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超短脉冲第六章

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超短脉冲技术

超短脉冲技术


，在一个周期内有2N个零值点，2N+1个极值点。
在t=0和t=2L/c时，A(t)取得极大值，此时A(t)=（2N+1)E0
在t=L/c时，A(t)取得极小值，此时N为偶数时，A(t)=E0，
N为奇数时，A(t)=-E0。 除了t=0，L/c及2L/c点之外，A(t)具有2N-1次极大值。 由于光强正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个 相邻主脉冲之间，共有2N个零点，并有2N-1个次极大值，称为次脉冲。
被动锁模
1 工作原理 由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的高 强度激光能使染料吸收饱和。图3.3—1示出了激光通过染料的透过率T随激光强度 I 的 变化情况。强信号的透过率较弱信号的为大，只有小部分为染料所吸收。强、弱信号 大致以染料的饱和光强 Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。 在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布基本上是均匀 的，但还有一些起伏。由于染料具有可饱和吸收的特性， 弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号则透过率 大，损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料和工作物质一次。其强弱信号的强 度相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大值与极小 。 值之差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分 能有效地通过，则使脉冲变窄。
Eq (t ) Eq cos(qt q )
式中 ωq和 φq 分别是第q个模式的角频率和初相位，
Eq——第q个纵模的电场振幅
多纵模自由振荡激光器的输出特点
• 各纵模的初相位φq 无确定 关系，完全独立随机。 • 相邻纵模之间的频率间隔 不严格相等。 • 输出光强呈现随机的无规 则起伏，平均光强是各纵模 光强之和。
超短脉冲技术要点

超短脉冲技术要点


qq
qq
I I t E2 t
E2 q
cos2
➢ 高带宽：光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级，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。
属于非相干叠加，没有干涉项，为非同步辐射。
对于无规则变化的光场，讨论其瞬时光强I t 意义
不大，一般讨论其平均光强。
§3.1概论
▪ 光场的平均光强
I t E t 2 N Eq cos q t • N Eq cos q t
qN
qN
Eq2 cos2 q t 2 Eq Eq cos q t cos q t
2、纵模间隔非严格相等。
q
q c 2Lq
q c 2L0nq
q
q1 q
c 2L0
q 1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
nq1
q
1
nq
m
3、各纵模初始相位随机分布，q1 q const.
以上三点互相关联，由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布，
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏，
激光原理与技术
超短脉冲技术
1
§3.1概论
由图中可知，光子封闭在L中，L为谐振腔的几何长度， 则光子的空间测不准量为x L。 光子在谐振腔中往返振荡，其动量测不准量为
第6章 脉冲波形的产生及其电路

第6章 脉冲波形的产生及其电路

翻转，电路仍维持在第二种稳态。
ui
G1 1
R
ui (V) 第六章 脉冲波形的产生和整形 G2 & uo 1.4 0.7 0 uo 0 (b) 工作波形 UT+ UT－ t
D
S
& G3
t
(a)
电路
（1）ui＝0 时，R ＝1， S ＝0，uo 为高电平，这是第一种稳态。
（ 2 ） u i 上升到 UD =0.7V 时， R ＝ 1 ， S ＝ 1 ， RS 触发器不翻转， u o 仍为 高电平，电路仍维持在第一种稳态。 （ 3 ） ui 继续上升到 UT+=UT=1.4 V 时， R ＝ 0， S ＝ 1， RS 触发器翻转 ， u o 为低电平，这是第二种稳态。电路翻转后 ui 再上升，电路状态不变。 （4）ui 上升到最大值后下降时，若 ui 下降到 UT， R ＝1。 S =1，RS 触发器不
（ 2 ） u i ＝ UD =0.7V 时， R ＝ 1 ， S ＝ 1 ， RS 触发 器不翻转， u o 仍为高 电 平，电路仍维持在第一种稳态。
ui
G1 1
R
ui (V) 第六章 脉冲波形的产生和整形 G2 & uo 1.4 0.7 0 uo 0 (b) 工作波形 UT+ UT－ t
D
S
& G3
第六章 脉冲波形的产生和整形
第六章 脉冲波形的产生和整形 2、工作原理
V ① 接通电源时， I 1 有微小的正跳变，则会形成正反馈。由
一个暂态转变到另一个暂态。 ② 当 VI 2 上升到G2的阈值电压，引起正反馈。电路进入另 一个暂态。 电路在两个暂稳态之间周而复始地相互转换， 电路在两个暂稳态之间周而复始地相互转换，便 形成多谐振荡。 形成多谐振荡。
超短脉冲技术

