第29讲 被动锁模及飞秒激光技术

激光原理与技术第二十九讲被动锁模及飞秒激光技术229.1被动锁模2/Lc将放在激光谐振腔内，当小于光脉冲在可饱和吸收体其上能级腔内往返一次的时间时，则可得到一系寿命列锁模脉冲。91210aqLsc时域分析光泵开始后，激活粒子由基态激发到高能态，产生自发辐射。当腔中增益等于损耗时，则形成激光振荡。由于大量纵模的相互干涉，使谐振腔中激光输出幅度出现了强的波动。随着振荡次数的增加，这些辐射场的强度逐渐增强，并获得了周期结构，但仍保持它的噪声特性。由于激光工作物质的增益色散效应，各个尖峰的频谱宽度将压缩几十倍。2/Lc在一个振荡周期中（）充满了若干个强度随机分布的尖峰脉冲。3，，，初始激光脉冲光强对强脉冲吸收得少的起伏很大在吸收体染而对弱脉冲料吸收得多中29.1被动锁模线性放大阶段：非线性吸收阶段：，，在激光介质中产生线性放大其结果就发生自然选模作用。，此阶段内激光介质的增益虽然是线性的，，但激光辐射场的最强脉冲使饱和吸收体呈现非线性吸收大量的弱脉冲受到染料的吸收而被抑制掉，使发射脉冲变窄谱线增宽。4，，选择出的强脉冲不但能使染料吸收饱和而且使激光工作物质的增益达到饱和29.1被动锁模非线性放大阶段：，，，，前沿及中心部位放大得多致当强脉冲经过使脉冲后沿放大得激活介质时甚至得不到放大少，，，其结果使前后沿小脉冲几乎被完全抑制最后输出一个高强度窄脉宽的变陡脉冲变窄脉冲序列。频域分析2//2sQLcQfcL每次强脉冲漂白可饱和吸收材料就相当于开关开关一次，每过的时间漂白一次，类似于开关频率。529.1被动锁模可饱和增益介质可饱和吸增益与损耗的饱和效由于，由和共同产生的脉冲收材料应压窄过程629.1被动锁模经过增益介质时候前沿被放大，后沿被衰直到光脉冲经过可饱和吸收体与群速度色散导致的脉冲时前展宽沿被削减效应，减，相平衡。729.1被动锁模被动锁模器件激光器的典型腔型结构如图所示。为得到锁模效果好，稳定性高的激光超短脉冲，器件设计应注意以下几点：“”，为消除子腔效应可饱和吸收体与全反射镜最好合而为一。，饱和吸收谱线与激光增益谱线相匹配且不小于增益线宽。2/Lc，，饱和吸收体具有适当的饱和光强和静态透过率以及高上能级寿命要远小于的抗光损伤阈值其。CrYAGSESAM用于被动锁模的可饱和吸收材料，除了传统的染料之外，近年来还有：晶体和半导体可饱和吸收镜（）等。829.2碰撞锁模（CPM）激光器80CollidingPulseModelockingCPMpsfs碰撞锁模（）技术在上世纪年代出现，首先将激光超短脉冲由皮秒压缩到飞秒量级。CPM常采用如图所示的共振环型腔结构。其锁模过程概述如下：11R、由激光增益介质产生的光脉冲在分束镜处被分为两个强度相等的光脉冲，在环型腔内相向传播、可饱和吸收体位于环型腔中部，保证两个光脉冲在可饱和吸收体中相碰撞。9在光栅的形成过程中两个脉冲的前沿被吸收。29.2碰撞锁模（CPM）激光器2、，“”，由于两个光脉冲的相干性和波长量级的光程差碰撞时将出现干涉Bd，其干涉光强在可饱和吸收体内形成空间周期性的粒子数密度分布“”，“”，表现为光强大对应漂白光强小对应未漂白“”，即黑白相间的空间光栅1029.2碰撞锁模（CPM）激光器00/2sn设入射光波长为，在饱和吸收体中形成驻波，波腹处光场将饱和吸收体漂白，波节处不漂白饱和吸收体，形成“吸收”光栅，光栅常数BBragg该光栅对入射光场产生衍射，可以求出为：0sin12Bsn2B2B则衍射光对入射光的夹角为，即该光栅对入射光起后向散射作用。1129.2碰撞锁模（CPM）激光器3、，在，两个光脉冲相干叠加所形成的空间光栅可饱和吸收体的驰豫时间大于光脉冲宽度的条件下对脉冲后沿也有相当大的调制造成的相移拓宽了频谱而散射使脉冲后沿受削，，，从整体上压缩了脉冲宽度。CPMns锁模激光器属于慢弛豫锁模激光器，激光介质和可饱和吸收材料的弛豫时间在量级。CPM，技术使得被动锁模的非线性过程加强、加快可获得更窄的锁模脉冲。