1、3.1 概述 調調Q Q技術是壓縮激光脈寬、提高峰值功率的有技術是壓縮激光脈寬、提高峰值功率的有 效方法，但是受到光子平均駐腔壽命的限制，利用效方法，但是受到光子平均駐腔壽命的限制，利用 調調Q Q技術只能獲得脈寬為技術只能獲得脈寬為毫、微秒量級毫、微秒量級的激光脈沖。的激光脈沖。 利用鎖模技術可以獲得皮秒和飛秒量級的激光脈利用鎖模技術可以獲得皮秒和飛秒量級的激光脈 沖。沖。sms3101sps12101sfs15101第1頁/共63頁19958 fs年年，鈦鈦寶寶石石固固體體飛飛秒秒激激光光器器產產生生的的脈脈沖沖寬寬度度降降至至19967. 5 fs年年，西西安安光光機機所所的的許許林林在

2、在奧奧地地利利產產生生了了的的超超短短激激光光脈脈沖沖19964. 5 fs年年，畢畢業業于于西西安安光光機機所所的的魏魏志志義義博博士士在在荷荷蘭蘭創創造造了了全全固固態態腔腔倒倒空空壓壓縮縮后后的的記記錄錄1998,25 ,4 fsfs年年 西西安安光光機機所所的的程程昭昭則則在在奧奧地地利利利利用用亞亞毫毫焦焦耳耳的的的的脈脈沖沖產產生生了了強強白白光光連連續續譜譜 將將其其近近紅紅外外部部分分用用超超寬寬帶帶啁啁啾啾鏡鏡腔腔外外壓壓縮縮 得得了了的的最最佳佳結結果果。這這些些都都是是當當時時的的國國際際最最高高指指標標。 1810ass 目目前前正正進進入入第2頁/共63頁未鎖模的連續

3、激光器輸出的是連續的激光。未鎖模的連續激光器輸出的是連續的激光。假定在在腔內振蕩的模式有假定在在腔內振蕩的模式有2N2N1 1個。縱模表示式個。縱模表示式 2cL 縱模頻率頻率間隔 ( )cos()qqqqE tEtLqcvq2多模激光的輸出特性多模激光的輸出特性第3頁/共63頁無鎖模激光器的輸出功率與頻率無鎖模激光器的輸出功率與頻率鎖模技術的基本原鎖模技術的基本原理理呈現多個縱模同時振蕩，各個模式的振幅、初始呈現多個縱模同時振蕩，各個模式的振幅、初始位相無確定關系且互不相關。位相無確定關系且互不相關。第4頁/共63頁無鎖模激光器的輸出功率與時間無鎖模激光器的輸出功率與時間瞬時輸出功率是這些模

4、式無規則的疊加，輸出瞬時輸出功率是這些模式無規則的疊加，輸出功率隨時間無規則起伏。功率隨時間無規則起伏。第5頁/共63頁 經過特殊的調制技術，使各振蕩模式的頻率間隔經過特殊的調制技術，使各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有確定的相位關系，則激光器將輸保持一定，并具有確定的相位關系，則激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖，出一列時間間隔一定的超短脈沖，這種技術稱為鎖這種技術稱為鎖模技術。模技術。第6頁/共63頁假設第假設第q q個振蕩模為：個振蕩模為：鎖模的基本原理鎖模的基本原理通常情況下，激光器內有多個縱模同時起振，各個通常情況下，激光器內有多個縱模同時起振，各個模式的振幅、初始相位均無確定

5、關系，它們之間是模式的振幅、初始相位均無確定關系，它們之間是互不相干的。互不相干的。由于各縱模間是不相干，輸出平均光強可表示為由于各縱模間是不相干，輸出平均光強可表示為諸模光強的簡單和諸模光強的簡單和qqII( )cos()qqqqEtEt第7頁/共63頁t=0t=0和和t=2L/ct=2L/c時，峰值平均光強為：時，峰值平均光強為：02max12INI）（合成光場的光強為：合成光場的光強為：22201sin (21)()2( )( )1sin()2NtI tA tEt第8頁/共63頁縱模鎖定激光器的輸出特性分析縱模鎖定激光器的輸出特性分析1. .兩個主脈沖之間的時間間隔為單個脈沖在腔內往兩個