超短脉冲技术


E q ( t ) = E q c o s (ω q t + q )
q不是纵模序数
qc =νq 2L
而是腔内振荡纵模个数
①定义处于增益曲线中心频率的纵模q＝0，因此在腔内参与振 荡的模式个数共2N＋1个，
∵ ν q = c 2L ωq = 2π c 2L
∴ ωq = ω0 + qωq = ω0 + qω （各模间隔相同）
2L 1 t= 2N+1=5时，对于 tg ( ωt ) = 0 t=0 c 2 1 1 2L 2L tg[ (2 N + 1)ωt ] = 0 t = 0, 2 2N +1 c c 对于各极值点是否极大或极小，则用A”(t) 的值判定。 当A”(t) <0时，则A(t)在取得极大值。 当A”(t) >0时，则A(t)在取得极小值。 在0～ 2L/c周期内有2N+1个极值点，极值点在两零点之间 3 L 5 L L 2 N + 3 L 4N 1 L 2L t = 0, , , , 2N +1 c 2N +1 c c 2N +1 c 2N +1 c c
q q q q
c = ν 2L 2L
式中 ωq和 q分别是第q模的角频率和相位，Eq －第q模的电场振幅，q －激 光器内2N＋1个振荡模中第q个纵模数，而不是 qc νq = 纵模序数。 2L
π
1.激光器输出特性
①各振荡模的振幅和相位无规则分布
Eq ---中心频率处的振幅大，远离中心小，且它们之间变化
1 2L 2 2L 、 2N +1 c 2N +1 c
、
2L c
是一周期 t =
2 N 2L 2N +1 c
《超短脉冲技术》课件

《超短脉冲技术》课件


超短脉冲的波形控制
脉冲整形技术
通过改变脉冲的波形，实现脉冲能量的优化分配 ，提高脉冲的稳定性和可靠性。
脉冲压缩技术
通过光学元件的色散效应，将长脉冲压缩成短脉 冲，提高脉冲的峰值功率。
脉冲多路复用技术
将多个超短脉冲组合在一起，实现更高的输出功 率和更广泛的调谐范围。
超短脉冲的稳定性问题
1 2
模式跳变
激光雷达与测距
• 激光雷达与测距：超短脉冲激光雷达是一种高精度、高分辨率 的测距和定位技术。它利用超短脉冲的宽光谱和高重复频率特 性，能够实现高精度的距离和速度测量，被广泛应用于地形测 绘、无人驾驶、气象观测等领域。
原子分子光谱学研究
• 原子分子光谱学研究：超短脉冲 技术为原子分子光谱学研究提供 了新的手段。由于超短脉冲的宽 光谱特性和高峰值功率，它能够 产生瞬时的强光场，从而实现对 原子分子高分辨率和高灵敏度的 光谱测量。这种技术被广泛应用 于物理、化学和天文学等领域。
光纤损耗
光纤中的折射率不均匀、光纤弯曲和 杂质等都会引起光波散射，导致脉冲 能量损失。
空气损耗
超短脉冲在空气中传输时，会被空气 中的分子和气溶胶粒子吸收和散射， 造成能量损失。
04
超短脉冲的应用实例
超快光学成像
• 超快光学成像：超短脉冲技术被广泛应用于超快光学成像领 域。由于超短脉冲的极短持续时间和高峰值功率，它能够产 生瞬时的光场，从而在极短的时间内对物质进行高分辨率和 高灵敏度的成像。这种技术被广泛应用于生物医学、材料科 学和物理学等领域。
光纤放大
利用掺杂光纤作为增益介质，通过泵浦光激发电子-空穴对，实现 信号光的放大。
固态晶体放大
利用固态晶体中的非线性效应，实现信号光的放大。
超短脉冲激光技术-PPT

超短脉冲激光技术-PPT

2N+1个纵模锁模后得输出:
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
第6章激光器的工作特性课件

