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超快激光鎖模技術(shù)及特性介紹

發(fā)布時(shí)間:2020-05-26 來(lái)源:元祿光電

超快激光通常是指脈沖持續(xù)時(shí)間在皮秒(10^ -12s)或飛秒(10^ -15s)量級(jí)的激光,當(dāng)然阿秒(10^-18s)等脈寬更短的自然也屬于超快,只不過(guò)為了方便區(qū)分,人們習(xí)慣直呼其名。而皮秒飛秒脈沖的產(chǎn)生主要依靠激光鎖模技術(shù)。

 

什么是激光鎖模

自由運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)激光器輸出包含若干個(gè)振幅和相位獨(dú)立、隨機(jī)的振蕩模式,因而輸出激光的各個(gè)縱模是非相干疊加的,輸出光強(qiáng)正比于各縱模光強(qiáng)之和;但是當(dāng)相鄰縱模之間的相位差被鎖定時(shí),由于各相鄰模之間的頻率間隔固定,各模的振動(dòng)方向或方式對(duì)于一定激光器是相同的,因而使得輸出各縱模是相干的,輸出的光波是一序列的脈沖形式。對(duì)于每一脈沖來(lái)說(shuō)脈寬(脈沖持續(xù)時(shí)間)變窄,峰值功率大大提高,這就是激光鎖模技術(shù)。

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鎖模原理圖示:圖中出現(xiàn)一系列周期性的脈沖,當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí),由于建設(shè)性的干涉作用,就周期性地出現(xiàn)了極大值。

 

常見(jiàn)鎖模技術(shù)

鎖模方法主要分為主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、自鎖模等,實(shí)驗(yàn)中比較常見(jiàn)的是SESAM(半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)鎖模和克爾鎖模(自鎖模)。

 

SESAM鎖模原理

可飽和吸收體的吸收系數(shù)隨著光強(qiáng)逐漸減小,滿足:

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Is為吸收體的飽和吸收光強(qiáng),光強(qiáng)I大于Is為強(qiáng)信號(hào),小于Is則為弱信號(hào)。

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可飽和吸收體鎖模的三個(gè)階段

 

SESAM鎖模主要分為三個(gè)階段,即線性放大階段、非線性吸收階段和非線性放大階段。

 

線性放大階段: 腔內(nèi)光強(qiáng)比較小,由于可飽和吸收體欺軟怕硬的性格使弱信號(hào)被吸收得多,受到的損耗大,而稍強(qiáng)的信號(hào)則吸收小一些,損耗小,且稍強(qiáng)信號(hào)的損耗可通過(guò)激光諧振腔工作物質(zhì)的增益得到補(bǔ)償。所以在一個(gè)周期2L/c(腔長(zhǎng)為L)時(shí)間內(nèi),光脈沖通過(guò)可飽和吸收體和激光介質(zhì),其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次,激光受到周期性的調(diào)制,在腔內(nèi)多次循環(huán)后,極大值與極小值之差會(huì)越來(lái)越大。弱信號(hào)逐步消失,脈沖個(gè)數(shù)減少,頻譜變窄。

 

非線性吸收階段: 光強(qiáng)大于飽和吸收光強(qiáng),強(qiáng)脈沖使吸收體吸收飽和(漂白)因此強(qiáng)脈沖會(huì)得到大幅度的放大,但弱脈沖會(huì)進(jìn)一步被吸收抑制掉,最后實(shí)現(xiàn)發(fā)射脈沖變得更窄,頻譜增寬。由于一個(gè)周期2L/c可飽和吸收體吸收一次,因此脈沖間隔為c/2L

 

非線性放大階段: 脈沖前沿相對(duì)于脈沖后沿先到達(dá)增益介質(zhì),脈沖后沿到達(dá)時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)已被消耗一部分,使得脈沖前沿放大的多,脈沖后沿放大的少。這樣會(huì)造成脈沖前后沿變陡,脈沖進(jìn)一步壓縮,最后輸出一個(gè)高強(qiáng)度窄脈寬的脈沖序列。

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非線性放大階段:脈沖變窄

SESAM早期常用于產(chǎn)生調(diào)Q脈沖,因此此種鎖模方式很容易產(chǎn)生調(diào)Q脈沖而不是連續(xù)穩(wěn)定的鎖模脈沖串,常需要提高腔內(nèi)單脈沖能量或降低SESAM和增益介質(zhì)的飽和能量來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模,常用的辦法除了提高泵浦功率之外,主要利用凹面鏡來(lái)減小增益介質(zhì)和SESAM上的光斑大小,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)Q鎖模進(jìn)入連續(xù)鎖模。

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SESAM鎖模激光器光路:啁啾鏡用于色散補(bǔ)償,半波片HWP用于調(diào)整泵浦光偏振,使增益晶體吸收最大

 

克爾鎖模

克爾鎖模也稱為自鎖模,應(yīng)用的是增益介質(zhì)的克爾非線性效應(yīng),即激光峰值功率達(dá)到GW (10^ 9 W)時(shí),介質(zhì)折射率n與入射激光光強(qiáng)有關(guān):

