第三章 超短脉冲技术
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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
超短脉冲 第三章
不同泵浦包层截面对于泵浦光的吸收率来自第三章 飞秒光纤激光器
3.1.2 掺杂类别
掺杂光纤（doped fiber）掺杂离子类别和浓度对于光纤激光器 的运转起着很大作用。作为增益介质的稀土金属离子（如Er3+、 Nd3+ 等离子）是以10ppm~103ppm的浓度和一定的分布掺杂于 以SiO2为主要成份的纤芯中。
线性腔展宽压缩型飞秒光纤激光器
λ /4
激光 输出
λ /4
SMF28 光纤
透镜 掺Er光纤
透镜
λ /2
隔离器
PBS
λ /4
SMF28 光纤
负色散
正色散
Flexcor 1060光纤 980nm 泵浦 980/1550nm WDM 耦合器
展宽-压缩型环型光纤激光器装置示意图
SMF28型光纤、1060光 纤、掺铒光纤色散0.023, -0.007, +0.075。 当泵浦光的功率达到 0.9W时, 输出脉冲重复 频率是36.9 MHz, 输出 脉冲的能量是2.25 nJ， 带宽有5060 nm，压 缩后脉宽90飞秒，倍频 光 7 7 5 n m 。
第三章 飞秒光纤激光器
3.1 光纤简介 光纤全称光导纤维，是由纤芯、包层和涂覆层构成 。
分两种结构：纤芯折射率一定的称为阶梯折射率分布光纤， 简称SIF（Step Index Fiber）；纤芯折射率随半径r变化的光纤， 称为渐变折射率光纤，简称GIF(Graded Index Fiber)
涂覆层 包层 纤芯
3.3 展宽—压缩型飞秒光纤激光器
问题：光纤中孤子脉冲飞秒激光器最大缺点是输出能量很小， 只有几十pJ。如何提高能量同时尽可能压缩脉冲宽度？
实际上，这种结构的激光器输出峰值功率取决于锁模的饱和水 平。增加泵浦功率只能使脉冲分裂为多个孤子。
3.1.2 掺杂类别
掺杂光纤（doped fiber）掺杂离子类别和浓度对于光纤激光器 的运转起着很大作用。作为增益介质的稀土金属离子（如Er3+、 Nd3+ 等离子）是以10ppm~103ppm的浓度和一定的分布掺杂于 以SiO2为主要成份的纤芯中。
线性腔展宽压缩型飞秒光纤激光器
λ /4
激光 输出
λ /4
SMF28 光纤
透镜 掺Er光纤
透镜
λ /2
隔离器
PBS
λ /4
SMF28 光纤
负色散
正色散
Flexcor 1060光纤 980nm 泵浦 980/1550nm WDM 耦合器
展宽-压缩型环型光纤激光器装置示意图
SMF28型光纤、1060光 纤、掺铒光纤色散0.023, -0.007, +0.075。 当泵浦光的功率达到 0.9W时, 输出脉冲重复 频率是36.9 MHz, 输出 脉冲的能量是2.25 nJ， 带宽有5060 nm，压 缩后脉宽90飞秒，倍频 光 7 7 5 n m 。
第三章 飞秒光纤激光器
3.1 光纤简介 光纤全称光导纤维，是由纤芯、包层和涂覆层构成 。
分两种结构：纤芯折射率一定的称为阶梯折射率分布光纤， 简称SIF（Step Index Fiber）；纤芯折射率随半径r变化的光纤， 称为渐变折射率光纤，简称GIF(Graded Index Fiber)
涂覆层 包层 纤芯
3.3 展宽—压缩型飞秒光纤激光器
问题：光纤中孤子脉冲飞秒激光器最大缺点是输出能量很小， 只有几十pJ。如何提高能量同时尽可能压缩脉冲宽度？
实际上，这种结构的激光器输出峰值功率取决于锁模的饱和水 平。增加泵浦功率只能使脉冲分裂为多个孤子。
《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。
超短脉冲激光器的研究与应用
超短脉冲激光器的研究与应用超短脉冲激光器是一种能够产生拥有极高强度和超短持续时间的激光束的设备。
它被广泛应用于科学研究、工业领域以及医疗领域。
本文将介绍超短脉冲激光器的原理、制造和应用。
一、超短脉冲激光器的原理超短脉冲激光器可以产生纳秒或皮秒级别的超短脉冲。
这种激光器的原理是使用长脉冲激光与非线性光学晶体相互作用，通过非线性效应将长脉冲激光转化为超短脉冲激光。
超短脉冲激光的产生是通过自发参量下转换的方式实现的。
当长脉冲激光通过非线性晶体时，晶体内的光学非线性效应会产生额外的频率组合。
这些频率组合将产生新的光波，并被反射回晶体中，与原来的激光束相互作用，最终产生超短脉冲。
二、超短脉冲激光器的制造超短脉冲激光器的制造需要使用光学晶体和半导体材料。
此外，还需要使用先进的光学器件和控制电路来实现激光器的操作和控制。
制造超短脉冲激光器的主要步骤包括选择光学晶体和半导体材料、设计和制造激光器的光学组件、控制电路的设计和安装、以及激光器的测试和校准。
超短脉冲激光器的性能受到多种因素的影响，包括激光器的波长、脉宽、能量和模式。
这些因素的选择和优化可以根据应用的需要进行调整。
三、超短脉冲激光器的应用超短脉冲激光器的应用范围非常广泛。
在科学研究方面，它被用于制备纳米结构和超快速动态过程的研究。