第6章激光器的工作特性课件

固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲 弛豫振荡现象：
固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑 的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。
光泵激励： 反转粒子数密度
受激辐射： 反转粒子数密度
增加 减少
——振荡带宽： 激光器小信号增益系数中大于 阈值增益系数的那部分曲线所 对应的频率范围。
起振模式数：
例 6-1 ：红宝石激光器腔长L=11.25cm，棒长
，折射
率 n=1.75 ，均匀加宽线宽
，激发参数
，求（1）满足阈值条件的振荡带宽；（2）起振纵模数。
6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式 1. 模式竞争
2. 激光器的振荡阈值
阈值增益系数：
增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持 稳定振荡
激光器的阈值反转粒子数密度： 阈值泵浦功率和能量： 3. 激光器的振荡模式 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 1 均匀加宽激光器的纵模竞争
空间烧孔引起多模振荡
2 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
6.4 连续激光器的输出功率
小信号增益系数
阈值增益系数
腔内光强增大：
增益系数
下降（增益饱和作用）
稳定工作状态
6.4.1 均匀加宽单模激光器
且增益系数不太大时： 腔内平均光强：
为介质长度； 为单程损耗； 激光器单纵模振荡。
——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀） 若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ， 则总平均单程损耗：
n2
Laser Radiation
Absorption
1E1
n1
n
阈值泵浦功率：
能级阈值粒子数密度
2. 短脉冲
激光器的阈值泵浦功率：
超短脉冲技术

超短脉冲技术

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。
§3.1概论
▪ 高斯分布锁模脉冲特性
设激光器纵模为高斯分布，中心频率0，q
0，振幅E0, FWHM
，
g
则有Eq2
E2 0
exp
2 g
2 q
ln 2
Eq
E0
exp
2 2g
q
2
ln
2，
则E t Eq exp i qt 0 Eq exp i 0 q t 0
以上三点互相关联，由于色散造成的 q
和
m
各纵模初始相位随机分布造成了 t 的随机分布，
最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏，
N
其平均光强I Iq ,为各纵模光强之和，属于非 q N
相干叠加，没有干涉项，为非同步辐射。锁模技术
要实现各纵模之间的同步。
§3.1概论
▪ 锁模原理
如果采用某种技术，使
§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。
第六章 光电发射与光阴级

第六章 光电发射与光阴级


金属的光电发射特性差
半 导 体
非间并的半导体在室温状态下，自由电子很少 自由电子散射几率显著下降。自由电子散射可以忽略不计 主要光电发射体都采用半导体材料
（b）晶格散射
半导体光电发射材料中比较主要的一种散射
晶体中晶格振动能量的改变是量子化的，改变量的大小为声子 当晶格振动对受激电子散射时，相互交换的是一个声子的能量 受激电子每经过一次晶格散射会损失0. 005~0.l eⅤ的能量，比 自由电子散射的损失要小得多 两次晶格散射之间受激电子的平均自由程也较长 受激电子可以迁移较长的距离而不损失过多的能量 迁移到表面后，受激电子仍能具有克服表面电子亲和势的能量
Wc Eg EA
光电逸出功
本征半导体在绝对零度时
本征半导体的能带图
的长波阈(红限)波长
光电发射体内电子可由小于阈值波长的光子 受激电子能否逸出表面主要取决于电子亲和势 激发成为灼热的电子，它经散射迁移到真空 hc
0
Eg E A
界面时，如具有克服电子亲和势正EA的能 量则可逸出表面，形成光电发射
u ( x) 0
4 0 J ( x) 9
2e u( x) m x2
3
2
连续工作状态下的光电发射极限电流密度关系式
五、光阴极面发射电子过渡过程 研究光阴极的电阻及等效电容的影响 阴极面电 像管的光阴极是半导体薄膜，具有较高的面电阻 光电发射 散焦、像差 位变化
当光阴极中心区接受瞬间强辐射而产生光电发射时，将失去大量的电子 由于光阴极的面电阻很高，在瞬间不能及时从电源补充上所失去的负电
透 入 射 光 射 式 光 阴 极 x 子 光 电
x截面处单位体积所吸收的光子速率 α：吸收系数
σ) ：光阴极厚度 dN( x N 0 (1 )e ( x)
第六章受激拉曼散射与受激布

