飞秒钛宝石激光器的工作原理研究
2008年4月第25卷第2期
长治学院学报
JournalofChangzhiUniversity
Apr.,2008
V01.25.No.2
飞秒钛宝石激光器的工作原理研究
王志军,逯美红
(长治学院电子信息与物理系,山西长治046011)
摘要:飞秒激光是一种持续时间极短(10飞),峰值功率高的以脉冲形式运转的激光。它不仅能使人们获得超短时间的
分辨能力,同时,由于它的高峰值功率,使它在各个领域都得到了广泛的应用。
飞秒钛宝石激光器包括飞秒激光振荡器和飞秒激光放大器两部分,是目前能产生飞秒量级脉冲的应用最广泛的激光器。它通过钛宝石的自锁模原理,并采用世界上先进的啁啾脉冲放大(CVA)技术,已能直接产生零点几个飞秒、峰值功率迭太瓦量级的激光脉冲。
文章从钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理、色散及色散补偿、脉冲的展宽与压缩、再生放大器等方面,对飞秒钛宝石激光振荡器和放大器的工作原理做详细的阐述。
关键词:飞秒钛宝石激光器;振荡器;放大器;啁啾脉冲中图分类号:043
文献标识码:A
文章编号:1673—2014(2008)02-0041-05
1
引言
飞秒(Io-LS秒)激光技术是人类目前在实验室
度上的进步,但有关钛宝石激光器的中文著作和读物却很少。本文从钛宝石激光振荡器、掺钛蓝宝石增益特性、自锁模原理、色散以及钛宝石激光放大器等方面对钛宝石激光器的工作原理进行详细的阐述。因此,本文的目的就在于对飞秒激光器有一个全面、具体、深入的阐述,对其工作的原理、性质以及应用作一个概括性的总结,用来丰富我国关于钛宝石激光器的科学资料,为科研人员和学生提供相关参考文献。2飞秒激光振荡器
飞秒钛宝石激光振荡器,或简称“飞秒激光器”,是利用钛宝石的增益特性产生飞秒量级超短脉冲激光的装置。
一台典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦源、增益介质和光谐振腔三个组成部分,如图1中所示;由泵浦源所发射的泵浦激光入射到钛宝石晶体上,产生反转粒子;平面镜M。和半透镜OC构成谐振腔,腔内两个曲率半径相同的凹面镜M:、M,起到聚焦的作用;此外,在激光腔内还要有专门的色散补偿装置一切成布儒斯特角的棱镜对P,、P2。
以下将对钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理和色散补偿技术这三个钛宝石振荡器的关键部分
条件下所能获得最短脉冲的技术手段。飞秒激光器在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,具有持续时间短、峰值功率高、波长可调谐等特点。它使人们获得了飞秒级的时间分辨。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。因此,飞秒激光技术是一项能协助多种学科在更深层次上认识客观世界的能力的技术,极具
渗透性、带动陛【”。随着飞秒激光在各领域中的应用
逐渐广泛,可以产生飞秒量级的激光器和技术也经历了几代的革新。从染料激光器到固体激光器,由调Q技术到锁模技术,乃至现今能产生最短脉冲的自锁模技术,超短脉冲技术在短短几年时间里就有了飞跃式的进步。其中,采用自锁模技术的掺钛蓝宝石激光器是超短脉冲技术的一个热门话题。
由于掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱很宽,如果激光器的纵模全部被锁定,理论上可以直接产生几个飞秒的脉冲输出,而无需采用另外的脉宽压缩技术,这是其它激光器所无法比拟的。在我国,对掺钛蓝宝石激光器的研究和应用虽然已经有了很大程
收稿日期:2007—06—09
作者简介:王志军(1979一),男,山西五台人,助理实验师,主要从事大学物理实验教学与研究工作。
・41・
万方数据
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逐一进行详细分析和论述。
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图1飞秒钛宝石激光振荡器
2.1掺钛蓝宝石晶体的特性
Ti:S晶体是掺钛的A120,单晶,属六角晶系,空间群为它的物化性质与红宝石相似,稳定性好,热导率约为Nd:YAG的3倍,熔点高(20500C)硬度大(9级),折射率为1.76。在晶体结构中,Ti卦离子在A120,置换具有三角对称的C位上的Al卦离子,置于一个正八面体的中心,Ti“离子受到周围六个O扣离子形成的立方场的作用。Ti*离子的电子组态为1s22s22p63s23p63d1,它仅有一个未配对的3d电子,除3d电子外是满壳层,这样,3d轨道的唯一价电子行为决定了离子的吸收和发射光谱的特性。对于Ti3+离子最外层未配对的3d电子,其角量子数1=2,自旋量子数S=+1/2。21+1=5表明该d电子轨道有5种取向,能级5重简并。在晶体中,由于晶格场的作
