第3章 超短脉冲技术1
超短脉冲激光精密时—频域控制
超短脉冲激光精密时—频域控制 【摘要】：超短脉冲激光技术提供了高时间分辨率,高频率精度的测量手段,极大的提高了人类探索自然界规律的能力,成为探索、揭示微观世界规律的前沿科学与高新技术的基点和关键。本论文主要围绕超短脉冲激光的时-频域精密控制开展研究工作。在激光时域控制上,探索了锁模超短脉冲激光器的原理与结构,研制了超短脉冲飞秒光纤激光器,获得了超短脉冲激光源,为精密时-频域控制提供了种子源。在时域同步控制上,探索了基于非线性交叉相位调制的超短脉冲全光同步技术,完成了谐波锁模激光,多波长锁模激光,纳秒方波锁模激光与超短脉冲激光之间的同步,并研究了同步锁模超短脉冲激光应用于单光子频率上转换探测实验的相关问题。在激光频域控制上,研制了50W平均输出功率载波包络偏移频率稳定的超短脉冲激光系统,为紫外光学频率梳的产生奠定了基础。本学位论文的主要成果包括：1.时域上,超短脉冲激光产生是开展精密时-频域控制的基础。基于激光锁模原理,首先完成了超短飞秒脉冲光纤激光器的研制工作。1)利用光纤内的非线性偏振旋转效应,完成了超短脉冲锁模掺铒光纤激光器的研制。当腔内的色散为负值时,激光腔内的脉冲光以孤子波方式运转,脉冲的峰值功率被限制,脉冲宽度较宽。当引入色散管理手段后,通过展宽脉冲锁模方式,获得了宽度为92fs的超短脉冲激光输出。2)完成了非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器的研制工作,提出了在腔内插入掺铒光纤方式提供附加饱和吸收的方案,有效的抑制了激光腔内的脉冲分
裂,得到了41fs单脉冲运转的超短脉冲激光输出。2.当不同波长的两束激光在同一光纤内传输时,由于交叉相位调制作用,一束光会使另一束光的非线性折射率发生变化,导致非线性偏振旋转。在此现象基础上,开展了时域上脉冲激光的精密同步工作。1)利用主-从模式的腔结构,完成了谐波锁模的掺铒光纤激光器与锁模Yb:GSO激光器的同步。同步激光器腔长失匹长度达14mm,有效的抑制了外界扰动对同步系统的干扰。并且在腔长失匹较大的情况下,脉冲呈现堆积展宽现象。利用该现象可应用于超短脉冲整形,光参量啁啾脉冲放大等领域的工作。2)利用部分光谱放大和交叉相位调制技术完成了800nm,1030nm,1550nm三波段飞秒超短脉冲激光同步。800nm,1030nm脉冲之间的时间抖动为0.55fs,1030nm,1550nm脉冲之间的抖动为8.3fs。3)利用长腔激光器中的峰值功率钳位效应,获得了脉冲宽度为5.5ns的方波脉冲锁模掺铒光纤激光器。并利用交叉相位调制技术,以全光方式实现其与超短脉冲锁模掺镱光纤激光器的同步。同步激光器腔长最大失匹为2.6mm,脉冲之间的时间抖动为4.3ps。 4)利用同步超短脉冲锁模掺铒、掺镱光纤激光器,完成了高速脉冲泵浦方式的单光子频率上转换探测实验,单光子转换效率达31.2%。3.在精密频域控制上,开展了高功率、高重复频率超短脉冲激光的载波包络偏移频率稳定工作。通过双包层光子晶体光纤放大技术,获得了50W 平均功率输出的超短脉冲激光。利用交叉参考的拍频方式,完成了超短脉冲的载波包络偏移频率探测,并通过锁相环电子反馈电路,实现了偏移频率的精密锁定。锁定后的开环偏移频率线宽为 2.27mHz,脉冲
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)
激光原理周炳坤
填空 1.线宽极限：这种线宽是由于自发辐射的存在而产生的,因而是无法排除的 2.频率牵引：在有源腔中，由于增益物质的色散，使纵模频率比无源腔纵模频 率更靠近中心频率的现象 3.按照被放大光信号的脉宽及工作物质驰豫时间的相对大小，激光放大器分为 三类：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器。 此时由于光信号与工作物质相互作用时间足够长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充，因此反转集居数及腔内光子数密度可以到达稳态数值而不随时间变化，可以用稳态方法研究放大过程。这类放大器称为连续激光放大器；因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运补充，反转集居数和光子数在很短的相互作用期间内达不到稳定状态。这类激光放大器必须用非稳态方法研究，称为脉冲激光放大器；当输入信号是锁模激光器所产生的脉宽为(10 -11~10-15 )s 的超短脉冲时，称为超短脉冲激光放大器 4. 这是由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时，前沿引起的受激辐射以使反转集居数降低，所以后沿只能得到较小的增益，结果是输出脉冲形状发生畸变，矩形脉冲变成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄 5. ，工作物质可处于三种状态:①弱激发状态：激励较弱，△n<0，工作物质中只存在着自发辐射荧光，并且工作物质对荧光有吸收作用。②反转激发状态：激励较强。0<△n<△n t,0