此外，超短脉冲激光还被用于制备微电子元件和纳米生物芯片等高精密度器件。
在工业领域，超短脉冲激光器被用于加工材料，例如改善表面质量和切割薄片。
另外，它还被用于制作光学元件和光学相干断层扫描等领域。
在医疗领域，超短脉冲激光器被用于进行激光手术、皮肤去除和其他美容技术。
此外，它还被用于制备人工晶体和医用器械等高精度器件。
四、超短脉冲激光器的发展趋势随着科学技术的不断进步，超短脉冲激光技术在不同领域中的应用越来越广泛。
未来，随着激光器材料和器件等技术不断成熟，超短脉冲激光器的性能和应用将会得到进一步的提升。
总之，超短脉冲激光器是一种极其重要的光学设备，应用范围广泛。
超短脉冲的获取方法及应用
超短脉冲的获取方法及应用超短脉冲是指时间长度非常短暂的电磁脉冲信号。
由于脉冲时间非常短，通常在皮秒（10^-12秒）甚至飞秒（10^-15秒）级别，超短脉冲具有极高的峰值功率和宽带频率特性，因此在科学研究和许多实际应用中得到了广泛关注。
要获取超短脉冲，一般采用以下几种方法：1. 模式锁定激光：最常见的方法是通过模式锁定技术获得超短脉冲激光。
模式锁定激光通过通过控制放大器和光纤等元件的特性，使光传播过程中不同模式的相位相互耦合，最终实现了超短脉冲的产生。
2. 非线性光学效应：通过利用非线性光学效应，如自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）、调制不稳定和双光子吸收等，可以将连续波光信号转化为超短脉冲。
这种方法适用于光纤而非气体激光介质。
3. 光学斯托克斯过程：通过非共线非相位匹配的非线性光学斯托克斯过程，将几个光子能量合并为一个光子，并使合并后的光子频率减小，从而得到超短脉冲。
这种方法常用于基于光学斯托克斯过程的光学放大器中。
超短脉冲在许多领域中具有广泛的应用，包括：1. 激光科学研究：超短脉冲激光可以提供极高的峰值功率和高能量密度，已广泛应用于激光物理、激光生物学、激光化学等领域的研究。
如超高时间分辨率的飞秒光谱学、非线性光学研究、光子晶体等。
2. 生命科学研究：超短脉冲激光在生物领域的应用主要包括生物成像、细胞操作和基因组研究等。
例如，基于多光子吸收现象的超短脉冲激光显微术成像技术可以实现高分辨率和深度成像，对生物、医学研究具有重要意义。
3. 材料加工与纳米制造：超短脉冲激光由于其极高的峰值功率和精细加工特性，已广泛应用于材料微加工、曲面精细加工、表面改性、激光蚀刻等领域。
还可以通过调控超短脉冲激光的参数，如能量密度、重复频率等，实现纳米材料制造、光子晶体制造等。
4. 高速通信技术：超短脉冲激光在光通信领域的应用主要是基于其游戏理论特性，提供了高速、高频宽的数据传输能力，如飞秒激光自由空间通信和光纤通信等。
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➢多模激光的输出特性
未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。
纵模频率
vq
qc 腔内振荡的模式有
2N＋1个。纵模表示式
Eq (t) Eq cos(qt q )
理锁 模 技 术 的 基 本 原
无锁模激光器的输出功率与频率
呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始 位相无确定关系且互不相关。
E（t)=
Ac
sin(wc
t
c
)
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
初始相位保持不变，频率等于无源谐振腔中的相邻两个纵模 的频率
腔损耗正弦调制的结果，是使频率为 的0 纵模又产生了频率分
别式为纵模0有 相2，cL同的初0初始 始2位cL位相相，不保变持化恒的定两的个频边率频差带。，振各幅模调的c制振锁幅模 2L
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。
无锁模激光器的输出功率与时间
瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出 功率随时间无规则起伏。
经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔 保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输 出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁 模技术。
➢锁模的基本原理
通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个 模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是 互不相干的。
100% 反射镜
激光棒 光阑
接触 染料盒
泵浦光 滤光片
输出耦合 反射镜
被动锁模固体激光器原理示意图
染料激光器的被动锁模
染料激光器产生脉冲的过程和固体激光器被动 锁模相似。（通过染料吸收体的非线性吸收和激光介质