用,2D能级分裂为%(基态)和砸。(激发态)两个电
子能级凹,激光跃迁就发生在这两个能级间。Ti3+离子电子能级与周围蓝宝石晶格的振动能级间的耦合使激发态能级分裂成E圯和E托两个能级,基态能级分裂成2E比,。E比及E弛三个能级,如图2所示。这些振动能级间的能量间隔很小,因此,大量的振动能级构成了准连续的能带,使得基态和激发态能级分布范围很宽,如图3所示。因而,Tp的吸收跃迁谱带都很宽,分布较宽的基态能级是Ti:S激光器可调谐运转的关键圈。
E也Eta
(3d)1
2Em
1Eta
E搬
图2掺钛蓝宝石晶体中TP离子的能级图
・42・
万
方数据卜
浦能级
l
b
l
I
I
b;
可调谐有关的端振动能级
图3掺钛蓝宝石晶体的能级跃进图
披长(m)
图4钛宝石晶体的吸收光谱
波长(m
J
图5钛宝石晶体的荧光光谱
Ti:S晶体的蓝绿吸收带对于不同偏振具有不同吸收截面,啊表示的电矢量与晶体的光轴(c轴)平行,盯表示光的电矢量与c轴垂直,晶体对霄偏振光吸收要大得多,为使Ti:S晶体对泵浦光有最大的吸收,应使泵浦光的波矢k垂直于c轴,让电矢量E平行于e轴。图4表示Ti:S晶体的吸收光谱。其吸收谱范围为430—580nm,峰值为490nm,所以
用蓝绿波段的激光,如Ar+激光,铜蒸汽激光,倍频
YAG激光,倍频YLF激光来泵浦都比较合适。图5是掺钛蓝宝石晶体在室温下的荧光光谱,其峰值波
长约为745nm,荧光光谱有很强的偏振特性,百偏振光强度大于叮偏振光。根据荧光强度与增益系数的关系,可以得到相应的增益曲线。增益峰值波
王志军,逯萋红飞秒钛宝石激光器的工作原理研究
长在795nm附近,增益波长范围为650—1200nm,带宽约122nm,这是迄今为止发现的所有激光增益介质中最宽的。由于这种宽的荧光光谱,使它构成的锁模激光器可具有极窄的脉宽[41。2.2自锁模原理
获得超短脉冲的主要方法就是运用调Q或锁模技术。在飞秒量级的激光技术中,获得超短脉冲的主要方法是锁模技术。利用锁模技术对激光束进行调制,使光束中不同的振荡纵模具有确定的相位关系,从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。锁模激光器脉宽可达10。11—10d4s,相应地具有很高的峰值功率。锁模的方法主要有两种:主动锁模和被动锁模。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器,调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔,这样可以得到重复率为f=c/2L的锁模脉冲序列。根据调制原理可分为相位调制和振幅调制。被动锁模是根据可饱和吸收体的特性进行锁模的,在激光谐振腔中插入可饱和吸收体来调节腔内的损耗,当满足锁模条件时,就可获得一系列的锁模脉冲。根据锁模形成过程的机理和特点,被动锁模分为固体激光器的被动锁模和染料激光器的被动锁模两种类型。
自从1990年苏格兰Spence等人发现掺钛蓝宝石激光的自锁模现象以来,自锁模技术已成为目前超短脉冲研究领域的主导。
所谓自锁模,是指某些含有强克尔效应介质的振荡器,在特定的腔型结构下,无需采用任何外加的调制或饱和吸收体,即可实现稳定的锁模运转。关于钛宝石激光器自锁模的原理至今尚无统一的理论解释。但大多数认为,其锁模现象与掺钛蓝宝石增益介质的克尔效应引起的光束自聚焦有关。掺钛蓝宝石激光器自锁模属于被动锁模。从时域角度看,任何带有被动性质的锁模激光器,腔内都存在这样的元件,它们首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子,然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小于1,而使脉冲中间的增益大于1,脉冲在腔内往返过程中,不断被整形放大,脉冲宽度被压缩,直到稳定锁模。在掺钛蓝宝石自锁模激光器中,掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为
n=no+nJ(t)
(1)
,一
折射率,I(t)为脉冲的光强。由于光强的高斯分布,当其通过介质时,就会产生自聚焦效应。取介质的某一小段△L,则自聚焦效应的焦距为
2
型墨
J旷4△k△L
,¨怕7
式中,n,。为人射到该介质的光斑大小;a为一常量,大约5.6-6.7;An。为人射光轴线上折射率的变化,
An
・厶(z)2n=.)3(