6、主脈沖之間的時間間隔為單個脈沖在腔內往 返一次的時間：返一次的時間：2.2.兩個鎖模主脈沖之間有兩個鎖模主脈沖之間有2N2N個零點個零點,2N-1,2N-1個次極大值。個次極大值。主脈沖寬度為：主脈沖寬度為： ，增益曲線越寬，越可能得到窄的鎖模脈沖。增益曲線越寬，越可能得到窄的鎖模脈沖。q1121）（ Ngv1mincLT2第9頁/共63頁3.鎖模后的脈沖峰值光功率比未經鎖模的提高了鎖模后的脈沖峰值光功率比未經鎖模的提高了 2N+12N+1倍。倍。4.4.實現了實現了 常數，輸出了一個峰值功率常數，輸出了一個峰值功率 高、脈沖寬度窄的序列脈沖。高、脈沖寬度窄的序列脈沖。1qq第10頁/共63頁

7、v主動鎖模：調制器的調制特性人為主動可控。主動鎖模：調制器的調制特性人為主動可控。 振幅調制鎖模 相位調制鎖模v被動鎖模：其過程非人為可以控制。被動鎖模：其過程非人為可以控制。v同步泵浦鎖模：主動鎖模激光器泵浦另一激光器同步泵浦鎖模：主動鎖模激光器泵浦另一激光器v自鎖模自鎖模實現鎖模的方法實現鎖模的方法第11頁/共63頁 如圖所示，在激光器諧振腔內安置一振幅或相如圖所示，在激光器諧振腔內安置一振幅或相位調制器，適當控制調制頻率和調制深度可以實位調制器，適當控制調制頻率和調制深度可以實現激光器的縱模鎖定。現激光器的縱模鎖定。3.3.2 2主動鎖模主動鎖模第12頁/共63頁q振幅調制原理振幅調制原

8、理 設調制信號為： 調制前光場： 經過調制后，腔內光場變為： sincccE tEt tAtamm21sin)sin()cos(1 )ccmctwtwmAtE（調制系數第13頁/共63頁設激光器中增益曲線中心頻率處的縱模首先振蕩，加入調制后，其電場強度為： 展開上式：)sin()cos(1 )ccmctwtwmAtE（)sin(21)sin(21)sin(cmcccmccccctwwmAtwwmAtwAE（t)= 第14頁/共63頁腔損耗正弦調制的結果，是使頻率為腔損耗正弦調制的結果，是使頻率為 的縱模又產生了頻率分的縱模又產生了頻率分別為別為 ， 初始位相不變化的兩個邊頻帶。振幅初始位相不變

9、化的兩個邊頻帶。振幅調制鎖模式縱模有相同的初始位相，保持恒定的頻率差調制鎖模式縱模有相同的初始位相，保持恒定的頻率差 ，各模的振幅關系通過選擇各模的振幅關系通過選擇 可控制。可控制。它們相干疊加的結果使激它們相干疊加的結果使激光器得到鎖模序列光脈沖輸出。光器得到鎖模序列光脈沖輸出。0Lc20Lc20Lc2m第15頁/共63頁q相位調制鎖模原理相位調制鎖模原理 激光腔內插入一個電光調制器，當調制器介激光腔內插入一個電光調制器，當調制器介質折射率按外加調制信號而周期性改變時，光波質折射率按外加調制信號而周期性改變時，光波在不同的時刻通過介質，有不同的相位延遲。在不同的時刻通過介質，有不同的相位延遲

10、。第16頁/共63頁 調制前光場： 經過調制后，腔內光場變為： coscccEtAt coscosccmE tAtmt只有與相位變化的極值點（極大或極小）相對應的時刻才能在腔內保存下來，不斷被放大，成為周期為2L/c的脈沖序列。第17頁/共63頁 相位調制的特點： 調制信號的頻率和相鄰縱模頻率的間隔相同。 相位調制的結果，使各縱模相位固定。 -滿足鎖模條件 輸出的光波是間隔為 的脈沖序列，具有 鎖模激光器特性。 脈沖位置不穩定。2mcL10qq2Lc第18頁/共63頁調調制制器器可可以以是是聲聲光光損損耗耗（駐駐波波場場）、電電光光相相位位、電電光光損損耗耗。 Q主主動動鎖鎖模模激激光光器器中