101NdYAGCPMPS，，，可以。例如对于：激光器采用技术后得到的锁模脉宽，较主动锁模脉宽窄了个数量级基本达到增益线宽的倒数CPM技术主要适用于驰豫时间大于光脉冲宽度，慢饱和吸收体的被动锁模。1229.2碰撞锁模（CPM）激光器DODCI65155CPnmMWAGr为可饱和激光器若丹明泵浦源为激光增为波长下图是染料激光器示意图，谐振腔为，功率为环形腔，以，。益吸收体介的质激光器。DODCI6G激光器中的棱镜组是脉冲压缩器件，用以补偿和若丹明的群速度色散。608062020fsMHznmmW该激光器可以产生脉宽的激光输出，脉冲重复率为，中心波长为，平均功率。1329.3飞秒激光技术一、飞秒激光技术的发展材料科学的进步推动了超短脉冲激光技术的发展。231010TiAlOfs以掺钛宝石（：）为代表的自锁模飞秒激光器，由于具有极宽的增益带宽（几乎是钕玻璃的倍）意味着它特别适应于作为飞秒激光介质，全固化掺钛兰宝石自锁模激光器能直接产生量级的光脉冲。蓝，CrLiSAFCrForsterite另外，掺铬氟化铝锶铌（:）和掺铬镁橄榄石（:）也可以作全固化、高效率产生飞秒激光的材料1429.3飞秒激光技术钛宝石飞秒激光系统1529.3飞秒激光技术——SelfModeLocking自锁模二、补偿色散、频率牵引和纵模跳变维持各纵模的等间隔分布有确定的相位关系本身当激活介质能够等无规则随机因素能并且，实现的超短脉序的非列输线激光器称为自锁模出，则该性极满足锁模条化。光件激器效应“”，，，2HeNeNdYAGCO在激光器、红宝石、钕玻璃:激光器以及半导体和激光器上都观察到自锁模现象，，，但输出极不稳定锁模脉冲不能得到持续无实用价值有时还要作为影响激光器稳定运转的负面因素设法予以消除。，，，16并且输出稳定性好可获得最短的锁模脉冲是目前产生飞秒超短脉冲的主要器件。，，29.3飞秒激光技术90上世纪年代初首次在掺钛宝石激光器上获得飞秒量级的超短脉冲，蓝，锁模激光器结构简活介这类质本身就是锁激件自单模元，，锁模谱线宽度也就是增益线宽，最简单的自锁模掺钛兰宝石激光器的结构装置如图所示。1729.3飞秒激光技术即透过率从较为广能完全瞬自时锁模的随也属于被光强而变泛的意义上讲并且通常是因此脉冲前、后动锁模沿损耗快饱和吸收大中心峰值处损耗小方式，，，，，，。OpticalKerr能在空间对于自锁模的飞秒激光介质具有一上改变光脉冲的时间分布性质个非常重要的性质即使快饱和吸收的锁模得到进一步增强。光克尔效应，，，，目前，几乎所有的飞秒脉冲都是通过光克尔效应进行被动锁模的。三、光克尔透镜效应nIt二次电光效应外电场的平方成正比通常的克尔效应也称为即介质折射率的变化与在光光强成正比频范畴内，与的介质折射率变化，，。克尔效应属于三阶非线性光学效应。1829.3飞秒激光技术002nkernnrnnIt光效应：220ntnItn从时域上分析光强导致折射率的变化对光脉冲的前、后沿和中心部分将在介质中对应不同率变化＞的折射，，，。ntIt对于玻璃和晶体等材料其响应时间为飞秒量级因此可以认为能实时地跟随的变化。，，“”中间大、两边小从空间上看一个高斯型分布的光束在横截面上的光强分布是导致折射率梯度分布从而形成一个等效的会聚透镜克尔聚。应即自焦效，，，，，225.6~5.74mmmmmmfnLnnItI为轴线上为光斑大小为入射到为其焦距，式中，；；折射率变化介质上光一常量，一束的近般，为轴光强。19光脉冲峰值处的光强所形成的自聚焦距最短。29.3飞秒激光技术1个光脉冲中不同的时间区域内对应着不同的自聚焦的焦距。，光强的大小对应焦距即。的短长：再利用通常的谐振腔模式分析方法，不难得出光脉冲前后沿与峰值处，各自相对应的高斯光束参数。高强度区对应短焦距其光斑半径较低强度区对应长焦距其光斑半径一较小般大来讲，，，，。“”利用光阑或介质本身的自孔径选模作用，将脉冲前、后沿对应的低强度光强空间滤波。