飞秒激光器的应用与前景

目录摘要..............................................................................................11.激光器的基本原理...........................................................................21.1自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转..................21.2激光器的基本结构与工作原理..............................................21.3激光产生的条件......................................................................32.飞秒激光脉冲的产生.......................................................................42.1飞秒激光脉冲技术.................................................................42.2飞秒激光脉冲的产生..............................................................73.飞秒激光器的基本特点及其应用...................................................93.1飞秒激光器的基本特点.........................................................93.2飞秒激光器的应用..................................................................94.飞秒激光器发展现状与应用前景.................................................134.1飞秒激光器发展现状...........................................................134.2飞秒激光器应用前景............................................................14致谢....................................................................................................15参考文献............................................................................................15湖北师范学院2007届物理学学士学位论文（设计）1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：TN209Applicationandprospectoffemto-secondlaserLIHaihua(Tutor:LIHong)(DepartmentofPhysics,HubeiNormalUniversity,435002)Abstract：Femtosecondlaserisoflargeapplicationscope,andparticularlytheyareusedinmaterialprocessing,apparatusfactureandopticalcommunication.Theworkingprincipleofthelaserisdemonstrated,anditsapplicationsintroduced.Finally,applicationandprospectofthefemto-secondlaserinthefuturearediscussed.Keyword：FemtosecondlaserLockingmodetechnologyfemtosecondopticalpulses湖北师范学院2007届物理学学士学位论文（设计）21.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、光学谐激励能源激活介质光学谐振腔激光图1激光器的基本组成结构湖北师范学院2007届物理学学士学位论文（设计）3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E1上的粒子被抽运到激发态E3上，因而基态E1上的粒子数N1减少，由于激发态E3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E2上，由于亚稳态E2寿命较长，其上就积累了大量粒子，N2不断增加。一方面N1不断减少，另一方面N2不断增加，以致N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1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：R1R2e2Gl1其中R1，R2为谐振腔两镜的反射率，I1为发出光强，l为腔长。对于给定的光学谐振腔R1，R2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R1R2e2Gl=1时的增益系数Gm，即GGm。图2激活介质的两种工作模式激励抽运无辐射跃迁A21B12B21A21E1E2E3B12B21E1E2E3激励无辐射跃迁(b)四级能图（a）三级能图E0湖北师范学院2007届物理学学士学位论文（设计）42.飞秒激光脉冲的产生飞秒光脉冲是指持续时间为10-12s～10-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间等特点。2.1飞秒激光脉冲技术2.1.1锁模技术我们知道，光的单色性好坏用谱线宽度⊿v来描述，如图3所示，v0是中心频率，⊿v愈小，谱线愈窄，光的单色性愈好。但受各种因素的影响，激光器通常是多频输出的。我们把激光器输出的每一个谐振频率称为一个纵模，即一般激光器是多纵模输出的。而且，在激光的横截面上可以观察到光强有一定的稳定分布。这种光强横向不同的稳定分布称为横模。其中单纵模和基横模（横截面为圆形光斑）在实际应用中最普遍。产生飞秒激光的通用技术是激光锁模技术。一般来说，激光跃迁有一个有限的线宽，在这整个线宽内它能提供光增益，所以激光发射同样也有一个有限光谱宽度⊿v。在增益带宽内含有大量模频率，如果激光器在许多频率上独立运转，则由于相位的随机性而无法产生超短脉冲。为了产生超短脉冲，各个模式必须相位锁定，使它们在空间的某点相长相加，而在别处相消相加。如图4所示，通常，锁模方法有两种：主动锁模和被动锁模。主动锁模技术是在激光腔内放置一个激光调制器，该调制器的调制信号放大器调制器放大器非线形损耗(a)(b)图4主动锁模(a)和被动锁模(b)I(v)I(v0)v0⊿vI(v0)/2V0图3光谱线及其宽度湖北师范学院2007届物理学学士学位论文（设计）5是与激光束往返时间匹配的时钟信号，因此激光经过这种调制器后，其光电场幅度或相位受到调制，从而实现激光锁模；被动锁模技术是通过放置在激光腔内的与光强有关的非线形器件对激光场本身产生自动调制来实现锁模的。2.1.1.1光克尔效应与自聚焦克尔效应：克尔在1875年发现，线偏振光通过有外加电场作用的玻璃时，会变成椭圆偏振光，当旋转检偏器时，输出光不消失。这种现象表明，玻璃在外加恒定电场的作用下，由原来的各向同性变成了光学各向异性，外加电场感应引起了双折射，其折射率的变化与外加电场的平方成正比。从非线形光学来看，克尔效应是外加恒定电场和光电场在介质中通过三阶非线性极化率产生的三阶非线性极化效应。光克尔效应：如果把克尔效应中的恒定电场用另一光电场代替，即在一频率为的光电场作用于介质的同时，还有另外一束任意频率为1的光电场作用于该介质。则由于1光电场的作用会使介质对光波的作用有所改变，通过三阶非线性极化效应，将产生与频率1光电场平方有关的三阶非线性极化。光克尔效应可以提供改变光波偏振状态的方法。激光束的自聚焦：自聚焦是感生透镜效应，这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自相位作用使其波面发生畸变造成的。现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播，此时介质的折射率为n=n0+⊿n(|E|2),其中⊿n(|E|2)是由光强引起的折射率变化。当⊿n为正值时，由于光束中心部分的光强较强，则中心部分的折射率变化比光束边缘部分的折射率变化大，因此，光束在中心比边缘的传播速度慢，结果使介质中传播的光束波面越来越畸变。如图6所示，这种畸变好像是光束通过正透镜一样，光线本身呈自聚焦现象。但是，由于具有有限截面的光束还要经受衍射作用，所以只有自聚焦效应大于衍射效应时，光才表现出自聚焦现象。即检偏器玻璃线形偏振光椭圆偏振光起偏器E图5克尔效应实验示意图湖北师范学院2007届物理学学士学位论文（设计）6自聚焦效应正比于⊿n(|E|2)，衍射效应反比于光束半径的平方。因此，由于光束受自聚焦作用，自聚焦效应和衍射效应均越来越强。如果后者增强得快，则在达到某一最小截面（焦点）后，自聚焦光束将表现出衍射现象。但是在许多情况下，一旦自聚焦作用开始，自聚焦效应总是强于衍射效应，因此光束自聚焦的作用一直进行着，直至由于