第六章受激拉曼散射与受激布


相位共轭的应用
6
SBS用于相位共轭
休斯公司的Mangir等采用布里渊振荡级和 放大级量级组合，振荡级产生共轭种子信 号较弱但有优异的相位共轭保真度，放大 级可以将共轭信号放大并转换绝大部分的 泵浦能量（70％）。利用此装置，得到能 量为4.5J的1.05微米波长的输出，保真度优 于85％。
λ
4
获得优异近场保真度的SBS相位共轭输出
hν0
h(ν0 + Δν) h Δν
ANTI-STOKES Rayleigh
ν0
ν0 + Δν
1
1、受激散射的基本特性
背景：高强度激光产生，许多基于激光与物质相互作用的 受激过程被陆续发现。
2、受激散射主要特征：
高的输出强度：SRS及SBS的强度可以达到入射激光强度同样的 量级，甚至更高 应用：拉曼频移器（高压氢池） 好的方向性：前向或背向的受激散射输出的发散角与入射激光的 发散角有关，可以优于毫弧度，甚至达到衍射极限 高阶散射：受激散射中存在斯托克斯散射和反斯托克斯散射分别 低于或者高于入射激光的频率。增大入射激光强度，选取有大的 散射介面的介质或增加所用介质的长度，可以得到更高阶斯托克 斯散射和反斯托克斯的受激散射。 相位共轭特性：受激散射光场的相位特性（或波阵面特性）与入 射激光的相位特性（或波阵面特性）具有共轭关系。 应用：畸变补偿技术（在SBS过程特别突出）
SRS理论
前向受激拉曼散射是最重要和应用最广的一种SRS,入 射光场和激发的斯托克斯光场都沿正Z轴方向传播。 斯托克斯光场在介质中传播：I s = I sn [exp(gI l L) − 1]
SRS具有增益特性，SRS输出始于泵浦光场作用下从量子噪声。 周围环境中不存在真空，根据量子力学的测不准原理，在真空中 不断产生着虚实粒子对并互相湮灭。这些粒子的产生会造成噪音。 Isn为噪声输入分子的一个振动模具有的增益因子g～10－9cm/W, 当强度为109W/cm2的泵浦激光在介质中传输25cm后，可以得到 gIL=25,从泵浦光转换至斯托克斯光的转换效率为1％。人们将 gIL=25作为SRS产生的指数增益阈值。
超短脉冲激光技术(钱列加老师)

超短脉冲激光技术(钱列加老师)

5．6 (3)一．概述 (3)1．飞秒激光脉冲的特性 (3)2．飞秒脉冲的传输 (5)3．光束空间传输 (6)4．脉冲传输的数值模拟 (6)5．时空效应 (9)5.1自相位调制 (10)5.2相位调制对有限光束的影响——自聚焦 (11)二．飞秒光学 (13)1．简介 (13)2．色散元件 (13)2.1 膜层色散 (13)2.2 材料体色散 (13)2.3 角色散元件 (14)3．群速度色散的补偿及控制 (14)4．聚焦元件 (16)4.1 透镜的色差 (16)4.2 脉冲畸变与PTD效应 (16)三．飞秒激光器 (18)1．锁模简介 (18)2．克尔透镜锁模 (18)3．飞秒激光振荡器 (20)4．光纤孤子激光器 (21)四．飞秒脉冲的放大与压缩 (23)1．简介 (23)2．飞秒脉冲放大的困难 (25)3．啁啾脉冲放大技术 (26)4．CP A放大器的设计 (27)4.1 CP A激光系统的工作脉宽 (27)4.2 高增益的前置放大器 (27)4.3 装置的色散控制 (28)4.4 设计多程CP A放大器的理论模型 (31)五．脉冲整形 (34)1．脉冲整形 (34)2．飞秒光脉冲整形的物理基础 (34)(1)线性滤波 (34)(2)脉冲整形装置 (35)(3)脉冲整形的控制 (38)3．几种典型的空间光调制器 (39)(1)可编程液晶空间光调制器(LC SLM) (39)A．电寻址方式 (39)B．光寻址方式 (40)(2)声光调制器 (41)(3)变形镜 (41)4．脉冲压缩 (42)2.1 波导介质中的SPM (42)2.2 级联非线性压缩脉冲 (43)六．脉冲时间诊断技术 (45)1．强度相关 (45)(1) 多次平均测量 (45)(2) 单次工作方式 (47)(3) 三次相关法 (48)2．干涉相关 (49)3．脉冲振幅与位相的重建 (50)七．大口径高功率激光装置 (53)1．高能量的PW钛宝石/钕玻璃混合系统 (55)2．关键技术问题 (56)2.1 高阶色散 (57)2.2 光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 (57)2.3 非线性自位相调制SPM (58)2.4 自发辐射放大ASE (58)3．光参量啁啾脉冲放大(OPCPA) (58)3.1 大口径高能钕玻璃泵浦的OPCPA 系统 (62)3.2 小口径低能量高重复率OPCPA 系统 (63)4．展望 (64)4.1 峰值功率的理论极限 (64)4.2 光学元件的限制 (65)4.3 非线性B积分的限制 (65)5．6一． 概述1． 飞秒激光脉冲的特性飞秒（15110fs s −=）激光最早出现于70年代初。