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率 在微加工领域，短脉冲、尤其是超短脉冲激光器正在取代传统的加工方法。对于超短脉冲激光器，得益于其冷烧蚀特性，因此其对所要加工的材料几乎没有任何限制。 在冷烧蚀过程中，材料的去除本质上只能通过化学键断裂来实现，因此其产生的热影响仅限于几微米的区域，并且相应的变形也最小。不幸的是，超短脉冲激光器的烧蚀速率仍然非常低，进而限制了其在工业领域的广泛应用。 金属材料的烧蚀阈值在0.2J/cm2的范围内，而玻璃和陶瓷的烧蚀阈值则在几个J/cm2的范围内。为了提高去除速率，可以使用具有较大聚焦口径的高脉冲能量，以在更大的区域内工作。在诸如玻璃或聚合物等透明材料加工应用中，可通过非线性效应（如多光子过程）来提高去除速率。此外，也可以提高重复频率。重复频率可以从100kHz到几兆赫兹，目前正在进行重复频率超过10MHz的研究。 FIGURE 1. 德国3D-Micromac公司举办的“ISL 2010激光微加工国际研讨会”现场 尽管传统的光纤激光器已经在工业环境中植根多年，但是飞秒光纤激光器在市场上仍然属于新事物。德国耶拿大学的Jens Limpert博士使用的超快光纤激光器，平均功率接近1kW，峰值功率在GW量级，重复频率在kHz到MHz的范围内。虽然超快光纤激光器已经能够达到上述较高的性能，但是其仍然具有很大的发展潜力。 除了单脉冲之外，另一种提高烧蚀速度的方式是采用所谓的脉冲猝发（burst）。以50MHz的脉冲序列为例，重复频率为500kHz的脉冲被提取出来并被放大。
“烧蚀效果与脉冲能量成对数关系。通过这种方式，可以将相同的总能量分配到几个脉冲中，然后通过脉冲叠加来达到更高的去除量。”Lumera Laser公司的Dirk Müller介绍说。实验已经证明5~10个脉冲的脉冲猝发是有效的，并且约为20ns的脉冲间隔也已被证明是有效的。然而，最终获得的去除质量在很大程度上依赖于所要处理的材料。 微结构的高效生产 在微加工领域享有盛名的方法包括EDM（放电加工）、微模压加工和光刻技术。EDM只适用于导电材料，并且速度缓慢；冲压模的制造成本较高；而光刻则需要高精密掩模，并且后续的刻蚀过程还对环境有很大的污染。相比之下，激光冷烧蚀加工不但能够实现与上述方法类似的加工精度，而且更具成本效益，同时也非常环保。最精细结构的冲压使得金属板材的加工更加容易，金属板材结构由模压辊制成。德国夫琅和费激光技术研究所（Fraunhofer-ILT）已经利用功率为100W、重复频率为3MHz 的皮秒激光器，获得了最佳的精细结构加工效果。 “在整个激光微加工过程中，CAD数据得到了精确的再现，没有熔化物飞溅以及其他废弃物，并且表面粗糙度小于0.5μm。”Fraun hofer-ILT烧蚀与焊接部门主管Arnold Gillner博士说（见图2和图3）。为了获得更好的加工效果，脉冲之间必须有10％~15％的重合，两条脉冲的刻线间则必须有10％的重合。 图2：由超快脉冲激光器加工的一个工具的局部图
超短光脉冲能量计
超短光脉冲能量计 一、任务 利用单片机数据采集和处理，设计制作一台超短光脉冲能量计，能实时测量可见光波段、持续时间在微秒及纳秒量级的超短光脉冲能量。 二、要求 1．基本要求 （1）自制一个闪光灯，闪光频率约每分钟10-60次左右(可调)； （2）掌握光电转换的基本原理与技术，用光敏元件将光脉冲信号转换成电脉冲信号； （3）通过A/D转换，对上述电脉冲进行峰值保持与采样，用单片机采集并显示能量数据； （4）不需要定标，只要做到相对测量即可。 2．发挥部分 （1）采用多路采样，能同时测量多路（例如四路）超短光脉冲能量。 （2）能测量的脉冲宽度达到皮秒（10 12秒）量级。 三、评分标准 设计报告 项目主要内容分数系统方案方案描述 15 电路与程序设计电路设计 电路仿真 10 测试方案与测试结果测试方案及测试条件 测试结果完整性 测试结果分析 12
