散的大小和符号进行控制，从而得到负的群速色散,而光经过棱镜的玻璃将引起正的群速色散,所以可以利用棱镜对提供的负色散来补偿由自聚焦引起的自相位调制过程中产生的正色散。关键字：激光飞秒脉冲锁模棱镜对色散补偿IIAbstractWiththerapiddevelopmentoffemtosecondlaserandthelaser,thelaserpulsewidthandenergyoftherecordisconstantlyrefreshed,soarenowabletoobtainshortfemtosecondpulse.Thispaperstudiesthelasermode-lockingtechniques,especiallythetitaniumsapphirelaser,Kerrlensmode-lockingmechanism,andaprismpairdispersioncompensation.Clampingtechnologytomodulatethelaserbeam,thebeamoscillationverticalmoldtodeterminethephaserelationship,sothateachmodelcoherentsuperpositionoftheultrashortpulse.Accordingtotheprincipleofdispersioncompensation,theroleofgroupvelocitydispersionallowsopticalpulsebroadening,butalsoallowstheopticalpulsecompression.Bychangingtheprismofthestructure,youcancontrolthedispersionofthesizeandsymbols,resultinginanegativegroupvelocitydispersion,whilethelightthroughtheprismoftheglasswillcauseapositivegroupvelocitydispersion,soyoucanusetheprismtocompensateforthenegativedispersionprovidedbypositivedispersionintheprocessofself-phasemodulationcausedbyself-focusing.Keywords:LaserFemtosecondpulsesMode-lockedPrismpairDispersioncompensationIII引言超短脉冲激光器从上世纪80年代开始，近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，开辟了科学和工业应用的新时代。由于超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱和高的峰值功率，在各个领域得到了广泛的应用，所以超短脉冲的产生成为了当今重要的一个研究课题。为了获得超短激光脉冲，必须研究激光器的锁模机理，因为一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。在飞秒量级的激光技术中,获得超短脉冲的主要方法是锁模技术。利用锁模技术对激光束进行调制,使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系,从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。在超短脉冲的产生、放大与压缩技术中，又需要色散补偿器进行色散补偿。由于光学材料的折射率对不同波长其值有所不同，这将使具有一定光谱宽度的超短光脉冲在此介质中传播时其不同波长有不同的传播速度,而造成群速色散。在时域范围内,由于光的群速色散的结果将是激光脉冲的持续时间发生变化,使不存在啁啾的脉冲形成啁啾,从而使光脉冲展宽。在激光腔内光脉冲的群速色散控制是飞秒激光脉冲产生的关键。棱镜对通常在超快光学中作为色散控制的元件，具有低损耗，可在谐振腔中和自由空间使用，以及可以根据色散补偿的需要，通过改变棱镜对的结构，对色散的大小和符号进行控制。飞秒谐振腔的色散特性分析11.飞秒激光器的介绍激光是20世纪以来的重大科技发明之一，自1960年梅曼成功研制世界上第一台激光器——红宝石激光器以来，激光技术正以科学史上罕见的高速度向前发展。特别是进入二十世纪八十年代末期，由于大功率激光二极管和阵列型激光二极管成为极理想的泵浦源，从而导致了效率高、体积小、寿命长、性能稳定和光束质量好等优点的激光二极管泵浦固体激光器的出现，带动了整个固体激光器件的发展。由于超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱和高的峰值功率，在各个领域得到了广泛的应用，所以超短脉冲的产生成为了当今重要的一个研究课题。飞秒激光自诞生之日起一直是光学领域最前沿的研究方向之一，由于其卓越的特性使其应用在基础科学研究、医疗、军事、工业等众多领域。1.1飞秒激光器的概念及结构飞秒激光器是指利用锁模技术来获得的飞秒量级短脉冲的激光器。所谓飞秒，也叫做毫微微秒，它是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1510秒或0.001皮秒（1皮秒是1210秒）。飞秒激光不是单色光，而是中心波长在800nm左右的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲时域宽度是如此的短，目前已经达到了4fs以内。飞秒脉冲是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1210W）甚至拍瓦（PW，即1510W）量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光器对时间的分辨率远远高于影视器材，经计算，这台飞秒激光器已经获得了人类在实验室中所能获得的世界上最短的脉冲。通过它，我们可以看到更快速、更微妙的运动，例如绿色植物的光合作用过程、细胞的分裂过程、电子围绕原子运动的过程等等。高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。通过锁模技术将激光能量压缩到如此短的瞬间，再配合啁啾脉冲放大技术(CPA)，可以得到极高瞬间功率的输出激光，其激光的电场强度可以超过原子内原子核和电子之间的电场强度，可用于产生一些极端的物理条件，如天体中物理现象的模拟。1.2飞秒激光器的发展现状现在飞秒激光器在工业界的应用研究已达到普及水平,产品质量也逐渐提高。自1960年实现红宝石激光器的脉冲激光振荡以来,激光短脉冲化的研究作为基础物理的一个领域得到稳步发展,目前已经发展到飞秒领域。染料激光器阶段:它显示了激光短脉冲化的进展，引进了Q开关和锁模等新技术，其中，具有宽增益带宽的染料激光器锁模振荡是开发飞秒超