相当于对光脉冲在时域上的进行压缩2029.3飞秒激光技术0It自聚焦效应和光阑的结合相当于一个快弛豫饱和吸收体，，当外界泵浦的光功率和光斑尺寸确定后对于光克尔透镜自锁模激光器所谐振腔设计必须考虑以下因素:，，即峰值处的损耗最少净增益最大经过多次振荡后脉冲宽度不断被压缩，，，，对于掺钛兰宝石自锁模激光器在光克尔效应的作用下，可获得飞秒量级的超。短脉冲，克尔介质与反射镜的相当位置光阑处的光斑尺折叠腔镜的象散补偿和腔型的寸稳以及定性两个反射镜的曲率和对锁模效果的影。间距响等等，另外，消除寄生反射和避免自聚焦对介质的光损伤也很重要。2129.3飞秒激光技术自锁模激光器四、自锁模激光器属于被动锁模。从时域角度看任何带有被动性质的锁模激光器腔内都存在元件，，某种，它们首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子，然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小于，而使脉冲中间的增益大于损耗损耗，脉冲在腔内往返过程中不断被整形放大脉冲宽度被压缩直到稳定锁模。，，，因此，自锁模脉冲形成可以分为以下两个阶段：2229.3飞秒激光技术初始脉冲的形成：理论分析和大量的实验证明连续运转的掺钛蓝宝石激光器中的噪声脉冲由于达不到锁模的启动阈值，故该种激光器的自锁模不能自启动。，因此，必须首先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由于增益介质的自聚焦效应它与腔内光阑的结合等效于可饱和吸收体，，，SAM经过自振幅调制（）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。，，2329.3飞秒激光技术稳定锁模脉冲的形成：SPM腔内初始锁模脉冲形成以后，因为它的峰值功率较大，所以在增益介质中由非线性克尔效应，脉冲产生自相位调制（）严重地改变了脉冲的相位。GVD当光脉冲通过掺钛蓝宝石棒时，又引起了很大的二阶正群速度色散（）和三阶色散。在这一阶段中增益介质的自振幅调制和增益放大仍起主要作用只是由于脉冲功率增大不可避免地要产生自相位调制和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可以得到最窄的脉冲宽度。，2429.3飞秒激光技术大量的实验及分析计算表明自锁模必须采用附加措施来启动（最初工作在连续状态）。，最简单的方法是轻敲平台或某一腔镜以产生一个强度扰动以启动自锁模。启动后的激光器在锁模稳定运转时受周围环境扰动的影响一旦失锁必须重新启动，，为此人们发明了许多主动和被动的启动与维持自锁模运转的方法：利用饱和吸收体也可以启动自锁模激光器。HITCI在激光腔内插入一个饱和吸收体（如）改变染料浓度直至最终形成的锁模脉冲。，饱和吸收体的作用只是引入最弱的调制来启动自锁模。2529.3飞秒激光技术利用声光调制再生启动的方案：即在原自锁模激光器内加入一个声光调制器使其频率与谐振腔周期的倒数匹配，，psps激光器输出为几十到几百量级的脉冲脉冲重复频率这时由激调制光器器的驱动处于主动频率决。定锁模状态，，fs适当调整谐振腔，使激光器进入自锁模，产生脉宽在量级的锁模脉冲。使用振动镜启动：250.5Hzmm用线性外腔或直接振动一个腔镜（一般为全反镜）频率振幅小于可使掺钛蓝宝石激光器由连续状态进入自锁模状态。，，2629.3飞秒激光技术掺钛蓝宝石激光器介绍五、掺钛蓝宝石的吸收光谱（左）和掺钛蓝宝石的荧光光谱（右）2710.98fsfs目前输出最窄脉冲为，去掉棱镜对，使用控制色散的啁啾介质镜时，可获得脉冲。29.3飞秒激光技术23:20,1.5~2.0TiAlOmmm晶体长端面切成布儒斯特角，置于四折叠镜腔的中心，腔长。00..TEMArBRF泵浦源为连续模激光器，用进行谐振腔波长调谐，12()PPGVD和组成的棱镜对起到脉冲压缩作用，以抵消谐振腔的群速度色散。845~950nm自锁模状态一般由外界的微扰引入，波