超短激光脈沖鎖模技術(shù)概要

1、超短激光脈沖 ——鎖模技術(shù)概要,長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司內(nèi)部培訓(xùn)資料,引言：向更短的光脈沖進(jìn)發(fā),普通脈沖激光：微秒（μs，10-6s），千瓦（KW） 調(diào)Q激光 ：納秒（ns，10-9s）， 兆瓦（MW） 鎖模激光 ：皮秒（ps，10-12s），千兆瓦（TW） 飛秒（fs，10-15s）,短脈沖的意義,高峰值功率

2、---高光強(qiáng) 空間影響（熱擴(kuò)散，熱畸變） 對(duì)過(guò)程的影響小 時(shí)間影響（瞬時(shí)作用，無(wú)熱積累） 重疊效應(yīng)（過(guò)程的時(shí)間尺度關(guān)系）,,超短激光脈沖的應(yīng)用,飛秒激光微加工（適用于各種類型材

3、料） —噴墨打印機(jī)的硅噴嘴 —激光冷燒蝕(ablation)-固體直接氣化而不提高溫度 —金屬表面深度發(fā)黑處理（飛秒激光脈沖使金屬表面改形而形成納米結(jié)構(gòu)） 高精度外科切除，周圍組織的損傷隨脈沖持續(xù)時(shí) 間的縮短而減小。眼角膜外科:飛秒激光在角膜中造成泡狀物 典型成功之例LASIK（Laser Assisted In-s

4、itu Koratomi ）—激光原位角膜磨鑲術(shù)（準(zhǔn)分子激光眼科手術(shù)）,超短激光脈沖的應(yīng)用,非線性光學(xué)：二次諧波產(chǎn)生，參量下轉(zhuǎn)換，光學(xué)參量振蕩，太赫茲輻射產(chǎn)生光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：3D光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（依賴于非線性光化學(xué)）高重復(fù)率超短脈沖：大容量通信系統(tǒng)，光子開關(guān)器件，大規(guī)模集成微處理器的時(shí)鐘與超短脈沖相關(guān)的寬光譜支持優(yōu)異的空間分辨（無(wú)損斷層成像技術(shù)）寬帶頻率梳—高精度光頻計(jì)量—全光學(xué)原子鐘（優(yōu)于銫原子鐘）,鎖模原理,定性描述 鎖模：

5、使激光器產(chǎn)生極短持續(xù)時(shí)間光脈沖的技術(shù) （10-12s或10-15s） 基本原理：造成激光諧振腔模式之間固定的位相關(guān)系（鎖相或鎖模）這些模式之間的干涉作用使激光器輸出等間距的脈沖列。 干涉作用使腔內(nèi)的進(jìn)行光波退縮為非常短的脈沖,激光腔模,圖2：激光器縱膜結(jié)構(gòu),縱模：駐波形式的分立頻率集合稱為腔的縱 模（諧振腔允許的自在生振蕩頻率）駐波條件：縱模

6、間隔：在簡(jiǎn)單激光器中，每個(gè)縱模獨(dú)立地振蕩，互相沒(méi)有固定的位相關(guān)系，實(shí)質(zhì)上像一組獨(dú)立的激光器，都在發(fā)出頻率略有差別的光。每個(gè)光波的位相不固定，隨機(jī)變化（材料的熱改變等引起）只有少數(shù)幾個(gè)振蕩縱模的激光器，縱模之間的干涉可能造成拍頻效應(yīng)—輸出光強(qiáng)的隨機(jī)起伏,激光腔模,縱模數(shù)目很大的激光器，這些干涉效應(yīng)趨于平均—接近不變的輸出強(qiáng)度—連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器 與此相反，如果各模式之間具有固定的位相關(guān)系—激光的模式將 呈現(xiàn)周期性地相長(zhǎng)干涉—產(chǎn)生強(qiáng)的光

7、脈沖爆（burst）—鎖模或鎖相。 脈沖的時(shí)間間隔為每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間由同位相振蕩的模式數(shù)目決定，如果N個(gè)模式被鎖定，頻率間隔為??，則整個(gè)鎖模帶寬為 N?? —該帶寬越寬，脈沖持續(xù)時(shí)間越短。,激光腔模,實(shí)際脈沖持續(xù)時(shí)間由每個(gè)脈沖的形狀決定 高斯形狀： 雙曲正割平方形： 其中0.441和0.315為時(shí)間帶寬乘積。（不同線 型取值不同）例：He-Ne，光譜寬度1.5GHz，最短高斯脈沖300ps

8、Ti：sapphire，光譜寬度128Thz，最短高斯脈沖3.4fs,理論分析,激光腔中電場(chǎng)的一般描述：當(dāng) 激光器實(shí)現(xiàn)鎖模。 在時(shí)域，EM場(chǎng)呈周期重復(fù)N個(gè)周期的歸一化頻譜：,理論分析,N個(gè)周期的歸一化功率譜：,理論分析,時(shí)域激光腔中EM波的周期重復(fù)：,理論分析,三模同位相,十一模隨機(jī)位相,,十一模同位相,,鎖模方法,1966年，梅曼演示世界上第一臺(tái)激光器6年之后