设计报告结构及规范性 摘要 设计报告正文的结构 图表的规范性 8 总分 40 基本 要求 实际自己制作完成情况 50 发挥 部分 （1） 15 （2） 10 特色与创新 5 总分 30 激光谐振腔的设计及调节 一：简介 1988年Maker 提出的三镜折叠腔成了LD 泵浦固体激光器广泛采用的一种腔型[2]，结构如图1所示。固体激光介质一端切成平面，镀双色膜，形成一个腔镜M 1，另一端切成布氏角，凹面镜M 2以一定的倾斜角θ放置，用以补偿由布氏面引入的像散，M 3为输出耦合平面镜。利用这种腔型，端面泵浦可获得较高的泵浦效率，且消除了腔内的任何标准具效应。短臂（M 1到M 2）内特别是晶体内可获得很好的紧聚集，长臂（M 2到M 3）内适合放置各种锁模和调Q 元件。 图1 典型的三镜折叠腔 倾斜的凹面镜和布氏角切割的晶体都会引入像散，在实际的激光腔设计中，元件的像散是必须考虑的因素。 二、设计部分任务 对LD 泵浦Cr: LiSAF 激光器的光腔进行设计。Cr:LiSAF 晶体长d =3mm ，折射率n =1.41，一端布儒斯特角切割，凹面镜曲率半径R =100mm ，激光波长 λ=850nm 。设计时要考虑平行光斜入射凹面镜时沿子午面和沿弧矢面传播光束的 θ Pump M 3 M 2 d 1 d 2 d M 1
种子注入的短脉冲激光器特性研究
第16卷 第6期强激光与粒子束Vol.16,No.6 2004年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2004 文章编号:100124322(2004)0620712205 种子注入的短脉冲激光器特性研究Ξ 赵 卫1, 王 涛1, 朱少岚1, 杨延龙1, 朱宝亮2, 王屹山1, 陈国夫1, 程 昭1, 刘 丽2 (1.中国科学院西安光学精密机械研究所,瞬态光学技术国家重点实验室,陕西西安710068; 2.北京理工大学光电技术系,北京100081) 摘 要: 从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,设计了一种微型二极管泵浦激光器,并对种子激光 器的结构和参数进行了优化。该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,光2光转化效率为1714%, 斜率效率可达24%,输出功率可达80mW。将此种子激光注入到调Q激光器中,改善了调Q激光器的输出特 性,使得激光脉冲的建立时间缩短了40ns,输出的横模场分布得到了明显改善。 关键词: 种子注入; 调Q激光器; 微型激光器 中图分类号:TN242 文献标识码:A 高功率、高质量光束的短脉冲激光光源在相干检测、激光雷达、光化学、光诱导以及等离子体物理等方面有许多应用。普通高功率激光器,由于激光增益较高而产生的多模(横模、纵模)振荡,空间烧孔效应,热致透镜效应和双折射效应,都会不同程度降低输出光束质量[1]。注入锁定技术是获得高质量、高功率激光输出的一种简单有效的方法[2～7],可以有效地控制激光的时间特性、空间特性和方向性等。在该技术中,性能优良的种子激光是实现注入锁定的关键因素之一[8]。由于LD泵浦薄片激光器可获得很好的基横模分布,且体积小,结构紧凑,总体转换效率高[9～11],因而我们选用了LD泵浦薄片激光器作为种子激光器,并对这种种子注入的短脉冲激光器进行了优化设计和实验研究。 1 系统构成及实验研究 实验系统主要由四部分组成,即种子激光器、耦合系统、功率振荡器和测量装置,如图1所示。 Fig.1 Experiment scheme of seed injection 图1 种子激光注入实验光路图 1.1 种子激光器的输出特性 实验中Nd:YVO4晶体与凹面镜放置在同一个调整架上,与激光二极管固定在同一个平台上。通过调节凹面镜的中心位置和俯仰角来改变激光空间模式特性,由此获得基横模输出。旋转Nd:YVO4晶体,种子激光输出将发生变化。在某个位置,最大输出功率可达80mW,由晶体性质可以确定为π偏振光。将LD温度设定在 Ξ收稿日期:2003203225; 修订日期:2003212204 基金项目:国家自然科学基金资助课题(60078004) 作者简介:赵 卫(1963—),男,研究员,主要从事超快光学技术研究;西安市80号信箱25分箱。
7等束腰超短啁啾脉冲高斯光束在自由空间的传输特性