超短脉冲激光及其应用方案


人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
超短脉冲激光及其应用
报告大纲
1）超短脉冲激光及其特点； 2）超短脉冲激光产生及其放大技术简介； 3）超短脉冲激光应用； 4）今后的发展趋势。
一、超短脉冲激光及其特点
什么叫超短脉冲激光？
一般指时间宽度小于10-12秒的激光脉冲。
10-12秒~皮秒；10-15秒~飞秒；10-18秒~阿秒

一般超短激光脉冲：~5飞秒~几百飞秒。
金属纳米颗粒加工
金属纳米颗粒加工：与其它激光脉冲相比，飞秒激光改变的 金属颗粒尺寸大小和特定形状。
复杂的微结构加工
长10m高7m立体公牛图
微小蜘蛛和恐龙模型
飞秒激光微加工技术在一些特殊领域具有广阔的应用：
钻孔、切割高热导性、高熔点金属 (如铼、钛等)和高硬度金刚石。 安全切割一些高爆危险物品如：LX-16、TNT、PETN、PBx等， 避免了长脉冲激光线性吸收、能量转移和扩散等的影响，断面处没 有炸药熔化和反应的痕迹。但在研究切割雷管时，没有热效应，能 够安全切割。 利用飞秒激光观测分析物理化学反应本质，有望控制核聚变，以 获得可控的无污染核聚变能源。 将光频与波频联系起来的飞秒光梳技术，为更精确的频率机构一
①耗能低，无热熔区，“冷”加工； ②可加工的材料：从金属到非金属再到生物细胞组织； ③不会出现加工面的熔融、裂缝现象。高精度、高质量、高 分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限； ④非接触，无飞溅无熔渣、无污染、不需特殊的气体环境和 无后续工艺。

超短脉冲 论文 PPT


四、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。
二、 超短激光脉冲的现状
固体激光器直接产生的脉冲宽度已缩小到了5fs。经过压缩的最短脉冲为4fs。经过放大、压缩,人 们已经得到了输出脉宽5fs,单脉冲能量5nj,重复频率1MHz和脉宽5fs,单脉冲能量0.5mj,重复频率 1KHz的超短脉冲激光。 出现了用半导体激光器(LD)泵浦的全固体化的飞秒激光器,使飞秒激光器体积更小、工作更稳定、 寿命更长、使用更方便。 开发了多种激光介质和放大介质,除Ti:Sapphire外,尚有Cr3+:LiSAF, Cr3+: LiCAF,Cr4+:YAG,Nd:YVO4等;发展了宽调谐的飞秒OPO及OPA,拓宽了飞秒激光的波长可调谐范围。目 前OPO的频率已可覆盖178nm-20μ m,而OPA则可以做到6.3fs、5J,波长550nm-700nm;4fs、1J,波长 900nm-1300nm。 出现了全光纤的超短脉冲激光器。 发展了单次或重复频率10Hz的桌上型TW (1TW=1012W )级固体飞秒激光器,取代了原来体积庞大、价 格昂贵、投资高出数十倍的高功率飞秒激光系统。这类系统的峰值功率已达100TW以上,可以提供 1020W /cm2的功率密度,为开展强场物理研究创造了条件。目前已经利用25fs的高功率激光脉冲在 氦气中实现了221次的高次谐波,从而获得了相干的可调谐的已进入水窗范围的X射线。