9、De Maria.等人做出第一臺(tái)鎖模激光器（可飽和吸收體自鎖）主動(dòng)式鎖模:主動(dòng)式鎖模通過(guò)調(diào)制腔損耗或者調(diào)制往返相位改變實(shí)現(xiàn)鎖模（如圖）,聲光調(diào)制器為最常用方法：電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的正弦調(diào)幅（AM）對(duì)每個(gè)縱模進(jìn)行調(diào)制。如果調(diào)制頻率接近縱模間隔 ，則兩個(gè)邊帶將非常接近選定縱模的臨界模，邊帶和縱模將在介質(zhì)中互相競(jìng)爭(zhēng)最大放大作用。然而最有效地使用增益介質(zhì)的能量是讓縱模的位相鎖定在邊帶上。這轉(zhuǎn)而造成在整個(gè)光譜分布中的總體鎖相（glob

10、al phase-locking），總體鎖相將給出包含腔內(nèi)能量的單一振蕩脈沖。,鎖模方法,被動(dòng)式鎖模在腔內(nèi)放置可飽和吸收體，引入自調(diào)幅可以產(chǎn)生比主動(dòng)鎖模短得多的脈沖，這是因?yàn)楫?dāng)可飽和吸收體 被已經(jīng)非常短的脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以調(diào)制腔損耗比任何電子調(diào)制器快得多！,鎖模方法,通?？娠柡臀阵w是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM），它具有光強(qiáng)依賴透射性質(zhì)：允許高強(qiáng)光透射而吸收低強(qiáng)光，脈沖開始形成在腔內(nèi)進(jìn)行并遇到增益介質(zhì)和可飽和吸收體：可飽和吸收體對(duì)前沿

11、強(qiáng)烈吸收，由于吸收體弛豫時(shí)間比脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，脈沖尾將通過(guò)吸收體而不被衰減，當(dāng)脈沖達(dá)到增益介質(zhì)，前沿被強(qiáng)烈放大而尾部則經(jīng)歷很小的放大（增益飽和），經(jīng)過(guò)多次振蕩，脈沖變強(qiáng)變窄。（因?yàn)槠鹗济}沖的中心不被吸收體影響卻被放大）兩翼則經(jīng)歷相反過(guò)程—前沿被吸收；后沿不放大。,,測(cè)量,超短脈沖的表征一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。多年來(lái)可能造成超短脈沖但不能測(cè)量。測(cè)量包括測(cè)能量（或功率），形狀，持續(xù)時(shí)間，頻譜等。實(shí)驗(yàn)表明超短脈沖的表征是困難的，用于較長(zhǎng)脈沖的光探測(cè)器

12、響應(yīng)速度不能勝任超短脈沖。兩種常用的間接測(cè)量技術(shù)： FROG-frequency resolved optical gating（頻率分辨光選通） SPIDER-spectral interferometry for direct electric field reconstruction（直接電場(chǎng)重構(gòu)的光譜干涉量度學(xué)）,以上兩種技術(shù)使用相關(guān)函數(shù)：涉及兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）光脈沖一皮秒進(jìn)行300微米（空氣中）一個(gè)容易測(cè)

13、量和標(biāo)定的長(zhǎng)度（2）從兩個(gè)含時(shí)間的函數(shù)開始： 和 ，其中一個(gè)例如 已知，測(cè)量 將直接給出另一個(gè)其中 為延時(shí)， 為一階相關(guān)函數(shù)： 要測(cè)一個(gè)時(shí)間事件需要更短的時(shí)間事件?！獙?duì)于超短 持續(xù)時(shí)間的脈沖，脈沖用于測(cè)量它自己！,,測(cè)量,展望,超短激光物理領(lǐng)域已存在40多年，可以認(rèn)為它的產(chǎn)生，操控，測(cè)量，和使用已相當(dāng)成熟，但仍是當(dāng)今激光研究的前沿。研究新的增益介

14、質(zhì)，有趣的性質(zhì)和優(yōu)越的性能 a) 摻鐿晶體如sesquixoides，鎢酸鹽—更高功率的超短脈沖 b) Cr2+：ZnSe（摻鉻錫化鋅）—預(yù)期不久產(chǎn)生20fs脈沖鎖模光纖激光器進(jìn)展神速，將來(lái)可能取代體激光器 高平均功率，好的光束質(zhì)量。目前尚無(wú)光纖激光器在700~1100nm取代鈦寶石激光器阿秒物理學(xué)剛露出地平線（Attsecond，10-18s）要產(chǎn)生周期小于1fs的脈沖必須使用極紫外

15、（XUV）或X射線波段的波長(zhǎng)。阿秒激光的出現(xiàn)將最終使我們看見電子在原子軌道上的動(dòng)態(tài)行為。（高速攝拍的動(dòng)作）超短脈沖技術(shù)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)！,總結(jié),鎖模技術(shù)非常重要—超快過(guò)程的基礎(chǔ)，技術(shù) 難度很大。對(duì)鎖模過(guò)程的深入理解,精心設(shè)計(jì)和計(jì)算 和精細(xì)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試 。參考文獻(xiàn)：Herman A.Haus: Mode-Locking of Lasers IEEE Journal of selectd Topics in Quantun E