啁啾脉冲高斯光束在自由空间的传输* 邹其徽, 吕百达 ( 四川大学激光物理与化学研究所四川成都 610064 ) 摘要基于瑞利衍射积分，使用复解析信号法推导出了啁啾脉冲高斯光束在自由空间中的传输方程及其傅里叶谱，给出了远场的光场和空间光强的解析式，研究了啁啾参数C对脉冲光束传输的影响。结果表明，当啁啾参数C较小时，随啁啾参数增加，其轴上光谱蓝移增加C2倍，其轴上谱线宽度增加(1+C2)1/2倍。随衍射角增大，轴外光谱红移比无啁啾参数时快。脉冲宽度较小时，啁啾参数增大，轴上光强增大，横向光强分布越集中于传输轴附近；脉冲宽度较大时，啁啾参数增大对横向光强的影响减小。啁啾参数的正负号不影响横向光强分布和光谱分布。 关键词激光光学；超短脉冲高斯光束；啁啾；复解析信号 中图分类号O435 文献标识码 A Propagation of ultrashort chirped pulsed Gaussian beams in free space Qihui Zou, Baida Lü （Institute of Laser Physics & Chemistry, Sichuan University, Chengdu 610064, China） Abstract Based on the Rayleigh diffraction integral and complex analytical signal representation, the free-space propagation equation and its Fourier spectrum for ultrashort chirped pulsed Gaussian beams are derived, and the far-field analytical electric field and spatial intensity are presented. The effects of chirp parameter on the spatiotemporal and spectral properties are illustrated with analytical formulas and numerical calculation results. It is found that if the chirp parameter C is relatively small, the on-axis spectral blueshifts increase by C2 times, the on-axis spectral bandwidth increases by (1+C2)1/2times, and the off-axis spectral redshifts also increase considerably. On-axis intensity increases with increasing chirp parameter for relatively small values of the pulse duration. The transversal intensity distribution remains nearly unchanged with increasing chirp parameter for relatively large values of the pulse duration. The sign of chirp parameters has no effect on the spectral distribution and transversal intensity distribution. Key words Laser optics ；Ultrashort pulsed Gaussian beam；Chirp；Complex analytical signal representation 1 引言 超短超强激光脉冲在自由空间、线性无损耗介质中和非线性色散介质的传输的研究引起了广泛的关注[1-4]，以初始源平面的时间波形为高斯脉冲[2,3]、泊松脉冲[5]、双曲正割脉冲[6,7]，洛仑兹脉冲[6]的研究居多。随着超短超强激光脉冲技术的发展，特别是啁啾脉冲放大(CPA)技术的应用，超短脉冲系统中啁啾脉冲的特性一直是所关心和重视的问题，研究啁啾脉冲[8,9,10]在真空或色散介质的时空和光谱特性在光通信等方面具实际应用意义。本文基于瑞利衍射积分，使用复解析信号法推导出了非近轴超短啁啾脉冲高斯光束在自由空间中传输的解析传输方程 *作者简介：邹其徽（1968—）男，四川人，四川大学在读博士研究生，主要研究方向为超短脉冲的传输与变换。 E-mail: qihui_zou@https://www.360docs.net/doc/02763175.html, Tel. (028)85412819.