【WO2019202145A1】超短脉冲的产生方法【专利】

E((51)Classification internationale des brevets:[FR/FR];2avenue Augustin Fresnel,91120PALAISEAUH01S3/00(2006.01)G02F1/355(2006.01)(FR)CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE G02F1/35(2006.01)SCIENTIFIQUE(CNRS)[FR/FR];3rue Michel Ange,75016PARIS(FR).UNIVERSITE PARIS SUD[FR/FR](21)Numéro de la demande internationale:PCT/EP2019/060227;Siège et Présidence,15rue Georges Clémenceau,Bât.300, 91400ORSAY(FR).(22)Date de dépôt international:(72)Inventeurs:PAPADOPOULOS,Dimitrios;49rue de19avril2019(19.04.2019)Chatenay,Bat.Gascogne,Esc.2,92160ANTONY(FR).(25)Langue de dépôt:français DELEN,Xavier;5allée de l'Ile Verte,92160ANTO¬NY(FR).DRUON,Frédéric;40boulevard de la terrasse, (26)Langue de publication:français91400ORSAY(FR).(30)Données relativesàla priorité:(74)Mandataire:TANTY,François;CABINET NONY,11185351920avril2018(20.04.2018)FR rue Saint-Georges,75009PARIS(FR).(71)Déposants:ECOLE POLYTECHNIQUE[FR/FR];(81)États désignés(sauf indication contraire,pour tout titre deRoute de Saclay,91120PALAISEAU(FR).INSTI¬protection nationale disponible):AE,AG,AL,AM,AO,TUT D'OPTIQUE GRADUATE SCHOOL(IOGS)AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA, (54)Title:METHOD FOR GENERATING ULTRASHORT PULSES(54)Titre:PROCEDE DE GENERATION D'IMPULSIONS ULTRACOURTES(57)Abstract:A method for generating ultrashort puises(20),wherein:-a master beam(17)having ultrashort puises(14)and at least one slave beam(18)are directed through an optical gâte material(11),the intensity of the slave beam(18)upstream of the optical gâte material(11)being lower than that of the master beam(17)upstream of the optical gâte material(11),the optical gâte material(11)and the puises(14)of the master beam(17)being selected so as to induce a Kerr effect when the optical gâte material(11)is traversed by the master beam(17),the Kerr effect producing a modulation of the phase of the slave beam(18)in association with the puises(14) of the master beam(17)when the optical gâte material(11)is traversed by the slave beam(18);and-the modulation of the phase of the slave beam(18)is converted into a modulation of the amplitude thereof using an additional optical device,so as to generate a slave beam(18)downstream of the optical gâte material(11)having ultrashort puises(20).(57)Abrégé:Procédéde génération d'impulsions(20)ultracourtes,dans lequel:-on dirigeàtravers un matériau de porte optique (11)un faisceau maître(17)présentant des impulsions(14)ultracourtes et au moins un faisceau esclave(18),l'intensitédu faisceau esclave(18)en amont du matériau de porte optique(11)étant plus faible que celle du faisceau maître(17)en amont du matériau de porte optique(11),le matériau de porte optique(11)et les impulsions(14)du faisceau maître(17)étant choisis de telle sorteàinduire un effet Kerr lors de la traversée du matériau de porte optique(11)par le faisceau maître(17),l'effet Kerr produisant une modulation de la phase du faisceau esclave(18)en lien avec les impulsions(14)du faisceau maître(17)lors de la traversée du matériau de porte[Suite sur la page suivante]W O2019/202145A l||||||||||||||||||||||CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,Π,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VC,VN,ZA,ZM,ZW.(84)États désignés(sauf indication contraire,pour tout titre deprotection régionale disponible):ARIPO(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),eurasien(AM,A Z,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),européen(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OAPI(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG).Publiée:—avec rapport de recherche internationale(Art.21(3))optique(11)par le faisceau esclave(18),et-on transforme la modulation de la phase du faisceau esclave(18)en une modulation de l'amplitude de celui-ciàl'aide d'un dispositif optique complémentaire,de façonàgénérer un faisceau esclave(18)en aval du matériau de porte optique(11)présentant des impulsions(20)ultracourtes.。