11、中所所有有光光學學元元件件的的要要求求應應比比一一般般調調 激激光光更更加加嚴嚴格格，端端面面的的反反射射率率必必須須控控制制在在最最小小，各各元元件件的的反反射射端端面面應應切切成成布布儒儒斯斯特特角角，傾傾斜斜放放置置或或鍍鍍增增透透膜膜，反反射射鏡鏡做做成成鍥鍥形形。調調制制器器應應盡盡量量放放在在腔腔內內靠靠近近反反射射鏡鏡處處。調調制制尺尺寸寸在在通通光光方方向向的的尺尺寸寸應應盡盡量量小小。 /2/4/2s MMqqsAPffcLLc 振振鎖鎖模模調調制制器器的的頻頻率率必必須須非非常常嚴嚴格格幅幅調調調調諧諧相相位位制制鎖鎖模模到到或或者者調調制制鎖鎖模模 。主動鎖模激光器的結構

12、及其設計要點第19頁/共63頁其其基基本本思思路路是是利利用用激激光光輸輸出出信信號號變變化化所所產產生生的的誤誤差差信信號號來來校校正正驅驅動動振振蕩蕩頻頻率率或或校校正正腔腔長長。117mNdYAGfKHzL 對對于于光光學學腔腔長長為為 米米的的：鎖鎖模模激激光光器器，其其調調制制頻頻率率只只允允許許少少于于的的偏偏差差，相相當當于于腔腔長長 的的變變化化量量必必須須少少于于m m。采采用用電電子子反反饋饋、實實時時跟跟蹤蹤、閉閉環環控控制制、伺伺服服裝裝置置。 222mqccfLLL 采采用用熱熱不不靈靈敏敏腔腔型型，用用熱熱膨膨脹脹系系數數小小的的殷殷鋼鋼或或大大理理石石作作為為光光

13、學學導導軌軌，與與外外界界絕絕熱熱、隔隔震震。22mmqfLLfLc 最最好好采采用用半半導導體體泵泵浦浦和和精精密密的的半半導導體體致致冷冷以以及及風風冷冷散散熱熱方方式式。提提高高泵泵浦浦源源的的穩穩定定度度，消消除除冷冷卻卻液液的的非非勻勻速速流流動動和和溫溫度度波波動動。穩穩定定性性措措施施第20頁/共63頁 在激光器諧振腔內插入可飽和吸收染料來調在激光器諧振腔內插入可飽和吸收染料來調節腔內的損耗，當滿足鎖模條件時，就可獲得一節腔內的損耗，當滿足鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。系列的鎖模脈沖。3.3.3 3 被動鎖模被動鎖模被動鎖模分為：被動鎖模分為：固體激光器的被動鎖模、燃料激

14、光器的被動鎖模固體激光器的被動鎖模、燃料激光器的被動鎖模第21頁/共63頁q固體激光器的被動鎖模固體激光器的被動鎖模 線性放大階段：一個周期2L/c時間內，光脈沖通過有機染料和工作介質各一次，在激光介質中產生線性放大，發生自然選模作用。線性放大過程使頻譜變窄，被放大后的信號起伏得到平滑和加寬。第22頁/共63頁非線性吸收階段：強脈沖增長。弱脈沖被抑制，發射脈沖變窄，頻譜增寬。非線性放大階段：前后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎完全被抑制，最后輸出一個高強度、窄脈寬的脈沖序列。第23頁/共63頁 結構如下圖所示，為得到高重復率的高質量結構如下圖所示，為得到高重復率的高質量鎖模脈沖序列，對燃料濃度、泵

