超短脉冲激光技术(钱列加老师).doc

超短脉冲激光技术(钱列加老师).doc概述 3
飞秒激光脉冲的特性 3
飞秒脉冲的传输 5
光束空间传输 6
脉冲传输的数值模拟 6
时空效应 9
10
11
飞秒光学 13
简介 13
色散元件 13
13
13
14
群速度色散的补偿及控制 14
聚焦元件 16
16
16
飞秒激光器 18
锁模简介 18
克尔透镜锁模 18
飞秒激光振荡器 20
光纤孤子激光器 21
飞秒脉冲的放大与压缩 23
简介 23
飞秒脉冲放大的困难 25
啁啾脉冲放大技术 26
CPA放大器的设计 27
CFA激光系统的工作脉宽 27
27
28
31
脉冲整形 34
脉冲整形 34
飞秒光脉冲整形的物理基础 34
线性滤波 34
脉冲整形装置 35
脉冲整形的控制 38
几种典型的空间光调制器 39
可编程液晶空间光调制器 (LC SLM) 39
A .电寻址方式 39
40
声光调制器 41
变形镜 41
4． 脉冲压缩 42
波导介质中的 SPM 42
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
多次平均测量 45
单次工作方式 47
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
高阶色散 57
光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 57
非线性自位相调制 SPM 58
自发辐射放大 ASE 58
光参量啁啾脉冲放大 (OPCPA) 58
大口径高能钕玻璃泵浦的 OPCPA 系统 62
***低能量高重复率 OPCPA 系统 63
展望 64
峰值功率的理论极限 64
光学元件的限制 65
65

飞秒激光脉冲的特性
飞秒(1fs = 1^5s)激光最早出现于 70年代初。同传统的激光技术相类似，飞秒激
光的发展也是和光学材料紧密相关的。 宽带的掺钛宝石激光晶体的出现， 促进了飞秒激光在
90-年代的飞速发展。至今飞秒激光在宽带上可以小于 4fs，非常接近单个光波振荡周期。另
15
一方面，激光脉冲的峰值功率已经超过拍瓦( 1PW =10 W )，相应的光波聚焦光强超过
21 2
10 W/cm，相当于将所有覆盖于地球表面的太阳能辐射集中到 30⑴的小孔内所获得的
强度。因此，脉冲极短和强度极高的飞秒激光将显示独特的光波特性， 并且将创造研究重大
科学问题的新途径。
由于飞秒激光的脉冲宽度和光波振荡周期相近， 其振幅和位相在相当的时间尺度上发生
变化。飞秒激光将显示出不同于其它较长脉冲的传输特性，光波的谱域相位 旅3)会显著的
影响时域振幅分布或激光脉冲。例如， 50fs脉宽的飞秒激光经过 1cm的光学玻璃线性传输，
将展宽至约100fs。这种特性被称为群速度色散效应。对于大多数光学透明介质，群速度色
散仅在飞秒时间尺度上是重要的。 为清晰地说明群速度的概念，可以讨论光波由二列频率稍
有不同的平面波组成的情况：
E(t)二 Edt)+E2(t)
=E0ei[k(w1)z" 31t] + E0ei[k(3)z-叨 (1)
=2E0cos?k(z- ?^t)ei[(k(W0)z"的)
?k
其中
1
?k = -[k(32)- kg)]
1
? 3 = ~ ( GJ2 - 3 )
30 = — ( 32 + 3)
2
上式表明具有多个频率成分的光波的传输和单色平面波相比较， 有很大的不同。它是以
中心频率 3为载频的载波，而其振幅则成为随时间变化的振幅 (Fig 1 )。载波表征整个光波
的相位信息，其传递速度被定义为相速度 Vp。振幅包洛体现了光波能量的信息，表征了多
个频率成分的整体(群)行为，其随 时间变化的速度被定义为群速度 Vg :
Vg = (2( a))
g ?k
Vp = (2( b))
k

群速度仅对于脉冲光波才是有意义的。 受介质折射率色散的影响，群速度随光波频率而
变化。可以从光波的相位角度出发，来阐明群速度的色散：
©