超短脉冲的产生

激光眼科手术
超短脉冲激光具有极高的精度和可控性，可以用 于治疗眼科疾病，例如近视矫正手术和眼底病变 治疗。
光动力疗法（PDT） 利用光敏剂和超短脉冲激光，PDT可以在肿瘤组 织中产生有毒的活性氧，从而杀死肿瘤细胞。
06
结论与展望
研究成果总结
成功研制出超短脉冲激光器，实 现了高重复频率、高功率的脉冲
物质检测
医学成像
超短脉冲激光能够瞬时加热或产生等离子 体，可用于材料分析、化学反应监测等领 域。
超短脉冲激光可以用于医学成像，如光学相 干断层扫描（OCT）等，能够实现高分辨率、 无创的医学诊断。
03
超短脉冲的产生方法
固体激光器产生超短脉冲
固体激光器产生超短脉冲的原理是利用高速开关晶体或声光调制器对连续激光进 行调制，产生脉冲宽度较窄的激光输出。这种方法的优点是输出功率高，稳定性 好，但需要较大的腔体和较高的工作温度。
超短脉冲的光谱范围很宽，覆盖了 从紫外到红外等多个波段，这使得 它在光谱分析和物质检测等领域具 有广泛的应用。
超短脉冲的应用领域
激光雷达
光学通信
超短脉冲激光雷达利用高重复频率的超短 脉冲激光器作为发射源，可实现高精度、 高分辨率的远程探测和测量。
超短脉冲在光纤通信中具有重要作用，它 可以实现高速、大容量的数据传输。
VS
气体激光器产生超短脉冲的典型应用 包括高能物理、等离子体诊断和光谱 学等领域。
光纤激光器产生超短脉冲
光纤激光器产生超短脉冲的原理是利用光纤中的光子回声效 应或色散效应，将连续激光转换为脉冲宽度较窄的激光输出 。这种方法的优点是结构紧凑，易于调节，但需要精确控制 光纤长度和折射率。
光纤激光器产生超短脉冲的典型应用包括光通信、光谱学、 生物医学和光子成像等领域。