15、浦強度和諧振腔鎖模脈沖序列，對燃料濃度、泵浦強度和諧振腔的設計及調整等都要有嚴格的要求，否則，激光的設計及調整等都要有嚴格的要求，否則，激光輸出將極不穩定。輸出將極不穩定。100%100%反射鏡反射鏡接觸接觸染料盒染料盒泵浦光泵浦光濾光片濾光片激光棒激光棒光闌光闌輸出耦合輸出耦合反射鏡反射鏡被動鎖模固體激光器原理示意圖被動鎖模固體激光器原理示意圖3.3.3.1 3.1 被動鎖模固體激光器的結構被動鎖模固體激光器的結構第24頁/共63頁q染料激光器的被動鎖模染料激光器的被動鎖模 染料激光器產生脈沖的過程和固體激光器被動鎖模相似。（通過染料吸收體的非線性吸收和激光介質的放大作用，從漲落的噪聲背景中

16、選擇出強漲落峰值，通過可飽和吸收體和激光介質飽和作用的聯合作用，形成超短脈沖。） 由于染料的譜線寬，激光上能級的壽命短，所以染料鎖模激光器可以輸出比固體鎖模激光器更窄的脈沖。第25頁/共63頁v采用一臺鎖模激光器脈沖序列泵浦另一臺激光器，通過調制腔內增益的方法獲得鎖模。v實現同步泵浦鎖模的關鍵是使被泵浦激光器的諧振腔長度與泵浦激光器的諧振腔長度相等或者是它的整數倍。v同步泵浦鎖模對染料激光器具有實用意義。3.3.4 4 同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模第26頁/共63頁 1）增益階段 2）脈沖壓縮階段同步泵浦鎖模原理同步泵浦鎖模原理 圖3.4-1 同步泵浦染料激光器特性第27頁/共63頁v穩定的脈沖狀

17、態（鎖模區）l(1)泵浦能量越大或反射率越大，則脈沖能量越大 而脈寬越窄。在反射率或泵浦能量比較小的情 況下，脈沖寬度倒數和脈沖能量顯示出單調的 特性。 l(2)泵浦能量和反射率不同，產生的最窄脈沖的時 延也不同。 第28頁/共63頁v穩定的脈沖狀態（鎖模區）l(3)脈沖的形狀與泵浦能量和反射率有關。當泵浦 能量和反射率比較小時，脈沖幾乎是對稱的。 反之，隨著泵浦能量和反射率的增大脈沖逐 漸呈不對稱型。泵浦能量保持不變而脈沖寬度 改變，對激光脈沖的參數影響不大。 v相位調制脈沖 （一定條件下不存在穩定態） 第29頁/共63頁泵浦激光器染料激光器高頻發生器聲光鎖模器Ar+激光器染料激光器染料盒光

18、學濾波器n同步泵浦鎖模激光器結構同步泵浦鎖模激光器結構同步泵浦染料激光器結構示意圖M1M4M2M3第30頁/共63頁n能產生非常穩定超短脈沖的裝置示意圖能產生非常穩定超短脈沖的裝置示意圖 快速控制回路慢速控制回路采用兩種控制回路的同步泵浦染料激光器采用這種系統能產生0.7ps的脈沖第31頁/共63頁調調Q與鎖模的區別與鎖模的區別1.鎖模一般可以用調Q的手段來實現2.鎖模：對多縱模進行調制，其頻率由諧振腔的長 度決定。 調 Q：對諧振腔內損耗的調節，是對光子數的調 整。其頻率由調制頻率決定。 3.壓縮程度不同。調 Q：功率兆瓦級、脈寬納秒級鎖模：脈寬飛秒級。第32頁/共63頁 自鎖模就是在激光腔

19、內不需插入任何調制元件，而是利用增益介質本身的非線性效應就可以產生短脈沖的鎖模方式。1991年，人們首次在摻鈦藍寶石連續激光器中，成功獲得自鎖模運轉。目前自鎖模脈沖寬度可達 6 fs。3.5 3.5 自自 鎖鎖 模模第33頁/共63頁一、自鎖模機理一、自鎖模機理 一般認為，自鎖模現象是利用增益介質的自聚焦效應形成的克爾透鏡和光闌構成一個與強度相關的投射來產生短脈沖。第34頁/共63頁 如果在束腰附近加上光闌，與自聚焦的結合就相當于一個可飽和吸收體。由于脈沖中央光強較大，透鏡對脈沖中央有更強的聚焦，使其幾乎無損耗地通過光闌。而前后沿的強度較小，透鏡對脈沖前后有較小的自聚焦，使其損耗大于脈沖中央。

