第29讲 被动锁模及飞秒激光技术

飞秒激光超微细加工技术简介摘要：本文首先简单地介绍了飞秒激光和超微细加工技术飞秒激光加工技术的技术背景，然后较为详细地介绍了飞秒激光超微细加工技术及其特点与应用，结合飞秒激光超微细加工技术的特点将其与其它的微机械加工技术进行了比较，最后分析飞秒激光超微细加工技术的发展趋势和应用前景。

关键词：飞秒激光超微细加工技术飞秒激光超微细加工Femtosecond laser micro machining technology IntroductionAbstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology andfemtosecond laser micro machining technology, then a moredetailed description the femtosecond laser micro machiningtechnology and its features and applications, combined withthe femtosecond laser micro machining technology will becharacterized by with other micro-machining technology, thefinal analysis of the femtosecond laser micro machiningtechnology trends and application prospects.Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing0引言激光（Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写），意思是利用辐射受激得到的加强光，激光加工（Laser Beam Machining）就是把激光的方向性好和输出功率高的特性应用到材料的加工领域中去。

利用NALM结构的被动锁模掺铒光纤激光器的研究况庆强;桑明煌;聂义友;张祖兴;付贵阳【摘要】为了研究光纤中的非线性效应对锁模脉冲的影响,采用非线性放大环镜来实现被动锁模,在分析非线性放大环镜传输特性理论的基础上,对被动锁模掺铒光纤激光器进行了相关的实验研究.实验中观察到了重复频率为280.2MHz、中心波长是1556.235nm、线宽是0.4nm的稳定的锁模脉冲现象.研究结果对更深入地了解被动锁模产生现象、进一步开展后续研究具有极其重要的意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)006【总页数】4页(P631-634)【关键词】激光技术;被动锁模;非线性放大环镜;锁模脉冲【作者】况庆强;桑明煌;聂义友;张祖兴;付贵阳【作者单位】江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022;江西师范大学,物理与通信电子学院,南昌,330022【正文语种】中文【中图分类】TN242引言在光纤通信系统中，超短光脉冲光源性能的优劣直接影响着系统传输质量的好坏与容量的大小。

掺铒光纤激光器具有工作阈值低、输出脉宽窄、峰值功率高、脉冲质量好、与传输光纤可高效耦合实现全光通信等优点，在众多有潜力的光源中倍受研究人员的重视，迄今为止已经有了许多的研究方案。

主动的谐波锁模技术是光纤激光器里产生高重复频率短脉冲的一个非常有效的方法[1-4]，主动锁模光纤激光器因具有输出脉冲啁啾小、可调谐范围大、重复频率高等优点，被认为是一种极其重要的超短脉冲光源[5-6]。

这种短脉冲产生机制对未来的超高速光通信有很重要的意义。

主动锁模光纤激光器输出谐波脉冲的重复频率等于调制器的调制频率，因而在实际上会受到调制器的最大调制频率的影响，不能达到一个很大的脉冲重复频率。

激光锁模技术顾朝晖 宁波大学光电信息工程 116170013摘要：锁模是激光技术中的一个十分重要的组成部分。

调Q 技术，受原理上的限制，其激光器输出的激光脉冲的宽度在1~30115之间。

随着科学技术的发展，在遥测技术、高时间分辨率光谱学、非线性光学、光电子学、化学动力学以及受控核聚变等许多领域要求获得脉冲宽度更窄、峰值功率更高的激光脉冲。

这推动了超短光脉冲技术的研究，发展了激光锁模技术。

关键词：锁模技术，激光脉冲引言：世界上是在1964年底首先对He-Ne 激光器实现锁模并获得了91010~10--s 的光脉冲列。

此后，激光锁模的理论和方法不断推陈出新，相继出现了红宝石、YAG 、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，获得了ps(1210-)量级的窄脉冲。

八十年代初，Fork 等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级，这是至今在实验室利用其它手段尚不能实现的最短时标。

这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新的工具，并将开阔这些领域的新前景。

.1.激光锁模技术的原理自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，如图所示。

这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。

假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N 个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:那么激光器输出的光波电场是N 个纵模电场的和，即)()(q q t i q q e E t E ϕω+=)()(q q t i q q e E t E ϕω+=()()q q i t q qE t E e ωφ+=∑()()q q i t q q E t E e ωφ+=∑E q 、ωq 、φq 为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。

各个模式的振幅E q 、初位φq 均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。

假设有三个光波，频率分别为v 1 v 2 和 v 3，沿相同方向传播，并且有如下关系： ，在未锁定时，初相彼此无关。

飞秒激光技术1.激光器的基本原理激光器是20世纪60年代出现的一种新型光源。

激光具有四大特性：单色性好、方向性好、相干性好、能量集中。

1.1激光激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。

处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。

而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。

激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。

为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。

我们把这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。

也就是，要产生激光，必须实现粒子数反转分布。

1.2激光器的基本结构与工作原理粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。

因此，如图1所示，常用激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。

只有具有亚稳态的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。

因此，激活介质中必须存在一种特殊的能级——亚稳态能级。

如图2所示，在外界能源的激励下，基态E1上的粒子被抽运到激发态E3上，因而基态E1上的粒子数N1减少，由于激发态E3的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上，由于亚稳态E2寿命较长，其上就积累了大量粒子，N2不断增加。