式中,厶(f)为人射到△L介质上光束近轴的光强。从脉冲包络的时域上看,脉冲前后沿的光强小于脉冲中间的光强。根据(2),(3)式可知,脉冲中间部分对应的类透镜焦距fm小于脉冲前后沿对应的焦距。这样,当一个光脉冲通过自聚焦介质后,由于自聚焦效应,脉冲在时间上的光强变化得以在空间上反映出来。掺钛蓝宝石自锁模激光器中束腰有两个,一个在掺钛蓝宝石介质内,另一个在激光腔的平面反射镜上或其附近。如果在束腰附近加上光阑,根据上面的分析就可以使光脉冲前后沿的损耗大于脉冲中部的损耗。也就是掺钛蓝宝石自锁模激光器中由于自聚焦效应和腔内光阑的存在,受到一个与光强有关的损耗调制。
由于增益的存在,脉冲在腔内循环时,强度小的脉冲不断被抑制而消失,强度大的脉冲不断增强,而且使其前后沿不断损耗,脉冲中间部分被放大,脉冲宽度被压缩。对于一个光脉冲,自聚焦效应与腔内光阑的结合就相当于一个快饱和吸收体,它对于一个光脉冲的前后沿有压缩作用。掺钛蓝宝石激光器的自锁模脉冲的形成分为两个阶段。首先,在腔内引入一个瞬间扰动,造成高损耗,当腔镜复位时,腔中的光强产生强烈涨落。当它们通过增益介质时,由于增益介质的自聚焦效应,它与腔内光阑的结合等效于可饱和吸收体,经过自振幅调制和增益介质的线性放大,对脉冲进行选择,放大,初步压缩,形成初始脉冲。腔内初始脉冲形成后,由于它的峰值功率较大,所以在增益介质中由于非线性克
尔效应,脉冲产生自相位调制(SPM),严重地改变了
脉冲的相位。当光脉冲通过掺钛蓝宝石晶体时,又引起了很大的二阶正群速色散(GVD)和三阶色散。在这一阶段中,增益介质的自振幅调制和增益放大
式中,no为与光强无关的折射率,n2为非线性
万方数据
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仍起主要作用,只是由于脉冲功率增大,不可避免地要产生自相位调制和很大的正群速色散,不利于
进一步压缩脉冲,而要用合适的负色散去补偿,才可以得到最短的脉冲宽度闱。2.3群速色散及色散补偿
光在真空中的传播速度为3×lOSm/s,在一束
超短光脉冲的波包中含有许多不同波长(不同频率)的光子。它们在一个波包中同步地传播。如果这
束波包在一个折射率与波长有关的介质中传播时,其传播速度为:
V(入)=南
(4)
c为光在真空中的速度,n(入)为对应波长为入时的折射率。就是说,由于光学材料的折射率对不同波长其值有所不同,因而不同波长的传播速度不同,这将使具有一定光谱宽度的超短光脉冲在此介质中传播时其不同波长有不同的传播速度,而造成群速色散。对一般的光学材料,长波(红光)的折射率比短波(蓝光)的折射率小,这意味着红光比蓝光传播得快,这将造成脉冲前沿为长波分量,后沿为短波分量,称之为正的群速色散。反之,如果长波的传播速度比短波的传播速度慢,称它为负的群速色散。在时域范围内,由于光的群速色散的结果将是激光脉冲的持续时间发生变化,使不存在啁啾的脉冲形成啁啾,从而使光脉冲展宽。这种群速色散特性是任何光学介质都存在的。对石英材料而言,当光波波长大于1.28斗m时呈现正常色散。而当光波波长大于1.28斗m时呈现反常色散,利用这种非线
性籽陛可对光脉冲进行展宽或压缩【”。
在激光腔内光脉冲的群速色散控制是飞秒激光脉冲产生的关键。群速色散的作用可使光脉冲展宽,也可使光脉冲压缩。由于超短脉冲具有宽的光谱带宽,存在群速色散时,将使光脉冲在时间域内产生频率啁啾。对观察者而言,频率随时间的增加而增加,称为正啁啾;频率随时间的增加而降低,称为负啁啾。
在超短脉冲的产生、放大与压缩技术中最常用的群速色散补偿器有棱镜组补偿器、光栅对补偿器、多层介质膜补偿器等。棱镜组补偿器有两个以上的棱镜组成。前面讲过,包含有不同频率的一束光经过棱镜后将会引起色散,称它为棱镜的角色
・44・
万
方数据散。利用棱镜的角色散特性使棱镜组产生负的群速色散,以达到控制群速色散的目的。一般棱镜是用
光学玻璃或熔融石英加工而成的。一束光以布儒斯
特角入射到光学介质表面时,它将对电矢量垂直于入射面的光产生全反射,而对电矢量在入射面内的光则全透射(反射率极小),为了降低在激光腔内插入群速色散控制棱镜引起的损耗,必须要求激光束以布儒斯特角入射。由于棱镜组的结构可构成负的群速色散,而光经过棱镜的玻璃将引起正的群速色散,所以可通过调节激光束经过玻璃的光程量来控
制激光腔的群速色散。衍射光栅是一种高色散的光学元件,类似于棱镜,它也可以提供群速色散。3飞秒激光放大器
在某些激光应用中,往往要求激光具有很高的能量(或功率),如激光核聚变至少需要高达上万焦耳的能量,激光雷达需要大功率的调制激光等等。但欲获得高能激光,仅靠激光(振荡)器来获取一般是很困难的,这是因为提高激光器的输出功率(能量)和其他指标(如光束发散角,单色性,脉宽,调制性能等)要求是相矛盾的。故要保持激光束优良的特性,又要获得具有高功率的激光,就要在原有的振荡器激光的基础上运用激光放大器。激光放大器按其放大脉冲信号宽度的不同,可以分为长脉冲激光放大器(也称连续激光放大器)、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器三种。
