超短脉冲第六章
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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。
超短脉冲技术要点
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
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。
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
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：
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
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。
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
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
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。
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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。
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。