激光技术第五讲PPT课件


第一节 锁模基本原理
超短脉冲激光的脉宽在ps到fs量级，通过锁模技术产生，是对微观 世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，并在激光加工领 域有重要应用。
6.1.1 多模激光器的输出特性
先讨论未经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。对腔长为L
的激光器，其纵模的频率间隔为
q
q1
q
c 2L
自由运转激光器的输出一般包含若干
作业：用MATLAB画出A(t)和A2(t)，取N=3，E0=1，L=100mm。 两个主脉冲的间隔恰好是一个光脉冲在腔内往返一周的时间，所 以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。
At
E0
sin
1 2
2
1
sin
1 2
t
t
次脉冲
主脉冲
多个纵模锁模的结果，出现了下列有意义的现象：
2cos N (t )
和
cos cos 2
cos
sin
1 2
c
os
1 2
sin 1
1
2
t
则
cos(t ) cos[2(t )]
sin[ 1 N ( t )] cos[ 1 ( N 1)( t )]
cos[N (t )] 2
2
sin[1 (t )]
利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模，损耗调制的频率 为c/2L，调制周期正好是光脉冲在腔内来回一周的时间。将调制 器放在腔的一端。
6.1.3 锁模的方法
除了锁纵模以外，还可以锁横模，或纵横模同时锁定。但锁纵模 是主流，本章主要讨论以下几种锁模方式
1. 主动锁模 周期性调制谐振腔的参量，当选择的调制频率与纵模间隔相等 时，所有的模达到同步，形成锁模系列脉冲。
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1. 优点：
1) 高效率： 小信号能量放大倍数可达106至107；几十pJ到几 nJ的种子脉冲放大到几mJ至数十mJ。
2) 高光束质量：再生放大器本身模式可以调到标准的TEM00模。 如果入射的种子脉冲的模式与再生放大器的腔模相吻合, 则输 出脉冲的模式也可以是很好的TEM00模。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 2. 四分之一波电压再生放大器：
TFP（薄膜偏振片）:只对 某一方向的偏振光反射,对 另一方向的偏振光透射.
PC（Pockels Cell普克尔 盒）：加四分之一波长电 压以后作用相当于四分之 一波片。
再生放大器谐振腔1: 高重复频率低能量型
四分之一波片:偏振光一次 通过变成圆偏振，两次通 过改变偏振方向。
再生放大器谐振腔1: 高重复频率低能量型
PC放在腔的一端, 要求电压的 上升沿几乎等于整个腔内往复 时间。假定腔长仍为1.5-m, 此 时要求电压的上升沿为<8-ns。 电压也只需半波电压的一半。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 3. 半波电压再生放大器
PC加半波电压, 即普克 尔盒变为半波片。
6.2.1 自相位调制
6.2.2 自聚焦
由于非线性非谐振折射率造 成的频率变化是
(t) kn2
z I(t, z' )dz' 0 t
非谐振折射率变化总是在频 率中心导致“上啁啾”。
自聚焦长度定义
LSF (t )
0.5 0
P(t) / Pcr 1
光的能量在钛宝石激光器中达 到饱和时, LSF 只有几cm。
Advantages: eliminate nonlinear self-
focusing
Hale Waihona Puke improve amplification
quality and
t
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器（Regenerative Amplifier, Regen）
Faraday rotator
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 2. 四分之一波电压再生放大器：
放大过程：（1）垂直偏振的种 子 经过两次四分之一波片变成
水平偏振。（2）被反射回来的 脉冲第二次通过普克尔盒的瞬 间, 普克尔盒施加于四分之一波 长电压 ，则返回的脉冲偏振方
向仍为水平偏振。 （3）反复 经过放大介质能量达到最大值, 将脉冲倒出腔。
显示输出波形对输入波形的依赖关系。 a. 高斯波形。b. 双曲正割波形。c. 含有尾部 的非对称高斯波形.虚线对应于入射脉冲。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.1 放大器中的脉冲成型
6.1.2 增益窄化
被放大的脉冲的频谱宽度超过一 定限度, 或者说达到与增益饱和 带宽相比拟时，放大后的脉冲带 宽是否保持得住原来的带宽？
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3 啁啾脉冲放大器
Short pulse oscillator
t
Dispersive delay line
G. Mourou and coworkers 1985
CPA is THE big development.
Chirped-pulse amplification in-
t
Solid state amplifier(s)
volves stretching the
pulse before amplifying it,
and then compressing it later. t
We can stretch the pulse by a factor of 10,000, amplify it, and then recompress it! Pulse compressor
答案：不同的光谱分量得到不同 的增益。因为每种增益介质都有 有限的带宽,放大就必然伴随一个 光谱窄化过程。
应用可编程声光色散滤波器对种 子脉冲整形补偿增益窄化。物理 学报 2005, 54(6):2764
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.2 放大器中非线性折射率的影响
强脉冲在传播和放大过程中会引起折射率的变化。因此脉冲中 各频谱分量通过介质的长度会不一样,导致可能的自相位调制 和自透镜效应
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.1 放大器中的脉冲成型
6.1.1 增益介质的饱和
增益介质的饱和影响依赖于时
间的放大系数。随着增益的饱 和, 产生相位调制。相位调制不 直接改变脉冲的包络, 但改变脉 冲在介质中的传播过程。
饱和作用有利于产生比较陡的 脉冲前沿，脉冲中心向前移动。 放大后脉冲的两翼对输入脉冲 波形非常敏感。如果要减少脉 冲的放大中的脉冲展宽或者获 得更窄的脉冲，输入脉冲波形 最好前沿陡一些。。
Two regens.
Pockels cell thin-film polarizer
The design in (a) is often used for kHzrepetition-rate amplifiers and the lower (b) at a 10-20-Hz repetition rate.
The Ti:sapphire rod is usually ~20-mm long and doped for 90% absorption.
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器
再生放大器是把种子脉冲吸入放大器腔内,待种子脉冲在腔内 多次往复被放大到最大能量时,再将脉冲倒出腔外。再生放大 器本身也是一个调Q脉冲激光器。
再生放大器谐振腔1: 高重复频率低能量型 有两个出入口, 可以把入射光和出射光分开
脉冲的入射与出射完全 取决于施加于普克尔盒 电压的时间。电压的上 升沿至少要小于半个腔 内往复时间, 如果PC是 放在腔的正中的话。假 设腔长为1.5m, 腔内往 复时间就是10ns, 因此 要求电压的上升沿为 <5ns。
第六章 飞秒激光脉冲放大及特性测量
6.3.1 再生放大器 4. 脉冲在再生放大器腔内的演化
(a)脉冲在再生放大器中的演变；(b)当脉冲在腔内达到最大值时，将脉 冲导出腔外。(c)单脉冲输出。探测器为Diode。 种子脉冲能量2nJ, 100fs,脉冲经过腔内15个循环放大达到饱和，放大后 的脉冲能量为每脉冲1mJ。