291. 概述飞秒激光技术是随着锁模技术发展起来的，1965年人们首次利用被动锁模技术在红宝石激光器上直接产生了皮秒（ps=10－12s ）脉冲，随后1976年利用对撞锁模技术实现了0.3ps 激光输出，1981年美国贝尔实验室Fork. R.L.等首次利用对撞锁模原理获得了飞秒（fs=10－15s ）脉冲。

从此激光技术进入了飞秒时代。

但由于当时产生飞秒激光器的染料激光器结构复杂，所以其操作性差，并且实现小型化和应用化困难。

20世纪80年代出现了以掺钛蓝宝石（T i ：sapphire ）晶体为代表的多种性能的固体激光晶体（输出波长约为800n m ），为飞秒激光器的固体化、实用化奠定了基础。

到了20世纪80年代末期，开发出的钛宝石（增益介质）具有极佳的物理性原中国航空精密机械研究所 （北京 100076） 荣烈润新一代飞秒激光在超精细冷加工中的新应用投资限制。

据俄罗斯方统计，到2011年底中国对俄罗斯投资276.2亿美元，为俄罗斯第五大投资伙伴国。

从目前情况看，如果并购企业与国内企业生产同类产品、技术水平接近的，可以合理调整零部件生产分工，形成产业链，加大零部件生产批量，以降低成本，提高竞争力；或实行强强联合，优势互补，提升研发创新能力。

如并购企业产品制造技术先进的，要针对不同国家的有关规定，采取灵活有效措施，创造条件逐步将先进技术移植到国内企业生产的产品中，以此促进我囯企业产品结构的调整，加快转型升级。

6. 努力规避汇率风险中国人民银行宣布从2012年4月16日起，银行间即期外汇市场人民币兑美元交易价浮动幅度由0.5%扩大至1%，人民币步入双向浮动时代。

这就需要特别重视如何规避汇率风险。

当前主要采取包括锁定汇率和人民币结算等方式。

在锁定汇率方面，远期结售汇成为企业普遍采用的方法，客户与银行约定未来结汇或售汇的外汇币种、金额、期限及汇率，到期时按照该协议办理结售汇业务。

人民币结算已普遍推广，但当前的问题是推广不易，客户认为这是将风险转嫁到客户身上。

飞秒激光及其应用进展超短脉冲时代是从1960年代末1970年代初提出激光锁模技术时开始的，短短的20年后，出现了主动锁模，被动锁模，脉冲碰撞锁模（CPM），相加脉冲锁模等，锁模技术可以将脉冲缩短到皮秒是10-12秒甚至飞秒10-15秒。

在1980年代中期出现的自锁模技术和非线性啁啾脉冲放大技术，使我们真正进入了超短脉冲的时代。

利用这种技术可以产生一个高密度，高强度和高温高压领域是实验室天体物理在极端条件下，光与物质相互作用的极端物理条件，并提供了一个强大的高亮度X射线产生的重大科学研究手段。

此外，在第二十世纪90年代末，还发现飞秒激光的介质效应产生的长脉冲激光的独特性质有所不同，如区域、热效应小，空间选择性的作用，这些独特的性能，在许多领域有重要的应用价值，如微型光子器件的制造，医药，精细操作，三维度的光存储，纳米生物技术，纳米医学，这些应用已经引起了国内外的广泛关注。

飞秒激光其超短脉冲，超强峰值功率和高聚焦能力，因能够实现超精细和维微加工的特点获得了广泛关注和深入研究，所以飞秒激光技术发展迅速。

一、飞秒激光简介激光曾被人类视为神秘之光并已被广泛使用。

飞秒激光是近年来科学家们通过探究发现的更特殊的激光，简称FS是一种近红外光以脉冲形式运行，很短的时间，是衡量时间的标准尺度的长度。

1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即10-15秒。

飞秒激光有以下三个特点：1、利用飞秒激光获得的脉冲要比利用电子学方法获得的最短脉冲还短几千倍。

2、具有比目前全世界发电总功率还要多出百倍的瞬时功率，可达百万亿瓦。

3、空间区域可以集中到比头发的直径还要小，使周围的核力量的电场强度比其他电子还高几倍。

二、飞秒激光的发展历史飞秒激光的发展可分为四个阶段，目前已经历了前三个阶段正在进入第四个阶段。

60年代中后期的10-9～10-10s第一阶段是飞秒激光的早期阶段，其主要特点是建立锁模的理论和实验研究的各种各样的夹紧方法。

第二阶段是基于各种各样的锁模逐渐趋向于成熟的理论和方法为主要特征的70年代的10-11～10-12s，这个阶段皮秒（10-12）初步应用于化学和物理的领域。