超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
第23卷第1期2007年8月 山西大同大学学报(自然学科版) Journal of Shanxi Datong University(Natural Science) Vol.23.No.1 Aug.2007超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器 郭玉洁,帕力哈提?米吉提 (新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐830046) 摘 要:该文介绍了飞秒激光的特点、应用以及钛宝石激光器的相关理论。 关键词:飞秒激光 钛宝石激光器 自聚焦 中图分类号:TN248.4 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120058203 飞秒激光技术是一项能协助多种学科在更深层次上认识客观世界,增强人类改造世界能力的技术.它是目前人类观察微观世界,揭示超快运动过程的重要手段.科学家预测飞秒激光将为未来新能源的产生发挥重要作用. 1 超短脉冲激光及其应用 1.1超短脉冲激光的特点 自从脉冲激光问世以来,激光脉冲的峰值功率及脉冲宽度已经有了前所未有的快速发展.1981年Fork等人利用碰撞锁模技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲[1],从而使人类进入了超短脉冲激光技术时代.超短脉冲激光有两个显著特点:一是脉冲宽度极短,达到了飞秒(10215s)量级,阿秒(10218s)量级;二是经过放大后,脉冲峰值功率极高,可以达到太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)量级.脉冲持续时间如此之短,峰值功率如此之高,且能聚焦到比头发直径还要小的空间区域,使得聚焦后的光功率密度可以达到1020W/cm2量级以上.这些独有的特点使超短脉冲激光具有广泛而特殊的用途,它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用. 1.2飞秒激光的用途 超短脉冲激光的发展直接带动了物理、化学、生物、材料与信息科学等的发展,并开创了一些全新的研究领域,如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、超高强度科学与技术等. 1.2.1飞秒激光在超快领域内的应用 飞秒激光在超快现象研究领域中起的是快速过程诊断的作用.飞秒激光尤如一个极为精准的“时钟”和一架超高速的“相机”,它可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来,形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术.由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有着独特的优点和不可替代的作用. 1.2.2飞秒激光在超强领域中的应用 飞秒激光是研究原子分子体系、高阶非线性和多光子过程的重要工具.飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常高,这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场,从而很容易将原子中的电子统统剥落,是产生激光等离子体、超短X光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径.物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体.这种等离子体可以辐射出各种波长的射线激光.高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光、β射线激光以及正负电子对.高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂等因天然雷击而造成的灾难性破坏.高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火,从而为人类获得新一代能源开辟了一条崭新的途径. 收稿日期:2007203205 作者简介:郭玉洁(19792)女,辽宁辽阳人,硕士,研究方向:激光物理.
