【正文】 在同一時(shí)間段， 破壞損傷又 無(wú)法被實(shí)現(xiàn)，故而 光學(xué)透明 物質(zhì)的里面部分可以運(yùn)用 飛秒激光對(duì) 其實(shí)現(xiàn) 三維結(jié)構(gòu)微加工。 （ 3） 飛秒激光加工對(duì)材料 具有很大的寬容性， 任何材料 都 可以 被 進(jìn)行精細(xì)修復(fù)、加工和處理。 甚至和擁有很高 熱擴(kuò)散系數(shù)的金屬 作比較 ,在擁有一百飛秒的 脈沖寬度 的情況下 ,僅有一納米 的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度 可以被 激光照射 實(shí)現(xiàn) ,故總體上能夠不考慮 熱擴(kuò)散問題。 針對(duì) 飛秒激光脈沖 的能量不是很充足的特性來(lái)說 ,準(zhǔn)確 的加工 方法僅會(huì)產(chǎn)生于光強(qiáng)高于 多光子吸收閥值的 被照射范圍 。 在處于 1012～ 1014W/cm2這個(gè)范圍的 激光強(qiáng)度 IP出現(xiàn) 時(shí) ,不止一個(gè) 光子 將可以被 材料中的電子 在同一時(shí)間段吸納 ,電子 被輕松 從原子和分子中 剔除出來(lái)并 在強(qiáng)度 高的 激光電磁場(chǎng) 中 發(fā)生 電離 現(xiàn)象 。 不高于 1%rms 的 脈沖與脈沖能量 改變會(huì)產(chǎn)生 。 由于 設(shè)計(jì)的相對(duì)簡(jiǎn)單 化 ，袖珍的 尺寸，緊湊 的 結(jié)構(gòu) 成為了 RAPID 這 個(gè) 激光器的 優(yōu)點(diǎn) ， 超 快的 Pockels 核 和 放大器是其核心部分 ， 這樣超過五十萬(wàn)赫茲 的 高 重復(fù)率 可以由 它 產(chǎn)生 。厚度的典型值 是十到一百納米 的材料在這樣的條件 下 可以被 每個(gè)激光脈沖 熔解掉 ， 可以產(chǎn)生 最小的等離子， 擁有非常好的品質(zhì) ，零點(diǎn)一微米 精度的微結(jié)構(gòu) 能夠被生產(chǎn) 。紅外激光輻射從 STACCATO 射出后由于它具有超 高的峰值功率密度 的特點(diǎn)，所以類似于 532nm， 355nm 和 266nm 這種 更短的激光波長(zhǎng) 可以 被 轉(zhuǎn)變產(chǎn)生 。 利用這樣的方式 ， 毫焦量級(jí) 的脈沖能量 能夠被實(shí)現(xiàn) ， 然而缺陷是只有被控制在幾千赫茲的范圍內(nèi) 重復(fù)率。 至于 欽寶石激光器， 凹的小信號(hào)增益則 可以 通過 中心波長(zhǎng)高透的輸出藕合鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)為不能形成穩(wěn)定的凹的小信號(hào)增益 是 不穩(wěn)定的主要原因。 而 自鎖模激光器，它 的 脈沖的壓縮 并不是 只能靠增益介質(zhì)本身 ，與 主動(dòng)鎖模或被動(dòng)動(dòng)鎖模激光器脈沖壓縮元件 不同 。 這個(gè)情況說明 自鎖模 技術(shù)擁有非常好的使用前景和非常劃算的 實(shí)用 意義 。用 蘭姆理論 當(dāng)做根據(jù) 的 是前期 的自鎖模分析 的狀況 。 因?yàn)?τ值 非常 小 ，在很短時(shí)間內(nèi)這個(gè) “開關(guān)”又 會(huì) 關(guān)閉 ,所以產(chǎn)生了可以吸收 光強(qiáng)較小的脈沖的特性。 用 最簡(jiǎn)單的余弦調(diào)幅 舉 例 ,如果 損耗調(diào)制器插入腔內(nèi)， 可以 使中心頻率 ν 0的光波電場(chǎng)振幅 產(chǎn)生 余弦規(guī)律 的 變化，將 會(huì)得 到以下結(jié)論： 一個(gè)頻率 ν0， ν0+△νq和 ν0νq,理論分析指出， 如果 νq的振幅 被 一個(gè)周期為 T=1∕ 17 △ νq=2L∕c的任意正弦函數(shù) 所 調(diào)制， 那么 一個(gè)縱模 ν0將分裂為 ν0177。 