的放大作用，从涨落的噪声背景中选择出强涨落峰值，通 过可饱和吸收体和激光介质饱和作用的联合作用，形成超 短脉冲。）
度决定。 调 Q：对谐振腔内损耗的调节，是对光子数的调
整。其频率由调制频率决定。 3.压缩程度不同。 调 Q：功率兆瓦级、脉宽纳秒级 锁模：脉宽飞秒级。
3.5 自 锁 模
自锁模就是在激光腔内不需插入任何调制元件， 而是利用增益介质本身的非线性效应就可以产生短脉 冲的锁模方式。1991年，人们首次在掺钛蓝宝石连续 激光器中，成功获得自锁模运转。目前自锁模脉冲宽 度可达 6 fs。
1995年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs 1996年，西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs的超短激光 脉冲
1996年，毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全 固态腔倒空压缩后4. 5 fs的记录 1998年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs的 脉冲产生了强白光连续谱, 将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔 外压缩,得了4 fs的最佳结果。 这些都是当时的国际最高指标。
非线性吸收阶段：强脉冲增长。弱脉冲被抑制，发 射脉冲变窄，频谱增宽。
非线性放大阶段：前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲 几乎完全被抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的 脉冲序列。
3.3.1 被动锁模固体激光器的结构
结构如下图所示，为得到高重复率的高质量锁 模脉冲序列，对燃料浓度、泵浦强度和谐振腔的 设计及调整等都要有严格的要求，否则，激光输 出将极不稳定。
掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为：
n= no + n2 I (t) no为与光强无关的折射率， n2为非线性折射率， 由克尔效应决定，I (t)为脉冲的光强。
自聚焦效应的焦距为:
fm
m2 4nm L
c
1
I(t )
△nm = n2 Im (t）
掺钛蓝宝石激光器自锁模脉冲的形成分为以下两 个阶段： 1. 初始脉冲的形成
关系通过选择 可控制。它m们相干叠加的结果使激光器得到锁
模序列光脉冲输出。
相位调制锁模原理
激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介 质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波 在不同的时刻通过介质，有不同的相位延迟。
调制前光场：
Ec t Ac cosct
经过调制后，腔内光场变为：
E t Ac cos ct m cosmt
❖ 稳定的脉冲状态（锁模区）
(3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦 能量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。 反之，随着泵浦能量和反射率的增大．脉冲逐 渐呈不对称型。泵浦能量保持不变而脉冲宽度 改变，对激光脉冲的参数影响不大。
❖ 相位调制脉冲 （一定条件下不存在稳定态）
同步泵浦锁模激光器结构
超短脉冲技术
福建师范大学光电学院 2014.11.17
3.1 概述
调Q技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有
效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用
调Q技术只能获得脉宽为毫、微秒量级的激光脉冲。
利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉
冲。
1ms 103s 1ps 1012s 1fs 1015s
(3)采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁模。 (4)使用振动镜启动，频率25Hz，振幅小于0.5mm。
二、超短脉冲的压缩技术
当超短光脉冲在介质中传输时，表现出多种非线性 效应，而折射率的非线性效应是最基本的。
折射率非 线性效应
非线性相移 自相位 调制
脉冲不同 部位的瞬 时频率不同
频率啁啾
（ (t) ）
正驱动振荡频率或校正腔长。
3.3 被动锁模
在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节 腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系 列的锁模脉冲。