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究 近年来随着超短脉冲激光烧蚀技术的发展，该技术被广泛应用于工业领域。短脉冲激光与物质相互作用时间介于纳秒与飞秒之间，其峰值功率可达兆瓦级，因此在加工中可应用于高精度、高硬材料的精细加工上，同时也可以实现材料的三维加工，该方式称为“冷”加工。文章旨在介绍超短脉冲技术的应用研究，使人们对该技术有一定的宏观认识。 标签：超短脉冲；激光烧蚀；应用探究；宏观认识 1 短脉冲激光器与金属相互作用理论 短脉冲诱导烧蚀材料的过程的建立需要一定的时间，并且与激光强度有直接关系。当脉宽给定时，只有当激光场的强度超过一定值时，形成的等离子体才能发生不可逆的损伤阈值，该阈值范围通常以激光的能流阈值表示。根据文献指出，脉冲宽度从连续到几十个皮秒范围内，烧蚀过程为离子雪崩过程，开始于内部电子。通过对超短脉宽烧蚀阈值的研究发现，当偏离了脉冲宽度平方根法则的时候，能量在很大范围内变动均可引起材料的烧蚀，如图1所示为超短脉冲激与金属作用的过程。 当前人们于超短脉冲激光烧蚀物质的机理和研究还没有获得完全的认知，研究的模型是将物质看做一个总体的系统去考虑，只有达到了该物质的沸点或熔点时，使得物质蒸发或者熔化而使材料被去除。应用傅里叶传热模型对上述过程可进行具体的描述，但是他不适用于描述和分析超短脉冲激光与金属薄膜或者介质膜的作用过程。原因是由于载流子的特征尺寸与膜层的厚度相当，同时其特征时间与传输能量的时间接近。 当超短脉冲激光与金属材料作用发生激光烧蚀时，材料的表面的电子吸收激光的能量后变为非平衡状态，发生了相互制约的现象。造成电子爆炸运动速度接近于费米速率。同时热电子通过碰撞作用使得内部电子获得加热，之后参与碰撞的电子达到短暂的呈费米分布的热平衡态。电子与晶格通过碰撞耦合效应，使得电子温度降低和晶格温度升高，最终电子温度与材料的晶格温度达到平衡。 2 短脉冲激光烧蚀研究方法 激光烧蚀的研究方法包括：实验方法测定，理论计算分析和数值模拟。实验方法能够准确的对后两种方法进行检验。但实验方法需要的成本巨大。理论计算分析和数值模拟方法是一种对于研究激光烧蚀问题的非常有的方法，其理论分析过程非常严谨，但是也存在一定的边界条件限制，需要进行相应的假设，处理问题的范围有限。但其可低成本、高精度模拟短脉冲烧蚀机理内的复杂问题，一直是各大科研院校应用的最广泛的方法。若条件允许会采用实验方法进行验证，不断修正算法达到近乎理想的模拟及精密数值计算水平。
浅析超短脉冲激光微纳加工技术
1 前言 随着激光技术的发展，激光器件向着超短脉冲、超高强度、超短波长的方向迈进，这给激光材料加工带来了革命性的进步。近年来超短脉冲激光精密加工越来越得到人们的关注。这主要体现在超短脉冲激光加工可以得到高于长脉冲激光加工的精度，最高可以达到亚微米甚至纳米。另外超短脉冲激光除了可以进行材料表面的加工，还能够实现对透明材料内部的加工与改性。适用于其他加工方法无法实现的高精度、复杂形状元器件的加工，实现真三维、可设计、可集成。超短脉冲激光的瞬间功率极大，可以和几乎任何材料相互作用，因而可用于激光加工的材料几乎不受限制。对于超硬、易碎、高熔点、易爆等材料的加工，更具有其他方法无法匹敌的优势。 这里的超短脉冲激光微细加工技术指的是利用超短脉冲激光(脉冲宽度在皮秒至飞秒量级，10-12~10-15s) 对材料的显微加工、精密裁切以及微观改性。这里的3个术语定义如下：显微加工指的是对样品材料的精密去除；精密裁切指的是用激光将样品材料裁切成微纳尺度的特征形状；微观改性指的是利用激光改变样品材料特定微观区域的物理化学性能。这3个术语既相互独立又紧密相连，有时在微观改性的同时也伴随着样品材料的精密去除，而显微加工是精密裁切的基础。我们把上述术语统称为超短脉冲激光微纳加工。 2 超短脉冲激光微纳加工分类 从材料的性能变化来说，超短脉冲激光微纳加工可以分为表面形貌、折射率、离子价态、相态、缺陷态、晶态、化学键以及能带结构等的修饰与调控。在超短脉冲激光加工过程中，有时是单一的性能修饰，有时是多项性能的修饰同时发生。现举例说明。 图1为超短脉冲激光诱导的6种材料性能转变。(a)为在金属表面形成的亚波长周期结构。其周期从入射激光波长尺度到入射波长的1/10，为制备纳米尺度周期结构提供了一种全新的途径。(b)为波导结构。超短脉冲激光可以在透明材料内部诱导折射率改变，写入二维、三维的波导结构及器件，如分束器、衍射光栅、阵列波导光栅、波导激光器等。(c)为在晶体内部诱导的缺陷结构，即色心。在诸如半导体、发光、信息存储、色心激光等技术领域有着广泛的应用。(d)为离子价态变化。在金属离子或稀土离子掺杂的玻璃内部，使得掺杂离子的价态发生改变，诱导出具有特殊功能的复合材料，实现特定的线性、非线性光学性能。(e)为晶态变化。超短脉冲激光辐照非晶态的玻璃材料可以在辐照区域析出晶体相，或者超短脉冲激光辐照晶体材料，在激光辐照区域可以从一种晶态向另一种晶态转化，为制备不同晶态的集成器件提供了新途径。(f)为半导体带隙变化。通过超短脉冲激光半导体硅，改变其能带结构。经处理的硅具有吸收光谱宽以及光谱响应速度快的特点，在太阳能电池以及光电探测器方面具有极大的应用前景。
超短脉冲技术的原理与应用
编号2016120332 研究类型理论研究分类号TN2 学士学位论文（设计） Bachelor’s Thesis 论文题目超短脉冲技术的原理与应用 作者 学号 所在院系 学科专业名称电子信息科学与技术 导师及职称 论文答辩时间2016年5月15日