20、脈沖在腔內循環時，將不斷的被抑制而消失，而中間部分不斷被放大，使得脈沖不斷被壓縮，形成穩定的鎖模。第35頁/共63頁 摻鈦藍寶石介質折射率的非線性效應可表示為：n= no + n2 I (t) no為與光強無關的折射率， n2為非線性折射率，由克爾效應決定，I (t)為脈沖的光強。 自聚焦效應的焦距為:)(142tIcLnfmmmnm = n2 Im (t） 第36頁/共63頁 因摻鈦藍寶石激光器的自鎖模不能自行啟動，所以在腔內引入一個瞬間擾動，造成高損耗，當腔鏡復位時，腔中的光強產生強烈漲落。當它們通過增益介質時，經過自振幅調制經過自振幅調制(SAM)(SAM)和增益介質的線性放大，對脈沖和

21、增益介質的線性放大，對脈沖進行選擇、放大、初步壓縮，形成初始脈沖。進行選擇、放大、初步壓縮，形成初始脈沖。1. 初始脈沖的形成初始脈沖的形成 摻鈦藍寶石激光器自鎖模脈沖的形成分為以下兩個階段：第37頁/共63頁2. 2. 穩定鎖模脈沖的形成穩定鎖模脈沖的形成 腔內初始鎖模脈沖形成以后，因峰值功率大，不僅產生了自相位調制，還引入了很大的正群速度色散，不利于進一步壓縮脈寬，因而要用合適的負色散去補償，才能得到最窄的脈沖寬度。 第38頁/共63頁常用來啟動摻鈦藍寶石激光器自鎖模的方法：常用來啟動摻鈦藍寶石激光器自鎖模的方法： （1）在原自鎖模激光器內加入一個聲光調制器，此時激光器處于主動鎖模狀態。調

22、整諧振腔，使激光器進入自鎖模。 （2）在Ti:S激光腔內插入一個飽和吸收體，改變染料濃度，直至去掉染料裝置也能產生自鎖。 (3)采用量子阱反射器的耦合腔啟動自鎖模。 (4)使用振動鏡啟動，頻率25Hz，振幅小于0.5mm。第39頁/共63頁二、超短脈沖的壓縮技術二、超短脈沖的壓縮技術 當超短光脈沖在介質中傳輸時，表現出多種非線性效應，而折射率的非線性效應是最基本的。 折射率非 線性效應 非線性相移脈沖不同部位的瞬時頻率不同自相位 調制 頻率啁啾 （ ）)()(tt第40頁/共63頁(a)T Tr r p p，脈沖頻譜的擴展只是向 。端擴展，即頻率向低頻端擴展。圖3.5-1 超短光脈沖在介質傳輸

23、中的自相位調制效應第41頁/共63頁 如果考慮介質的色散時，當啁啾和色散同號時脈沖被展寬，異號時變窄。當介質具有正色散時，以負啁啾為特征的脈沖前沿和后沿被壓縮，而以正啁啾為特征的脈沖中間被展寬，脈沖波形變成方波。當介質具有負色散時，具有負啁啾的脈沖前沿和后沿被展寬，而脈沖的中間部分被壓縮，從而導致整個脈沖波形變窄。 只要選擇具有負色散的介質就可以使超短脈沖只要選擇具有負色散的介質就可以使超短脈沖進一步的壓縮進一步的壓縮。第42頁/共63頁利用這種技術，已經得到6 fs的超短光脈沖目前壓縮超短脈沖的方法有以下兩種：1、光纖-光柵對法 這是在腔外進行，利用光纖提供的正色散將脈沖展寬成啁啾脈沖，再利