被动锁模分为： 固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模
固体激光器的被动锁模
线性放大阶段：一个周期2L/c时间内，光脉冲通 过有机染料和工作介质各一次，在激光介质中产 生线性放大，发生自然选模作用。线性放大过程 使频谱变窄，被放大后的信号起伏得到平滑和加 宽。
由于染料的谱线宽，激光上能级的寿命短，所 以染料锁模激光器可以输出比固体锁模激光器更 窄的脉冲。
3.4 同步泵浦锁模
❖ 采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器， 通过调制腔内增益的方法获得锁模。
❖ 实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振 腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或者是它的 整数倍。
只有与相位变化的极值点 （极大或极小）相对应的时 刻才能在腔内保存下来，不 断被放大，成为周期为2L/c 的脉冲序列。
相位调制的特点：
① 调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同。
m
c 2L
② 相位调制的结果，使各纵模相位固定。
q1 --q满足0 锁模条件
③ 输出的光波是间隔为 2的L 脉冲序列，具有
学导轨，与外界绝热、隔震。
fm
q
c 2L
c 2 L2
L
L
2L2 c
fm
fm
q
L
对于光学腔长为1米的Nd：YAG锁模激光器，其调制频率f
只
m
允许少于1KHz的偏差，相当于腔长L的变化量必须少于7m。
采用电子反馈、实时跟踪、闭环控制、伺服装置。
其基本思路是利用激光输出信号变化所产生的误差信号来校
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：
锁模调制器的频率必须非常严格调谐到fsAM q /2 c/4L
振幅调制锁模或者fsPM q c/2L相位调制锁模。
稳定性措施
提高泵浦源的稳定度，消除冷却液的非匀速流动和温度波动。 最好采用半导体泵浦和精密的半导体致冷以及风冷散热方式。
采用热不灵敏腔型，用热膨胀系数小的殷钢或大理石作为光
c
锁模激光器特性。
④ 脉冲位置不稳定。
3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点
调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q激光更加 严格，端面的反射率必须控制在最小，各元件的反射端面应 切成布儒斯特角，倾斜放置或镀增透膜，反射镜做成锲形。 调制器应尽量放在腔内靠近反射镜处。 调制尺寸在通光方向的尺寸应尽量小。
声光 锁模器
•泵浦激光器 •染料激光器
Ar+ 激光器
高频发生器
M1 M2 M 4
光学滤波器
染料盒
染料 激光器
M3
同步泵浦染料激光器结构示意图
能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图
•快速控制回路 •慢速控制回路
采用这种系统能产生0.7ps的脉冲
采用两种控制回路的同步泵浦染料激光器
➢调Q与锁模的区别
1.锁模一般可以用调Q的手段来实现 2.锁模：对多纵模进行调制，其频率由谐振腔的长
振幅调制原理
设调制信号为：
at
Am
sin
1 2
mt
调制前光场：
E t Ec sin ct c
经过调制后，腔内光场变为：
调制系数
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c )
设激光器中增益曲线中心频率处的纵模首先振荡， 加入调制后，其电场强度为：
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c ) 展开上式：
❖ 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义。
➢同步泵浦锁模原理
➢多模激光的输出特性
未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。
纵模频率
vq
qc 腔内振荡的模式有
2N＋1个。纵模表示式
Eq (t) Eq cos(qt q )
理锁 模 技 术 的 基 本 原
无锁模激光器的输出功率与频率
呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始 位相无确定关系且互不相关。
E（t)=
Ac
sin(wc
t
c
)
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
初始相位保持不变，频率等于无源谐振腔中的相邻两个纵模 的频率
腔损耗正弦调制的结果，是使频率为 的0 纵模又产生了频率分
别式为纵模0有 相2，cL同的初0初始 始2位cL位相相，不保变持化恒的定两的个频边率频差带。，振各幅模调的c制振锁幅模 2L
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。