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基模高斯光束具有中心光強(qiáng)強(qiáng),周圍逐漸減弱的特點(diǎn),因此高斯光束經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)時(shí),中心折射率大,周圍折射率小,使得介質(zhì)出現(xiàn)類似于透鏡的效果,實(shí)現(xiàn)光束的聚焦,也就是自聚焦效應(yīng)。若在高斯光束腰斑附近放一個(gè)光闌,則光束前后沿的損耗大于光束中部的損耗,使得強(qiáng)光占據(jù)的中部得以通過(guò)放大,而周圍的光束則被損耗。光闌和自聚焦效應(yīng)的結(jié)合可以看成一個(gè)快飽和吸收體,即強(qiáng)光漂白,弱光被損耗,由于諧振腔的作用,其調(diào)制也是周期性的,使得脈沖周期性的輸出。


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克爾鎖模原理

 

1991年,英國(guó)圣 ? 安德魯斯大學(xué)W. Sibbett研究組首次實(shí)現(xiàn)克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器,脈寬為60fs。在他們的結(jié)構(gòu)中,BF為雙折射濾波片以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧,M1M2為凹面鏡以聚焦振蕩光到鈦寶石晶體中心提高光功率密度,P1P2為一對(duì)高色散棱鏡,用于補(bǔ)償增益介質(zhì)等引入的色散,通過(guò)外界的擾動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自鎖模。


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首次實(shí)現(xiàn)克爾鎖模激光器光路

 

色散補(bǔ)償

想要獲得飛秒脈沖,色散補(bǔ)償是十分重要的一環(huán),而色散通常分為正常色散和反常色散。正常色散下,光的群速度和頻率成反比,可看成頻率小的光速度大,頻率大的光速度小,因而光在正常色散情況下傳播一段時(shí)間后,脈沖前沿是低頻,脈沖后沿是高頻。例如初始位置相同的紅光和藍(lán)光,由于藍(lán)光頻率大,紅光頻率小,在正常色散中傳播一段時(shí)間后紅光在前藍(lán)光在后,從而造成脈沖展寬,在鎖模激光器中,由于增益介質(zhì)的影響會(huì)引入色散,使得脈沖展寬,必須進(jìn)行色散補(bǔ)償壓縮脈沖,才能實(shí)現(xiàn)超短脈沖的輸出。


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正常色散脈沖展寬圖示

 

同理,反常色散中光的群速度同頻率成正比,可等效為頻率小的光速度小,頻率大的光速度大。初始位置相同的紅光和藍(lán)光在反常色散介質(zhì)中傳播一段時(shí)間之后紅光在厚藍(lán)光在前,從而造成脈沖展寬。


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反常色散脈沖展寬圖示

 

如果我們同時(shí)考慮兩種色散,經(jīng)過(guò)正常色散介質(zhì)展寬的脈沖再通過(guò)等量色散的反常色散介質(zhì)則可實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)脈沖的壓縮,這就是鎖模激光器中色散補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理。

 

常見(jiàn)色散補(bǔ)償方法

棱鏡對(duì)壓縮脈沖:利用棱鏡的色散原理可實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮,棱鏡色散使不同頻率的光分離,當(dāng)不同頻率的光穿過(guò)棱鏡的厚度不同時(shí)會(huì)引入不同的延時(shí),實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。舉個(gè)栗子,經(jīng)正常色散展寬后的脈沖通過(guò)棱鏡對(duì)時(shí),可通過(guò)擺放方式使得低頻光穿過(guò)棱鏡的厚度更大,高頻光穿過(guò)棱鏡的厚度更小,這樣使得低頻光穿過(guò)棱鏡所需時(shí)間更長(zhǎng),合理設(shè)計(jì)穿透的厚度即可實(shí)現(xiàn)脈沖的壓縮。


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雙棱鏡對(duì)壓縮脈沖原理

 

啁啾鏡壓縮脈沖:通過(guò)在啁啾鏡表面鍍不同中心波長(zhǎng)反射膜,使得不同中心波長(zhǎng)的光穿透深度不同,從而引入不同的延時(shí),例如經(jīng)過(guò)正常色散的光到達(dá)啁啾鏡時(shí),可使低頻光穿透深度更大,高頻光穿透深度更小,即可使得低頻光延時(shí)大于高頻光,從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。根據(jù)系統(tǒng)的總色散量精密的計(jì)算鍍膜的層數(shù)和厚度,啁啾鏡可實(shí)現(xiàn)超寬光譜的色散補(bǔ)償,即可實(shí)現(xiàn)周期量級(jí)的超短脈沖。


 

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此外,通常脈寬和光譜寬度成反比關(guān)系,對(duì)于超快激光而言,其脈寬極窄,因而光譜寬度較大,飛秒量級(jí)的激光其波長(zhǎng)可覆蓋幾十到幾百納米,自然不再滿足激光單色性。但是,脈沖的峰值功率等于單脈沖能量比上脈寬,也就是說(shuō)飛秒脈沖的峰值功率很高,可達(dá)GW量級(jí),采用啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)可達(dá)PW量級(jí)。

 


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