第四、 在 普通的 的 CPA預(yù)案里， 在時(shí)域上超短脈沖 互相 重合 被 多光束疊加技術(shù) 實(shí)現(xiàn)是非常困難的，進(jìn) 而 導(dǎo)致該技術(shù)不能被應(yīng)用 。 比較合適 的脈沖寬度 與不是很寬 的光譜寬度 是 泵浦脈沖 所必需的 ，通常 是 在LBO、 KDP或 BBO晶體中啁啾脈沖 與這種 泵浦脈沖 利用 OPA的經(jīng)過增強(qiáng) 一個(gè)寬帶啁啾信號(hào)激光脈沖 ，然后 將 輸出峰值功率 很強(qiáng) 的激光脈沖 利用 脈沖 緊縮 得到。 在時(shí)間比較靠近的兩年里，又出現(xiàn)了增強(qiáng) 脈沖對(duì)比度的 不錯(cuò)的技術(shù)那就是 DPA方案。 這種 激光放大系統(tǒng) 的運(yùn)用非常普遍 ， 擁有非?；钴S的前景 ，具有低廉價(jià)格的 成本 ， 是 CPA 放大系統(tǒng) 現(xiàn)在改進(jìn) 的 主要前景趨勢(shì) 。 14 在 超短脈沖放大 領(lǐng)域內(nèi)最為完美的 介質(zhì)。在 CPA技術(shù) 被發(fā)明以前 ,GW(109W)量級(jí)脈沖峰值功率 長(zhǎng)時(shí)間沒有辦法被打破 ，是因?yàn)樗?激光元件損傷閾值 及 非線性效應(yīng) 所遏制引起的，因此同樣 造成了 很低的聚焦功率密度。 飛秒脈沖 ()在 一個(gè)光周期 從 在理論上 分析是 可以被 鈦藍(lán)寶石熒光光譜 實(shí)現(xiàn) ，但是一般狀況下它的 光譜 擁有非常自由 的調(diào)制 ，所以， 最短也 僅可能有大概為 5fs的脈寬從振蕩器 被 直接輸出。 由于想將 高階色散的影響 減弱的原因 ， R Szipocs 和 FKrausz在 1994年 建議 對(duì)脈沖的高階色散 運(yùn)用 啁啾鏡技術(shù) 實(shí)行補(bǔ)救 。中科院西安光機(jī)所 的 陳國(guó)夫研究員 1986年在英國(guó) 大學(xué)物理系 運(yùn)用相同的 結(jié) 12 構(gòu) ， 19fs的光脈沖 從 CPM環(huán)形染料激光器上得到了 ,這是迄今為止染料激光器最好的結(jié)果 。即： 1qq??? ??常數(shù) （ ） 每個(gè)縱模的振蕩是 互相 獨(dú)立的 ， 它們的 相位無(wú) 規(guī)律 地分布在 ? ～ +? 的范圍 之間， 10 在時(shí)域圖中 ， 強(qiáng)度分布的特性 是 具有熱噪聲。 效率很高 、緊湊 的構(gòu)造 、損耗 很低 、全光光學(xué)和負(fù)色散 是其 重要的特征 ,由于它的 波長(zhǎng) ，它可以應(yīng)用 于光 通信 ,通過 光纖 具備 的 特別 性質(zhì) 完成 孤子進(jìn)程是它 主要的工作原理。 圖（ a） 8 圖（ b） 圖（ c） 圖（ d） 圖（ e） 圖 Q 原理裝置示意圖 （ a)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q （ b)電光調(diào) Q （ c)染料調(diào) Q （ d)受抑全內(nèi)反射調(diào) Q 原理圖 （ e)聲光調(diào) Q 同樣，依照 激光介質(zhì)的 差別 飛秒激光器 大抵 可 以 分 成 四類 ：應(yīng)用無(wú)機(jī) 染料 當(dāng)做 介質(zhì)的飛秒激光器是第一類 ，它能夠按照 染料 的差別射出 波長(zhǎng) 也具有差異的 飛秒脈沖 ,紫外到紅外波段 均是它的影響范圍 。在激光形成的過程中， 設(shè)定 工作物質(zhì)的增益系數(shù)為 g0， 通過激光原理 可以知道 粒子反轉(zhuǎn)數(shù)及受激輻射截面 和 g0成正比， 故而 在諧振腔內(nèi)光子一個(gè)單程的放大量是 : 0g Nl? ? ?? () 其中 諧振腔內(nèi)的光子數(shù)密度 為 ? ； 工作物質(zhì)的受激輻射截面 為 ? ； 工作物質(zhì)的長(zhǎng)度 為 l。 