超短激光脉冲——锁模技术概要.pptx
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1、引言:向更短的光脉冲进发 普通脉冲激光:微秒(s,10-6s),千瓦(KW)调Q激光 :纳秒(ns,10-9s),兆瓦(MW)锁模激光 :皮秒(ps,10-12s),千兆瓦(TW)飞秒(fs,10-15s)第1页/共23页短脉冲的意义高峰值功率-高光强 空间影响(热扩散,热畸变)对过程的影响小 时间影响(瞬时作用,无热积累)重叠效应(过程的时间尺度关系)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
2、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 典型成功之例LASIK(Laser Assisted In-situ Koratomi)激光原位角膜磨镶术(准分子激光眼科手术)第3页/共23页超短激光脉冲的应用非线性光学:二次谐波产生,参量下转换,光学参量振荡,太赫兹辐射产生光学数据存储:3D光学数据存储(依赖于非线性光化学)高重复率超短脉冲:大容量通信系统,光子开关器件,大规模集成微处理器的时钟与超短脉冲相关的宽光谱支持优异的空间分辨(无损断层成像技术)宽带频率梳高精度光频计量全光学原子钟(优于铯原子钟)第4页/共23页锁模原理定性描述 锁模:使激光器产生极短持续时间光脉
3、冲的技术 (10-12s或10-15s)基本原理:造成激光谐振腔模式之间固定的位相关系(锁相或锁模)这些模式之间的干涉作用使激光器输出等间距的脉冲列。干涉作用使腔内的进行光波退缩为非常短的脉冲第5页/共23页激光腔模图2:激光器纵膜结构纵模:驻波形式的分立频率集合称为腔的纵 模(谐振腔允许的自在生振荡频率)驻波条件:纵模间隔:在简单激光器中,每个纵模独立地振荡,互相没有固定的位相关系,实质上像一组独立的激光器,都在发出频率略有差别的光。每个光波的位相不固定,随机变化(材料的热改变等引起)只有少数几个振荡纵模的激光器,纵模之间的干涉可能造成拍频效应输出光强的随机起伏第6页/共23页激光腔模纵模数
4、目很大的激光器,这些干涉效应趋于平均接近不变的输出强度连续运转激光器 与此相反,如果各模式之间具有固定的位相关系激光的模式将 呈现周期性地相长干涉产生强的光脉冲爆(burst)锁模或锁相。脉冲的时间间隔为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,则整个锁模带宽为 N 该带宽越宽,脉冲持续时间越短。第7页/共23页激光腔模实际脉冲持续时间由每个脉冲的形状决定 高斯形状:双曲正割平方形:其中0.441和0.315为时间带宽乘积。(不同线 型取值不同)例:He-Ne,光谱宽度1.5GHz,最短高斯脉冲300ps Ti:sapphire,光谱宽度128Thz,最短高
5、斯脉冲3.4fs第8页/共23页理论分析 激光腔中电场的一般描述:当 激光器实现锁模。在时域,EM场呈周期重复N个周期的归一化频谱:第9页/共23页理论分析N个周期的归一化功率谱:第10页/共23页理论分析时域激光腔中EM波的周期重复:第11页/共23页理论分析三模同位相三模同位相十一模随机位相十一模随机位相第12页/共23页十一模同位相十一模同位相第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声
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