在超短脉冲(即脉冲宽度下<10-10s)的激光放
大隋况下,飞秒脉冲的放大,不能直接进行。因为当
输出功率很高时,工作物质就有被破坏的可能,例如,将30rs、lmJ的脉冲激光聚焦到3mm时峰值光强已达4.7×10¨Wcm-z。而一般光学材料的损伤阈值只有10×109Wcm-2。更重要的是,在能量升高的情况下,放大介质的非线性效应也会随之增大,飞秒脉冲就会被限制,从而导致脉冲被展宽,或者出现放大脉冲畸变和放大器元件的损伤[51。为避免畸变和元件的损伤而限制输出能量,应采取特殊的方法一啁啾脉冲放大(cPA)技术。啁啾脉冲放大(CPA)技术是用来对超短脉冲进行放大的一项技术,该技术通过控制色散对放大系统的脉宽产生几个量级的展宽作用,从而减小了峰值功率。在最后放大时,频率“啁啾”过程转变方向,利用色散可将脉冲压缩到最初的脉宽[61。由于压缩过程不经过放
王志军,逯美红飞秒钛宝石激光器的工作原理研究
大器,所以不会损坏放大器元件,也不会产生畸变。具体步骤如下:
首先,通过色散元件将飞秒脉冲展宽为皮秒量级,这时脉冲的峰值功率强度将大大降低,但单个脉冲的总能量不变。
其次,将这个低峰值强度的脉冲由纳焦水平的能量放大到焦尔水平的强度。
最后,频率啁啾过程转变方向,利用色散将脉冲压缩,使之恢复为原来的脉宽。由于总能量变大,峰值强度将随脉宽的变窄而极大地提高,从而得到超高峰值功率的超短脉冲。
因此,一般飞秒激光放大器分为三部分:展宽部分、放大部分、压缩部分。4结论
飞秒钛宝石激光器是一种能够产生脉冲弛豫时间很短(飞秒量级)、且具有极高峰值功率的脉冲激光器,在生产、生活中都具有良好的应用。本文分别从飞秒钛宝石激光振荡器和飞秒钛宝石激光放
大器两方面介绍了飞秒激光器的工作原理,并用钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理、色散及色散补偿、脉冲的展宽与压缩这几个方面详细阐述了飞秒钛宝石激光器中飞秒脉冲激光的产生与放大,对实验室利用飞秒钛宝石激光器的实验研究有很重要的参考价值。
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to
Jones,TheStrathclydeElectronandTerahertz
PulseSource.
Opfical
ThePrincipleofFemtosecondTi:SapphireLaser
WANGZhi-jan,LU
.
Mei-hong,
04601
(DepartmentofElectronicandPhysics,ChangzhiUniversity,Shangxi,China
1)
Abstract:Thefemtosecondlaserapplicationsneedhi【ghpowerandtificresearchandmany
TheTi:sapphirephire
amplifier.Itis
have
is锄ultrashort(10-15s)laser
ultrafast
withhighpeakpower.Sincemany
usedin
scien—
character,thefemtosecondlaseriswidely
otherfields.
theTi:sapphire
laserinvolvestwosystems,oneiswildlyusedtothedeveloped
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ultrashortpulse.Byusingtheself-locked-modeofTi:sap—
technique,thefemtosecondlaser
ofthe
generationand
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phiretechniqueduce
and
Chirped-Pulse-Amplification
this
demonstrated.
pro—
pulsewithultrashortand
hi曲peal【power.In
are
paper,theprinciple
amplifi—
cationinfemtosecondTi:sapphirelaser
KeyWords:femtosecondTi:sapphirelaser,oscillator,amplifier,Chirped
Pulse
(责任编辑琚爱堂)
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