超短脉冲激光技术课件
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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。
激光技术第三章 2019
纵模间隔
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果
N
N
E (t) Eq (t) E0 cos (0 q )t q
qN
qN
E0 cos 0t 1 2 cos( t ) 2 cos 2( t ) 2 cos 3( t ) L 2 cos N ( t )
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：
7.1.3 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。其中锁纵 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，当振幅（或相位）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。
2. 被动锁模 由于可饱和吸收体的非线性吸收特性，强度最大的激光脉冲经 受最小的损耗，从而得到很强的锁模脉冲。
I(t)E2(t)1 t1E2(t)dt t1 0
1
Q t1 q
t1 0
Eq2
cos2
qt q
dt
q
1 2
Eq2
1
t1 qq'
t1 0
Eq
Eq'
cos
qt q
.cos
q't q'
dt 0
I
t
N q0
1 2
Eq2
结论：平均光强是各个纵模光强之和。
《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
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
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3章 超短脉冲技术1
13
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：
按指数形式展开，再用三角函数表示
(3.1-7)’
14
由(3.1-8) ～(3.1-10)式可知, 2N+1个振荡模经过锁相以后，总 光场变为频率为ω0 的调幅波。振幅Ａ(t)是随时间变化的周期函 数，光强Ｉ(t)正比Ａ２(t) ，也是时间的函数，光强受到调制。按 傅里叶分析，总光场由2N十1个纵模频率组成，因此激光输出脉 冲是包括2N十1个纵模的光波。 图3.1-3给出了7（N=3)个振荡模 的输出光强曲线。
20
复习上一节
锁模所产生的现象
(1)锁模激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
0， t1
(2)每个脉冲的宽度
得到窄的锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则 有…）
17
通过分析可知以下性质：
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
(2)每个脉冲的宽度
1 1 2N 1
0， t1
得到窄的锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则 有…）
9
某一瞬时的输出光强为
第一项 平均值，其平均光强为：
第二项
(3.1-5)
接收到的光强是在一段比1/ νq = 2π/ωq 大的时间(t1)内的
因为第一项积分： 第二项积分： 所以：
10
该式说明：非锁模时，平均光强是各个纵模光强之和 的一 半。
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：
按指数形式展开，再用三角函数表示
(3.1-7)’
14
由(3.1-8) ～(3.1-10)式可知, 2N+1个振荡模经过锁相以后，总 光场变为频率为ω0 的调幅波。振幅Ａ(t)是随时间变化的周期函 数，光强Ｉ(t)正比Ａ２(t) ，也是时间的函数，光强受到调制。按 傅里叶分析，总光场由2N十1个纵模频率组成，因此激光输出脉 冲是包括2N十1个纵模的光波。 图3.1-3给出了7（N=3)个振荡模 的输出光强曲线。
20
复习上一节
锁模所产生的现象
(1)锁模激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
0， t1
(2)每个脉冲的宽度