无锁模激光器的输出功率与时间
瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出 功率随时间无规则起伏。
经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔 保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输 出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁 模技术。
➢锁模的基本原理
通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个 模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是 互不相干的。
100% 反射镜
激光棒 光阑
接触 染料盒
泵浦光 滤光片
输出耦合 反射镜
被动锁模固体激光器原理示意图
染料激光器的被动锁模
染料激光器产生脉冲的过程和固体激光器被动 锁模相似。（通过染料吸收体的非线性吸收和激光介质
的放大作用，从涨落的噪声背景中选择出强涨落峰值，通 过可饱和吸收体和激光介质饱和作用的联合作用，形成超 短脉冲。）
度决定。 调 Q：对谐振腔内损耗的调节，是对光子数的调
整。其频率由调制频率决定。 3.压缩程度不同。 调 Q：功率兆瓦级、脉宽纳秒级 锁模：脉宽飞秒级。
3.5 自 锁 模
自锁模就是在激光腔内不需插入任何调制元件， 而是利用增益介质本身的非线性效应就可以产生短脉 冲的锁模方式。1991年，人们首次在掺钛蓝宝石连续 激光器中，成功获得自锁模运转。目前自锁模脉冲宽 度可达 6 fs。
1995年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs 1996年，西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs的超短激光 脉冲
1996年，毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全 固态腔倒空压缩后4. 5 fs的记录 1998年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs的 脉冲产生了强白光连续谱, 将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔 外压缩,得了4 fs的最佳结果。 这些都是当时的国际最高指标。
非线性吸收阶段：强脉冲增长。弱脉冲被抑制，发 射脉冲变窄，频谱增宽。
非线性放大阶段：前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲 几乎完全被抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的 脉冲序列。
3.3.1 被动锁模固体激光器的结构
结构如下图所示，为得到高重复率的高质量锁 模脉冲序列，对燃料浓度、泵浦强度和谐振腔的 设计及调整等都要有严格的要求，否则，激光输 出将极不稳定。
掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为：
n= no + n2 I (t) no为与光强无关的折射率， n2为非线性折射率， 由克尔效应决定，I (t)为脉冲的光强。
自聚焦效应的焦距为:
fm
m2 4nm L
c
1
I(t )
△nm = n2 Im (t）
掺钛蓝宝石激光器自锁模脉冲的形成分为以下两 个阶段： 1. 初始脉冲的形成
关系通过选择 可控制。它m们相干叠加的结果使激光器得到锁
模序列光脉冲输出。
相位调制锁模原理
激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介 质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波 在不同的时刻通过介质，有不同的相位延迟。
调制前光场：
Ec t Ac cosct
经过调制后，腔内光场变为：
E t Ac cos ct m cosmt
❖ 稳定的脉冲状态（锁模区）
(3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦 能量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。 反之，随着泵浦能量和反射率的增大．脉冲逐 渐呈不对称型。泵浦能量保持不变而脉冲宽度 改变，对激光脉冲的参数影响不大。
❖ 相位调制脉冲 （一定条件下不存在稳定态）
同步泵浦锁模激光器结构
超短脉冲技术
福建师范大学光电学院 2014.11.17
3.1 概述
调Q技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有
效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用