目录 1.引言 (1) 1.1国外研究现状 (1) 1.2 研究超短脉冲的意义 (2) 2.超短脉冲激光的原理 (3) 2.1超短脉冲激光 (3) 2.2 调Q技术 (4) 2.3锁模的基本原理 (13) 2.4锁模的种类 (21) 3. 超短脉冲激光的应用 (27) 3.1皮秒激光的应用 (27) 3.2飞秒激光加工及其应用 (30) 3.3 阿秒激光的应用 (35) 4.结论 (36) 5.参考文献 (29) 致信
超短脉冲技术的原理与应用 XXXXXX 摘要：在激光光谱学、生物学、化学、光电子学及物理学等学科超短脉冲技术是对微观世界进行探究的主要手段，它最直接的应用是通过它为光源造成多种时间分辨光谱、探测以及泵浦技术。本文在了解超短脉冲其形成的机理即各种锁模技术的情况下，理解皮秒脉冲、飞秒脉冲、阿秒脉冲的各种测量办法，并且简单的介绍如今国外较热点的各种超短脉冲技术运用，尤其重点探讨了飞秒激光在高能物理和核物理、激光加工、生物医学方面的应用。 关键词：超短脉冲；锁模技术；飞秒激光 中图分类号：TN2
The Principle and Application of Ultrashort Pulse Technology XXXXX Abstract:Ultrashort pulse technology is physics, chemistry, biology, optoelectronics, and laser spectroscopy study of micro world and reveal the new fields, such as an important means of ultrafast process, it is the most direct application of people use it as a light source to form a variety of time-resolved spectroscopy and pump/detection technique. Understand short pulse is presented in this paper, the mechanism of ultrashort pulse conditions (Q technology and all kinds of mode-locked technology), is a blend of picosecond pulses, femtosecond pulse, various measuring methods of the second pulse, and the various laser application at home and abroad of the hot spots now made brief introduction, especially focus on femtosecond laser in the laser processing, high energy physics and nuclear physics, biomedical applications. Keywords:ultrashort pulse;mode-locking technique;femtosecond laser
Frog超短脉冲测量系统
超短脉冲测量系统 前言 由于电子元件响应速度只能达到纳秒量级，因此对于纳秒量级以下的测试是无能为力的。然而，随着调Q技术与锁模技术的发展，以及业界对超短脉冲激光器的要求，超快激光的脉宽不断压缩，飞秒级别的激光器以及制作出来，而阿秒级别的激光器也在实验室研究当中。如何测试飞秒级别的激光器，使用自相关技术是业界的标准。然而，脉宽测试只是超短脉冲激光一方面的特性，涉及到相位，啁啾，脉冲波形等物理量的研究，需要使用到20世纪90年代发展起来的频率分辨光学开关方法（FROG）。本文就FROG的测试做一个研究与探讨。 1）自相关技术 自相关技术源自上世纪80年代。一束脉冲激光可以表示成如下式： 由于脉冲宽度很短，我们只能通过激光本身去测试它自己。如何测试？自相关法是一个很直接的技术。如下图所示，两束完全一样的光刚叠加时，就会从一开始有一点很低的强度，当它们完全重合时，强度将升至最大，然后接着将会慢慢下降至零。假设脉冲底部宽度为T，整个过程实际上相遇的时间为2T。 如何测试这个时间，通过脉冲的移动。 自相关技术的核心部件一个是延时机构，另一个则是使两束激光相乘的倍频晶体。 以下是其中一款自相关仪的光路图，脉冲激光经过分束器分成两部分，一束通过固定光程光路，另一束通过可变光程的延时光束，两束激光会在倍频晶体（红色）出交会重合，通过测试产生的倍频信号直接测出脉冲宽度。
不同厂商的光路都相差不大，比较大差别就是延时机构不同，其中，美国Femtochrome公司采用的旋转平行镜比较有特色，免去了步进电机在机电方面的不可靠性，从而实现更优良的测试性能。 下图是实物光路图，可见其光路简单，调节方面只需要调整M3的方位，即可实现光束的移动，倍频晶体通过调整螺旋测微器即可实现倍频晶体倾斜角的调节。由于其调试方便，维护简单，，其产品已被科研与产业界承认。