激光原理与技术-超短脉冲技术.ppt

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1、1,激光原理与技术,超短脉冲技术,3.1概论,激光技术的一个重要的发展方向就是不断获得更窄脉宽的激光输出。 调Q技术的局限性 采用PTM方式，t=2L/c，L为光学腔长。 在技术上不可能实现如此短的调Q腔型。 对于上能级寿命非常短的激光器，因为不能实现上能级粒子数的积累，也达不到调Q效果。 锁模技术突破了调Q技术的限制，利用“同步”相干的受激辐射，实现了超短脉冲输出。,3.1概论,超短激光脉冲的发展历史 脉冲激光技术自1965 年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来,发展十分迅速. 20 世纪70 年代中出现了对撞锁模环形染料激光器,使激光脉冲的宽度进入飞秒范围. 80 年代

2、中,对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27 fs. 1986 年,中科院西安光机所的陈国夫在英国进修期间,利用对撞锁模环形染料激光器创造了19 fs 的当时国际最短记录. 1990 年,国际上出现了被动锁模钛宝石飞秒激光器. 钛宝石增益带宽宽,因而调谐范围宽(6501100 nm) ,适用于产生超短脉冲(理论上可以支持产生3 fs 的脉冲) ,由它构成的飞秒激光器可靠性高、使用方便,掀起了国际上发展飞秒激光技术与应用飞秒脉冲的热潮. 1995 年,钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs ; 1996 年,西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs 的超短激光脉冲 ; 1996 年

3、,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4. 5 fs 的记录 ; 1998 年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs 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4 fs 的最佳结果. 这些都是当时的国际最高指标.,3.1概论,超短脉冲特性 高时间分辨率：超短脉冲的脉宽在ps、fs甚至更短，能够作为测量固体物理、化学、生物材料等领域超快物理过程的测量工具。 高空间分辨率：超短光脉冲空间长度是脉冲宽度与光速的乘积，随着光脉宽的缩短，其空间长度也不断缩短，已经达到微米量级，这在显微成象方面有很大用途。 高带宽：光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相

4、同数量级，脉宽缩短，则带宽增加。100fs的脉冲宽度其带宽达到了10THz，最短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分可见光光谱区，看起来象白光一样。高带宽在光通信方面非常重要。 高功率激光：激光器输出功率提升意味着体积的增加，也意味着费用的增长，fs技术可以用中等输出能量的激光器产生有极高峰值功率激光输出，目前已达到1015W量级的峰值功率和1020W/cm2的光强。,3.1概论,超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，为人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的物理条件。 就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒（1

5、0的负15次方秒）时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒（10的负18次方秒）时代。 就空间角度而言，空间分辨率已经从微米向纳米发展。 飞秒科学技术的发展已有近20年历史，所有这一切，都对自然科学和人类社会的进步产生重要的影响。,3.1概论,自由运转多模激光器输出特性,3.1概论,锁模原理 锁模条件,3.1概论,等振幅近似下锁模脉冲特性,3.1概论,等振幅近似下锁模脉冲特性,3.1概论,3.1概论,等振幅近似锁模脉冲特性,3.1概论,高斯分布锁模脉冲特性,3.2声光驻波场振幅调制主动锁模,3.2声光驻波场振幅调制主动锁模,频域分析 假设处于增益曲线中心q=0的纵模由于增益最大，首先开始起振，则腔内光电场为

6、 这个光电场受到调制器的调制，调制频率为 ，则被调制的光电场为： 产生了两个边频，如果 ，则两个边频正好是q=1的相邻两个纵模，而且q=0, 1三个纵模初始位相相同。 这一过程重复下去，则腔内所有纵模初始位相都相同，达到锁模要求。,电光相位调制主动锁模,主动锁模激光器的结构及其设计要点,调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q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。 锁模调制器的频率必须非常严格

7、调谐到 或者 （相位调制锁模或振幅调制锁模）,被动锁模激光器,时域分析 线性放大阶段：初始激光脉冲光强的起伏很大，在吸收体染料中，对强脉冲吸收得少而对弱脉冲吸收得多，在激光介质中，产生线性放大，其结果就发生自然选模作用。 非线性吸收阶段：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吸收体饱和染料呈现非线性吸收，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。 非线性放大阶段：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，当强脉冲经过激活介质时，前沿及中心部位放大得多，致使脉冲后沿放大得少，甚至得不到放大，其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉

8、冲几乎被完全抑制，最后输出一个高强度窄脉宽的脉冲序列。 频域分析 每次强脉冲漂白可饱和吸收材料就相当于Q开关开关一次，每过2L/c的时间漂白一次，类似于Q开关频率fs=c/2L。,被动锁模激光器,被动锁模激光器,碰撞锁模（CPM）激光器,碰撞锁模（CPM）激光器,自锁模激光器,自锁模激光器,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，腔内都存在这样的元件，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1，而使脉冲中间的增益大于1，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

9、模脉冲形成可以分为以下两个阶段： 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，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。 稳定锁模脉冲的形成：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（SPM）严重地改变了脉冲的相位。当光脉

10、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（GVD）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。,自锁模激光器,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： 利用声光调制再生启动的方案，即

11、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，激光器输出为几十ps到几百ps量级的脉冲，脉冲重复频率由调制器的驱动频率决定，这时激光器处于主动锁模状态。适当调整谐振腔，使激光器进入自锁模，产生脉宽在fs量级的锁模脉冲。 利用饱和吸收体也可以启动自锁模激光器。在激光腔内插入一个饱和吸收体（如HITCI），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。 采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁模。 使用振动镜启动，用线性外腔或直接振动一个腔镜（一般为全反镜）频率25，振幅小于0.5mm，可使掺钛蓝宝石激光器由连续状态进入自锁模状态。,掺钛蓝宝石

12、激光器介绍,掺钛蓝宝石激光器介绍,超短脉冲压缩方法介绍,群速度定义,超短脉冲压缩方法介绍,群速度定义,超短脉冲压缩方法介绍,波包的扩散,超短脉冲压缩方法介绍,对正色散波段光脉冲的光栅对压缩（腔外）,超短脉冲压缩方法介绍,对正色散波段光脉冲的棱镜对压缩（腔内）,超短脉冲压缩方法介绍,对正色散波段光脉冲的棱镜对压缩（腔内）,超短脉冲压缩方法介绍,光克尔效应与自相位调制（SPM）,超短脉冲压缩方法介绍,非线性薛定谔方程与时间光孤子,超短脉冲压缩方法介绍,非线性薛定谔方程与时间光孤子,基本孤子,超短脉冲激光应用,超短脉冲激光应用 超快光谱：时间分辨光谱学是应用非常成功或者是应用最广泛的飞秒激光技术。

13、众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。 它主要是把超短脉冲作为一种拍摄超快物理过程的瞬态摄影设备，就好像几十年前用于拍摄子弹穿越苹果和牛奶滴落的闪光高速摄影像机（微秒量级）一样。 对于fs脉冲，一般用来研究微观过程，例如半导体晶体中光激发电子、空穴与晶格振动之间以及它们之间的相互作用；超快激光诱导熔融；吸收光子后，视网膜中的大分子物质细菌视紫红质结构重构过程，对此过程的研究是视觉研究的第一步。,超短脉冲激光应用,超短脉冲激光应用 高速电子测试：高速电子

14、设备开发过程中测试是非常重要一环，而测试设备往往比被测试的设备速度还慢。现在最快的电子设备达到了ps范围，那么飞秒激光可以很容易的产生亚ps的电子脉冲对高速电子设备进行测试。 激光-等离子体相互作用：用光强大于1013W/cm2的激光照射固体材料时，可以将原子中的电子电离出来，形成激光诱导等离子体。在100fs的时间尺度上，等离子体中的自由电子来不及逃逸，可以研究温度高达百万度的密度与固体相近的等离子体。 短波长辐射产生：高强度可见光波段超短脉冲激光可以通过更高阶次非线性谐波产生过程或泵浦x-射线激光器来产生真空紫外和x-射线波段的相干短波辐射。例如相干短波辐射可用来研究DNA的微观结构。,超

15、短脉冲激光应用,超短脉冲激光应用 光通信：低传输损耗光纤具有可和100fs脉冲相比的带宽，因此超短脉冲技术在光通信中将扮演重要角色。目前亚皮秒脉冲已经被应用在传输速率达到Tbits/s的实验室设备中。在这方面，超短脉冲技术不仅仅在超短脉冲的产生方面重要，在信号处理、数据检测、用于辨别和优化超短脉冲传输的先进测量学方面也同样重要。另外，对于WDM系统，超短脉冲具有极宽的带宽，因此能提供更多的信道。 生物医学应用：飞秒激光在生物医学成像方面有大量的应用，例如在散射介质中光学成像以及获得高分辨率的深度信息，例如OCT。在共焦显微成像系统，基于双光子激发提高空间分辨率已经被演示。超短激光脉冲具有高峰值