24、用光柵提供的負色散對光脈沖進行壓縮。第43頁/共63頁2、激光腔內插入負色散元件 由于衍射光柵的插入損耗很大，而且不容易調節它的正負色散量。所以可以在激光腔內插入兩塊高色散的石英棱鏡。光脈沖的光線對于棱鏡的入射角和出射角都為布儒斯特角和最小角。第44頁/共63頁3.6 3.6 單一脈沖的選取及超短脈沖測量技術單一脈沖的選取及超短脈沖測量技術一、單一脈沖的選取一、單一脈沖的選取 開始時開關不起作用，偏振器調到最大透過率，由M2輸出的鎖模脈沖，經透鏡聚焦，擊穿火花隙，經過脈沖形成網絡，將高壓脈沖(V/4)加在電光調制器上，鎖模脈沖兩次經過開關，偏振方向旋轉90。，這時偏振光不再透過偏振鏡，只能從其

25、界面上反射側向輸出，獲得單一脈沖。1. 1. 脈沖透射法脈沖透射法第45頁/共63頁 此方法的缺點缺點：工作閾值較高，腔內元件容易損壞，而且腔內元件多，容易產生標準具效應，且漏光嚴重，穩定性差。全全反反鏡鏡半反鏡半反鏡V/4第46頁/共63頁 P1P2，中間放一個電開關，只要加壓時間 2L/c ，得單一脈沖。缺點缺點：需加半波電壓，兩個偏振棱鏡。優點優點：腔內光學元件少，調整方便。2. 2. 腔外選單一脈沖法腔外選單一脈沖法V/2第47頁/共63頁工作過程工作過程：首先在電開關加電壓。當第一個鎖模脈沖輸出后，光電二極管把光信號轉換為電信號去觸發閘流管，將加在克爾盒的V/4電壓短路，則從偏振鏡側

26、向輸出單一超短脈沖。閘流管動作時間鎖模脈沖間隔2L/c。3閘流管觸發電路閘流管觸發電路第48頁/共63頁二、超短脈沖的測量技術二、超短脈沖的測量技術 由于鎖模激光器輸出的脈寬一般幾ps-fs量級，而光電接收裝置如一般光電二極管和光電倍增管響應時間一般在 s，因此響應時間大于 s，因此無法測量 s - s脈沖。目前主要的測量方法有兩種類型：直接觀察法和相關測量法。101110 10121012101510第49頁/共63頁1. 1. 直接觀察法直接觀察法 條紋照相機：主要由結構復雜的條紋管構成。它可把光脈沖直接記錄在照相底片上，通過光密度分析獲得脈沖形狀和寬度。近來出現的新型條紋管，利用了光纖，

27、可以直接給出光脈沖強度I(t)的數字記錄，分辨力可以測到12ps。第50頁/共63頁缺點：結構復雜，價格昂貴，不適用連續鎖模激光器，需取出一脈沖。不能測飛秒脈沖。第51頁/共63頁2 .2 .相關測量法相關測量法 應用較廣，間接測量。利用相關函數的測試，但測出的相關函數曲線不是脈沖的實際寬度，要通過換算，才能得到脈寬的近似值。(1)相關函數強度為I(t)的2階強度相關函數為(2)22( )()( )()( )( )( )I t I tdtI t I tGItIt dt 二階相關函數測得的脈沖波形對稱。因 ,(2)(2)( )()GG如果實際波形不對稱，此法測不出。 第52頁/共63頁用高階相關

28、函數。n階單延遲相關函數（只能給出脈沖寬度的上限）( )1( )( )()/( )nnnGIt I tIt 這樣大大減少了對于測試儀器和接收元件時間響應的要求。第53頁/共63頁 目前比較成熟的二階相關函數測量法是雙光子熒光法和二次諧波法。雙光子熒光法雙光子熒光法 原理：原理：當入射光為高功率的情況下，基態的粒子吸收兩光子躍遷到高能態，然后無輻射躍遷到能級，最后由能級自發輻射躍遷到能級發出熒光，hvf12hvin。第54頁/共63頁實驗裝置如下：M3 分束鏡，把入射光分成相等的兩束光，M1、M2全反鏡 在系統中，把一束激光分成兩束光，沿相反方向進入染料中。重合的少，熒光弱，光全重合，熒光最強。雙光子吸收是一種與光強平方成正比