调Q技术只能获得脉宽为毫、微秒量级的激光脉冲。
利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉
冲。
1ms 103s 1ps 1012s 1fs 1015s
(3)采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁模。 (4)使用振动镜启动，频率25Hz，振幅小于0.5mm。
二、超短脉冲的压缩技术
当超短光脉冲在介质中传输时，表现出多种非线性 效应，而折射率的非线性效应是最基本的。
折射率非 线性效应
非线性相移 自相位 调制
脉冲不同 部位的瞬 时频率不同
频率啁啾
（ (t) ）
正驱动振荡频率或校正腔长。
3.3 被动锁模
在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节 腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系 列的锁模脉冲。
被动锁模分为： 固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模
固体激光器的被动锁模
线性放大阶段：一个周期2L/c时间内，光脉冲通 过有机染料和工作介质各一次，在激光介质中产 生线性放大，发生自然选模作用。线性放大过程 使频谱变窄，被放大后的信号起伏得到平滑和加 宽。
由于染料的谱线宽，激光上能级的寿命短，所 以染料锁模激光器可以输出比固体锁模激光器更 窄的脉冲。
3.4 同步泵浦锁模
❖ 采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器， 通过调制腔内增益的方法获得锁模。
❖ 实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振 腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或者是它的 整数倍。
只有与相位变化的极值点 （极大或极小）相对应的时 刻才能在腔内保存下来，不 断被放大，成为周期为2L/c 的脉冲序列。
相位调制的特点：
① 调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同。
m
c 2L
② 相位调制的结果，使各纵模相位固定。
q1 --q满足0 锁模条件
③ 输出的光波是间隔为 2的L 脉冲序列，具有
学导轨，与外界绝热、隔震。
fm
q
c 2L
c 2 L2
L
L
2L2 c
fm
fm
q
L
对于光学腔长为1米的Nd：YAG锁模激光器，其调制频率f
只
m
允许少于1KHz的偏差，相当于腔长L的变化量必须少于7m。
采用电子反馈、实时跟踪、闭环控制、伺服装置。
其基本思路是利用激光输出信号变化所产生的误差信号来校
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：
锁模调制器的频率必须非常严格调谐到fsAM q /2 c/4L
振幅调制锁模或者fsPM q c/2L相位调制锁模。
稳定性措施
提高泵浦源的稳定度，消除冷却液的非匀速流动和温度波动。 最好采用半导体泵浦和精密的半导体致冷以及风冷散热方式。
采用热不灵敏腔型，用热膨胀系数小的殷钢或大理石作为光
c
锁模激光器特性。
④ 脉冲位置不稳定。
3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点
调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q激光更加 严格，端面的反射率必须控制在最小，各元件的反射端面应 切成布儒斯特角，倾斜放置或镀增透膜，反射镜做成锲形。 调制器应尽量放在腔内靠近反射镜处。 调制尺寸在通光方向的尺寸应尽量小。
声光 锁模器
•泵浦激光器 •染料激光器
Ar+ 激光器
高频发生器
M1 M2 M 4
光学滤波器
染料盒
染料 激光器
M3
同步泵浦染料激光器结构示意图
能产生非常稳定超短脉冲的装置示意图
•快速控制回路 •慢速控制回路
采用这种系统能产生0.7ps的脉冲
采用两种控制回路的同步泵浦染料激光器
➢调Q与锁模的区别
1.锁模一般可以用调Q的手段来实现 2.锁模：对多纵模进行调制，其频率由谐振腔的长
振幅调制原理
设调制信号为：
at
Am
sin
1 2
mt
调制前光场：
E t Ec sin ct c
经过调制后，腔内光场变为：
调制系数
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c )
设激光器中增益曲线中心频率处的纵模首先振荡， 加入调制后，其电场强度为：
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c ) 展开上式：
❖ 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义。
➢同步泵浦锁模原理