當(dāng)然， 為了 將較 強(qiáng)的激光脈沖 得到 ，上能級(jí)積累的粒子越多越好， 但是這樣的 積累時(shí)間 不是無(wú)限的 ， 由于 粒子在上能級(jí) 只可以有 一定 時(shí)間的 停留， 所以 它有一定的壽命 (稱為熒光壽命 )。 咱們首 先來(lái) 理解一下 關(guān) 于 Q 值的含義，在無(wú)線電技術(shù)里 Q 值 是指 一個(gè)電學(xué)的諧振回路的品質(zhì) 要素 ，它 以為 著一個(gè)回路的電能損耗 狀況 ， Q 越小， 那么這個(gè) 回路的 功能即 品質(zhì)就越好。 4 依據(jù) 日常生活 的 經(jīng)驗(yàn)， 假如將 水用一臺(tái)抽水機(jī)抽到 水庫(kù) 中去， 如果水庫(kù) 的堤壩 非常低， 那么 它的蓄水量就 很小 。 應(yīng)用摻鎂橄欖石 或者 Ti :A1203等固體材料 當(dāng)做 介質(zhì)的固體飛秒激光器 是第二類 。時(shí)間 緩步向前，咱們 對(duì)飛秒激光會(huì) 被非常普遍 的 運(yùn)用 是 有堅(jiān)定的 信心的 ， 在 GDP 中 與其有關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)所占的比重將會(huì)越來(lái)越高 。 至于 超短脈沖技術(shù) 將來(lái) 的 需求 ，專家 曾經(jīng)發(fā)言講 ：“ 未來(lái) 10 年 的時(shí)間里 ， 不少于一千億美刀 的市場(chǎng)將 會(huì)被 超短脈沖激光技術(shù) 所占據(jù) ，其中 百分之五十 醫(yī)學(xué) 與人體生命學(xué)瓜分 、材料 研發(fā)與 制造 業(yè)只有百分之二十五 ， 剩余的所有只有瓜分剩下的百分之二十五 。 在 龐大的 激光 種類 中，超短脈沖激光器 在到 20 世紀(jì) 70 年代 時(shí)就呈現(xiàn)了非常大的 潛力 但是長(zhǎng)時(shí)間沒有得到很好的利用 。femtosecond laser 1 超短脈沖技術(shù)的原理與應(yīng)用 呂萌 （指導(dǎo)老師，劉昌寧 講師） （湖北師范 大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 中國(guó) 黃石 435002） 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 激光技術(shù) 的發(fā)展當(dāng)然是越快越強(qiáng)是最好的 ,特別 是這類激光提供了 其余 技術(shù)無(wú)法 提供 的工具 ， 這 類 激光 能夠讓很 多當(dāng)代物理的前沿學(xué)科 ,比 如非線性理論、量子物理、粒子物理、核物理天體物理、超高壓物理和宇宙 學(xué) 、原子物理學(xué)和相對(duì)論 學(xué) 等 學(xué)科集聚 一堂 。 學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)） Bachelor’s Thesis 論文題目 超短脈沖技術(shù)的原理與應(yīng)用 作 者 姓 名 學(xué)號(hào) 所 在 院 系 學(xué) 科專 業(yè)名稱 電子信息科學(xué)與技術(shù) 導(dǎo) 師 及 職 稱 論 文答 辯時(shí)間 2021 年 5 月 15 日 編號(hào) 2021120332 研究類型 理論研究 分類號(hào) TN2 中文題目： 超短脈沖技術(shù)的原理與應(yīng)用 外文題目： The Principle and Application of Ultrashort Pulse Technology 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 院系專業(yè) 物理與電子科學(xué)學(xué)院電子信 息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生班級(jí) 學(xué) 生 承 諾 