讲被动锁模及飞秒激光技术(精品PPT)

发布者:admin 发布时间:2019-10-20 23:49 浏览次数:

  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 则可得到一系寿命 列锁模脉冲。 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。 个振荡周期中()充满了若干个强度随机分布的尖峰脉冲。 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 29.1线性放大阶段: 非线性吸收阶段: 产生线性放大其结果就发生自然选模作用。 使发射脉冲变窄谱线增宽。 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 非线性放大阶段: 当强脉冲经过使脉冲后沿放大得 激活介 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 脉冲变窄脉冲序列。 频域分析 每次强脉冲漂白可饱和吸收材料就相当于开关开关一次,每 的时间漂白一次,类似于开关频率 增益与损耗的饱和 29.1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 沿被削减效应 29.1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: 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。 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 CrYAG SESAM 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 29.2CPM 80Colliding Pulse Mode locking CPM ps fs 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: 、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。 在光栅的形成过程中两个脉冲的前沿被吸收。 29.2 CPM 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 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 黑白相间的空间光栅 10 29.2 CPM 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 该光栅对入射光场产生衍射,可以求出 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。 11 29.2 CPM 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。CPM ns 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。 10 NdYAG CPM PS 例如对于 激光器采用 技术后 得到 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。 12 29.2 CPM DODCI CPnm 为可饱和激光器 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 激光器。DODCI 6G 激光器中的棱镜组是脉冲压缩器件,用以补偿 的群速度色散。60 80 620 20 fs MHz nm mW 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 1329.3 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。 1010 Ti Al )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 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。 CrLiSAF Cr Forsterite 另外,掺铬氟化铝锶铌( )也可以作全固化、高效率产生飞秒激光的材料 14 29.3 钛宝石飞秒激光系统 15 29.3 SelfMode Locking 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 并且,实现 的超短脉序 HeNe Nd YAG CO 激光器上都观察到自锁模现象 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。 29.390 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 激光器结构简 这类质本身就是锁 ,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臵如图所示。 17 29.3 即透过率 从较为广 能完全瞬 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 沿损耗快饱和吸收 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 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 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 光强成正比 频范畴内,与 克尔效应属于三阶非线 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 对于玻璃和晶体等材料其响应时间为飞秒量级 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 导致折射率梯度分布从而形成一个等效 的会聚透镜 克尔 为轴线上为光斑大小 为入射到 折射率变化介质上光 一常量,一 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 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。 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 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 20 29.3 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 增益最大经过多 次振荡后 脉冲宽度不断被压缩 在光克尔效应的作用下,可获得飞秒量级的超 克尔介质与反射镜的相当位臵光阑处的光斑尺 折叠腔镜的象散补偿和腔型的 以及定性 两个反射镜的曲率和 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。21 29.3 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 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 ,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:22 29.3 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 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 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 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)。 