得到窄的锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则 有…）
17
通过分析可知以下性质：
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
(2)每个脉冲的宽度
1 1 2N 1
0， t1
得到窄的锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则 有…）
9
某一瞬时的输出光强为
第一项 平均值，其平均光强为：
第二项
(3.1-5)
接收到的光强是在一段比1/ νq = 2π/ωq 大的时间(t1)内的
因为第一项积分： 第二项积分： 所以：
10
该式说明：非锁模时，平均光强是各个纵模光强之和 的一 半。
超短脉冲 第四章 ppt课件
2
结论：在介质中传播后的脉冲除了附加了 1 2 和 0 / 4 的相移, 还加了一项相位调制因子 exp{i(t ' t)2 /(2)}
初始脉冲的振幅A（t）在缓变条件下可以近似为不变，方便
处理问题，初始位相可以假定为0
PPT课件
8
第四章 超短激光脉冲特性
2 .高斯光束在色散介质中的传播
E(z,t) 1
2
e i ( )
A(t
')ei
(t
e') i0t
e' it
'dt
'
eit
d
ei(0t 0
)
1
2
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(t t ')( 0
PPT课件
)ei(
0
)2
/
2d
飞秒激光脉冲光谱宽度一般 在十几到几十纳米，而且脉 宽越短，带宽越宽。
飞秒激光的脉宽和它的光谱
35fs Tsunami 激光器输出激光脉冲光谱 带宽乘积满足定量关系。
PPT课件
2
第四章 超短激光脉冲特性
4.2 超短激光在色散介质中的传播
从锁模的原理看，一个超短激光脉冲可以看成包含多种频率成 分的波包，光学脉冲脉宽短到与它的频率的倒数接近时,它的光 谱迅速变宽。
一般来说, 物质的折射率依频率而改变。如果超短脉冲通过这样 的介质,各波长的传播速度不一样, 就会造成脉冲在时域的形变。
超短激光脉冲在色散介质中传播时，由于色散效应引起的脉宽 展宽以及脉冲啁啾的产生是超短脉冲光学一大特征。
本节讨论超短脉冲在色散介质中的传播。
第三章 超短脉冲技术
4.实现了 q1 常q 数 ，输出了一个峰值功率 高、脉冲宽度窄的序列脉冲。
➢实现锁模的方法
❖ 主动锁模：调制器的调制特性人为主动可控。
振幅调制锁模 相位调制锁模
❖ 被动锁模：其过程非人为可以控制。
❖ 同步泵浦锁模：主动锁模激光器泵浦另一激光器
❖ 自锁模
3.2主动锁模
如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相 位调制器，适当控制调制频率和调制深度可以实 现激光器的纵模锁定。
一、自锁模机理
一般认为，自锁模现象是利用增益介质的自聚 焦效应形成的克尔透镜和光阑构成一个与强度相关 的投射来产生短脉冲。
如果在束腰附近加上光阑，与自聚焦的结 合就相当于一个可饱和吸收体。由于脉冲中央 光强较大，透镜对脉冲中央有更强的聚焦，使 其几乎无损耗地通过光阑。而前后沿的强度较 小，透镜对脉冲前后有较小的自聚焦，使其损 耗大于脉冲中央。脉冲在腔内循环时，将不断 的被抑制而消失，而中间部分不断被放大，使 得脉冲不断被压缩，形成稳定的锁模。
只要选择具有负色散的介质就可以使超短脉冲 进一步的压缩。
目前压缩超短脉冲的方法有以下两种：
(t )
(a)Tr << τp，脉冲前 后沿具有负啁啾， 脉冲中间部分只有 正啁啾，谱带加宽， 而且是向原载波频 率ωo的高端和低端 同时扩展。
（b）Tr >>τp，脉 冲频谱的扩展只是 向ω ＜ω。端扩展， 即频率向低频端扩 展。
图3.5-1 超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应
如果考虑介质的色散时，当啁啾和色散同号时 脉冲被展宽，异号时变窄。当介质具有正色散时， 以负啁啾为特征的脉冲前沿和后沿被压缩，而以正 啁啾为特征的脉冲中间被展宽，脉冲波形变成方波。 当介质具有负色散时，具有负啁啾的脉冲前沿和后 沿被展宽，而脉冲的中间部分被压缩，从而导致整 个脉冲波形变窄。
➢实现锁模的方法
❖ 主动锁模：调制器的调制特性人为主动可控。
振幅调制锁模 相位调制锁模
❖ 被动锁模：其过程非人为可以控制。
❖ 同步泵浦锁模：主动锁模激光器泵浦另一激光器
❖ 自锁模
3.2主动锁模
如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相 位调制器，适当控制调制频率和调制深度可以实 现激光器的纵模锁定。