16、功率，低激光能量的特点使其在激光外科手术中具有重要作用，可以避免热效应导致的敏感组织的附带损伤。,超短脉冲激光应用,超短脉冲激光应用 材料处理：高功率激光已经被用在很多工业领域，例如切割和打孔。对于连续激光和长脉冲激光，切割的尺寸限制和加工质量被激光焦点对周围物质的热扩散所限制。利用飞秒激光，可以使用低能量、高峰值功率的激光进行材料处理，能够产生新的物理机制，减少材料的热堆积，提高切割和打孔质量。 激光控制化学：通过对飞秒激光的波前进行特殊设计来影响光致光学反应过程，利用时间分辨光谱观察化学反应过程，更进一步的发展是控制化学反应过程。由于化学反应过程在几十到几百飞秒时间内，所以飞秒激光脉冲是非

17、常合适的工具,超短脉冲激光应用,超短脉冲激光应用 80年代末泽维尔教授做了一系列试验，他用可能是世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光，可以拍摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这种物理化学被称为飞秒化学，即用高速照相机拍摄化学反应过程中的分子，记录其在反应状态下的图像，以研究化学反应。 常规状态下，人们是看不见原子和分子的化学反应过程的，现在则可以通过泽维尔教授在80年代末开创的飞秒化学技术研究单个原子的运动过程 基本的原理在于“pump & probe”。首先，以第一个强激发脉冲

18、（pump pulse）引起反应，同时决定时间零点。然后，利用第二个探测脉冲（probe pulse）在一段延迟时间之后，测量因分子振动的变化所引起的光吸收之改变，而知道分子处于何种状态。,超短脉冲激光应用,两个脉冲发射的时间间隔，可据由改变探测脉冲与激发脉冲之间所走过的距离差异（光程差），来作微细调整。由于光速每秒三十万公里，一飞秒的延迟时间需要约三百三十万分之一公尺的光程差，若利用精密的机械，即可轻易达成此一微小距离。 接着，些微改变两个激光照射的时间间隔（即改变光程差），并不断地反复实验，即可得到许多数据，将这些不同时间所得到的数据串连在一起，则彷佛能实际观察到化学反应的整个经过。 随着

19、研究的拓展，飞秒化学已经渗透到许多领域，不仅对分子束而且在表面化学方面（如理解和改良催化剂）、液体和溶剂方面、聚合物方面（如导体材料）等都得到应用。另一个重要的应用领域是生命科学方面飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。飞秒激光甚至可用于基因疗法，德国弗里德里克希勒大学的科学家用它就老鼠的细胞进行试验。,超短脉冲激光应用,超短脉冲激光应用 汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。密执安大学飞秒激光专家珀容克说：“尽管这方面工作已取得不少进展，但很多任务厂已将这一技术列为保密项目。“ IBM公司已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻

20、工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。这种激光束能安全地切割高爆炸药。飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其它武器。 加州一家公司去年售出了40台飞秒激光视力矫正系统，它们帮助完成了2万次手术。目前人们在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。人们期待着无痛、且可保护周围健康珐琅质的超短激光牙科术的出现。,超短脉冲激光应用,飞秒激光高空间分辨率在信息技术和纳米技术中的应用 纳米电子学： 纳米光刻： 线宽100nm，深度1.5nm 修复光掩膜 制造光波导和微通道 纳米孔，纳米缝，纳米针孔的制造 纳米局域

21、改性 超高密度信息记录 写入功率密度为： 4.71013W/cm2 读出功率密度为： 8.2 1012W/cm2 最大信息密度 1012bit/cm2,闪光高速摄影相机,玻璃气体放电管,陶瓷气体放电管,气体放电管,两次小爆炸,蜜蜂“吐舌”,与巴甫洛夫的狗一样，无论什么时候，只要受到一种确定气味刺激，这只经过训练的蜜蜂就出伸出精巧如管子的“舌头”享受美食。科学家用带子将一个小装置绑在这只蜜蜂上，而后进行气味刺激。借助强大的嗅觉，它很快就学会如何将食物与特定气味联系起来。,超短脉冲激光应用,化学分子在飞秒激光作用下的分离过程,超短脉冲激光应用,飞秒激光典型应用激光受控核聚变,超短脉冲激光应用,神光装置的惯性约束聚变(ICF)靶场系统,超短脉冲激光应用,飞秒激光典型应用微纳米加工,超短脉冲激光应用,美国INTRALASE飞秒激光系统,超短脉冲激光应用,钛宝石飞秒激光系统,