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。25 29.3 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 器的驱动处于主动 频率决 fs适当调整谐振腔,使激光器进入自锁模,产生脉宽在 级的锁模脉冲。使用振动镜启动: 25 0.5 Hz mm 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 掺钛蓝宝石激光器介绍 掺钛蓝宝石的吸收光谱(左)和掺钛蓝宝石的荧光光谱(右)27 10.9 fsfs 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 2.0Ti Al 晶体长端面切成布儒斯特角,置于四折叠镜腔的中心,腔长 TEMAr 激光器,用进行谐振腔波长调谐, 950nm自锁模状态一般由外界的微扰引入,波长在 范围内。 28 29.4 由锁模激光器的性质可知 锁模脉冲宽度越短 其频谱 就越宽 在一个超短光脉冲中 包含有大量的频率分量。 在传输过程中由于介质的色散效应 导致不同的频率 分量有不同的传播速度 使脉冲波型产生变化。 16BK 例如对于 飞秒的高斯型光脉冲 经过 米长的空气或 毫米的 玻璃后 其脉冲宽度变成 为原来的两倍。 这对飞秒激光的产生和应用都是不利的必须设法加以 克服。 2929.4 一、群速度定义 集中在范围内 是角频率的函数, 点级数展开,取前两项有: dkdk 3029.4 表示光场传输过程中,调制波包络函数形式不变,即波包形状不变,只是随着传播距离的增加,时间上增加延迟项。 dkdk 3129.4 波包的扩散 波包在介质中经过一段距离的传播,不同频率成分速度不同, 其宽度将会展宽,展宽为 ,则有 dkdk dkdk 为群速度色散32 29.4 负色散:表示脉冲频率分量中 高频区的群速度慢 低频区的群速度快 导致脉冲前沿集中了低频分量脉冲后沿集中了高频分量 Chirping形成所谓的正啁啾 redblue bluered 低频区的群速度小于高频区高频分量分布在脉冲前沿 由介质线性极化所决定的效应,无论是 还是 总是将脉冲在时间和空间上展宽。33 29.4 SPM 自相位调制 对于超短脉冲在介质中传播时 除了前面所提到属于三阶非 线性极化导致的空间自聚焦效应 折射率变化 光强在时间域的分布有关 不同的时间区域所对应由此直接导致超短光脉 的光程差 不同相位差 SPM称为自相应调制( 即光克尔效应导致的不仅在空间上导致自聚焦,而且在 时间上还改变了光脉冲的相位: 3429.4 chirpOkerr SPM chirp 由于光克尔效应,光脉冲不同部位由于光强不同,导致不同的频移,即啁啾 产生高频光子,蓝移。SPM 产生了正啁啾35 29.4 实际上,由引起的 是以消耗中心频率 的光子为代价, 产生出新频率的光子。 对于瞬态响应过程,脉冲前沿,出现低频 光子分布, 脉冲后沿,出现高频反 光子分布。 SPM增加了光脉冲的谱线宽度,传输过程中在能量恒定的条件 下,对脉冲前、后沿按光子频率低、高进行了分配, 造成了低 频分量的速度大于高频分量速度的效果。 SPM 由于谱线变宽,因此, 不展宽脉冲的时间宽度。 SPMSoliton 实际上, 也是光纤激光脉冲压缩和孤子 激光器的 基础。 36 29.4 GVD SPM GVDSPM GVDSPM CPA 对于的线性正啁啾,正色散 的情形,加上 效应后, 脉冲前、后沿将拓宽,光脉冲时间宽度增大,前、后沿变陡, 形成所谓的“方波自成形”,可用于啁啾脉冲放大( )技术。 SPMGVD 对于负色散的情形, 使高频分量向脉冲前沿部分移 动,低频分量向脉冲后沿部分移动,形成非线性的负啁啾效应, 正好与 的线性正啁啾过程相反,起到了脉冲压缩的作用。 SPM 由于激光介质对飞秒脉冲的正色散和 效应,主要表现为 正啁啾性质,因此为了获得压窄脉宽,必须引入负色散器件, 抵消正啁啾带来的脉冲展宽。 37 29.4 五、脉冲压缩器件 1、对正色散波段光脉冲的 压缩 光栅对 较长的光程,使短波 蓝光 短波 长波红光 超前,即“蓝前红后”,使光栅对成 为负色散元件, 可以抵消正色散介质对波包的展宽作用, 起到压缩脉冲的作用。 缺点:闪耀光栅损耗较大, 因此一般只能在腔外使用。 38 29.4 2、对正色散波段光脉冲的 压缩 棱镜对 尽管在透明区,单个棱镜玻璃是正常色散的,但是通过调整两个棱镜之间的距离和方位,可以调节折射光线的几何路径差, 使正啁啾脉冲的 经过 的时间长于,实现脉 分量宽压缩。 为最大程度地减少插入 损耗,两个棱镜的入射 面和出射面互相平行, 入射角和出射角为布儒 斯特角和最小偏向角。 采用两个棱镜互相补偿光线的 发散,使出射光束为平行光。 39 29.4 40 29.4 3、压缩脉宽的其他方法与装置包括: GiresTournis 干涉仪,其特点是通过改变光线的入射角及干涉仪的厚度来改变群速度和 的正负号。 10Chirped mirror 利用特殊设计的宽带低损耗,具有负色散系数的啁啾镜 能产生 飞秒以下超短光脉冲。 GVD 采用双通式光纤—光栅对装置,可增大 量,减少光栅 间隔,校正光束截面,还可以在光纤芯部刻蚀衍射光栅来 取代光栅对。 晶体中声光效应产生的相位光栅,也可作为光栅对的替代选择。 目前看来,为了进一步压缩脉宽,还必须采用具有光孤子 效应的器件装置。 41 29.5 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。 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。 fs 对于 脉冲,一般用来研究微观过程: 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。 42 29.5 高速电子测试: 高速电子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。 ps ps 现在最快的电子设备达到了 范围,那么飞秒激光可以很容易的产生亚 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: 13 cm用光强大于 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。 100 fs 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: 射线激光器来产生真空紫外和射线波段的相干短波辐射。 DNA 例如相干短波辐射可用来研究 的微观结构。 43 29.5 光通信: 100 fs 低传输损耗光纤具有可和 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。 WDM 另外,对于 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: OCT 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 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。 44 29.5 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常合 适的工具 80年代末泽维尔教授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。 45 29.5 化学分子在飞秒激光作用下的分离过程 46 29.5 飞秒激光典型应用激光受控核聚变 47 29.5 ICF神光装置的惯性约束聚变 靶场系统 48 29.5 飞秒激光典型应用微纳米加工 49 29.5 INTRALASE 美国 飞秒激光系统


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