一、自锁模机理
一般认为，自锁模现象是利用增益介质的自聚 焦效应形成的克尔透镜和光阑构成一个与强度相关 的投射来产生短脉冲。
如果在束腰附近加上光阑，与自聚焦的结 合就相当于一个可饱和吸收体。由于脉冲中央 光强较大，透镜对脉冲中央有更强的聚焦，使 其几乎无损耗地通过光阑。而前后沿的强度较 小，透镜对脉冲前后有较小的自聚焦，使其损 耗大于脉冲中央。脉冲在腔内循环时，将不断 的被抑制而消失，而中间部分不断被放大，使 得脉冲不断被压缩，形成稳定的锁模。
只要选择具有负色散的介质就可以使超短脉冲 进一步的压缩。
目前压缩超短脉冲的方法有以下两种：
(t )
(a)Tr << τp，脉冲前 后沿具有负啁啾， 脉冲中间部分只有 正啁啾，谱带加宽， 而且是向原载波频 率ωo的高端和低端 同时扩展。
（b）Tr >>τp，脉 冲频谱的扩展只是 向ω ＜ω。端扩展， 即频率向低频端扩 展。
图3.5-1 超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应
如果考虑介质的色散时，当啁啾和色散同号时 脉冲被展宽，异号时变窄。当介质具有正色散时， 以负啁啾为特征的脉冲前沿和后沿被压缩，而以正 啁啾为特征的脉冲中间被展宽，脉冲波形变成方波。 当介质具有负色散时，具有负啁啾的脉冲前沿和后 沿被展宽，而脉冲的中间部分被压缩，从而导致整 个脉冲波形变窄。
超短激光脉冲——锁模技术概要PPT课件
第2页/共23页
超短激光脉冲的应用
• 飞秒激光微加工（适用于各种类型材料）
—喷墨打印机的硅喷嘴
—激光冷烧蚀(ablation)-固体直接气化而不提高温度
—金属表面深度发黑处理（飞秒激光脉冲使金属表面改形而形成 纳米结构）
• 高精度外科切除，周围组织的损伤随脉冲持续时
间的缩短而减小。
• 眼角膜外科:飞秒激光在角膜中造成泡状物
十一模同位相
第13页/共23页
第14页/共23页
锁模方法
• 1966年，梅曼演示世界上第一台激光器6年之后De Maria.等人做出第 一台锁模激光器（可饱和吸收体自锁）
• 主动式锁模:主动式锁模通过调制腔损耗或者调制往返相位改变
实现锁模（如图）
声光调制器为最常用方法：电信号驱动的 正弦调幅（AM）对每个纵模进行调制。
式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—
锁模或锁相。
2L (L为腔长往返时间)
脉冲的时间间隔为
c 1
• 每个脉冲的持续时间由同位相振荡的模式数目决定，如果N个 模式被锁定，频率间隔为∆ע，则整个锁模带宽为 N∆— ע该带 宽越宽，脉冲持续时间越短。
第7页/共23页
激光腔模
（2）从两个含时间的函数开始：
个例如
已知，测量 F (t)
F和' (t)
，其中一
将直接给出另一个
F (t )
G( )
F ' (t)来自其中为延时，G( )
为一阶相关函数：
G( )
F '(t)F(t )dt
要测一个时间事件需要更短的时间事件。
—对于超短 持续时间的脉冲，脉冲用于测量它自己！
超短激光脉冲的应用
• 飞秒激光微加工（适用于各种类型材料）
—喷墨打印机的硅喷嘴
—激光冷烧蚀(ablation)-固体直接气化而不提高温度
—金属表面深度发黑处理（飞秒激光脉冲使金属表面改形而形成 纳米结构）
• 高精度外科切除，周围组织的损伤随脉冲持续时
间的缩短而减小。
• 眼角膜外科:飞秒激光在角膜中造成泡状物
十一模同位相
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锁模方法
• 1966年，梅曼演示世界上第一台激光器6年之后De Maria.等人做出第 一台锁模激光器（可饱和吸收体自锁）
• 主动式锁模:主动式锁模通过调制腔损耗或者调制往返相位改变
实现锁模（如图）
声光调制器为最常用方法：电信号驱动的 正弦调幅（AM）对每个纵模进行调制。
式将 呈现周期性地相长干涉—产生强的光脉冲爆（burst）—
锁模或锁相。
2L (L为腔长往返时间)
脉冲的时间间隔为
c 1
• 每个脉冲的持续时间由同位相振荡的模式数目决定，如果N个 模式被锁定，频率间隔为∆ע，则整个锁模带宽为 N∆— ע该带 宽越宽，脉冲持续时间越短。
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激光腔模
（2）从两个含时间的函数开始：
个例如
已知，测量 F (t)
F和' (t)
，其中一
将直接给出另一个
F (t )
G( )
F ' (t)来自其中为延时，G( )
为一阶相关函数：
G( )
F '(t)F(t )dt
要测一个时间事件需要更短的时间事件。
—对于超短 持续时间的脉冲，脉冲用于测量它自己！