我承諾在學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）活動(dòng)中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，本人學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）內(nèi)容除特別注明和引用外，均為本人觀點(diǎn)，不存在剽竊、抄襲他人學(xué)術(shù)成果，偽造、篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況。 在最近的十年里 ,超短脈沖激光技術(shù)的 持續(xù) 發(fā)展 不但深入 著超快現(xiàn)象、 THz 輻射等范疇 的 探究 ,并且 也 推動(dòng) 了頻標(biāo)測(cè)量、飛秒激光 精細(xì) 微加工等 一些比較超前的 學(xué)科的 發(fā)展 。 相較于其他的運(yùn)用來(lái)說 ， 因?yàn)椴皇呛芎?jiǎn)單就能弄清楚與成本太高的原因 高技術(shù)的超短脈沖激光器 不能被 實(shí)現(xiàn)， 所以很多 問題 到現(xiàn)在都 沒有獲得 解決。” 現(xiàn)在 ，發(fā)展 超短激光技術(shù) 重要的方向是：能夠突破 更短的脈寬 ，它的方法有 嘗試 利用 Ti:Sapphire 來(lái)得到三飛秒的 極限脈寬 ；努力將 新的技術(shù)、介質(zhì)與機(jī)理 探索出來(lái)， 成功進(jìn)入 阿秒 (1018s)時(shí)域 ； LD 泵浦的全固體飛秒激光器的 形成， 還有高功率的系統(tǒng) 與 飛秒光纖激光器。 [2] 超短脈沖激光 在光學(xué)中超短脈沖 是的連續(xù) 時(shí)間在 飛秒（ 1015秒） 數(shù)量級(jí)或 者 更短 數(shù)量級(jí) 的電磁脈沖。 但是非常恒定的 SML 運(yùn)動(dòng) 被 固體飛秒激光器 完成了，它擁有 700nm～ ～ 波長(zhǎng)范圍，它還擁有能夠影響 紫外 的 二次諧波。水泵就 可以很快地 把 水庫(kù) 灌滿。 在 激光技術(shù) 里 激光器諧振腔的光能損耗情況 我們 用 Q 來(lái)表示 ， 它的 定義為 : 2Q ??? 儲(chǔ) 存 在 腔 內(nèi) 的 能 量每 秒 損 耗 的 能 量 式中諧振腔內(nèi)振蕩的激光頻率 用 ν表示 ，腔的諧振圓頻率 用 2?? 表示 。后期光泵發(fā)出的光脈沖功率 應(yīng)該會(huì)非常 低， 這時(shí)應(yīng)該馬上 停止 繼續(xù) 積累，即 將 上能級(jí)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí) (圖 中的 tm時(shí)刻 )。 由于這個(gè) 放大量是進(jìn)行在單程渡越時(shí)間 t=L/C 內(nèi)的， 則 光子數(shù)密度 在 單位時(shí)間內(nèi) 的增加為 : / / / clN L C NL?? ? ?? () 這個(gè)公式里 L 是 諧振腔的長(zhǎng)度 ； C 是 光速。被動(dòng)鎖膜 是重要 技術(shù) 伎倆 ,在可飽和 匯集 染料 里 兩個(gè) 不 9 同目的傳達(dá) 的光脈沖的 CMP 技術(shù) 是重要的 技術(shù) 方法 。 [5] 鎖模的基本原理 大家都知道 ,一臺(tái)激光器的模式有縱模、橫模兩大類。如圖 所示 ， 在 t1時(shí)間內(nèi) 被 探測(cè)器接收到的是平均光強(qiáng) I 1 2220( ) ( ) 2Nt qqNEI E t E t d t??? ? ? ?? （ ）假如 設(shè) 定 每個(gè)縱模的振幅 Eq均相等 ,則 (2 1) / 2qI N E?? （ ） 然而， 如果 各縱模的初位相 有關(guān)聯(lián) ，即 1qqa??? ? ? ?常數(shù) （ ）我們來(lái)考察 它的 輸出特性會(huì)有 什么 明顯的變化。 到 了 20世紀(jì) 80年代后期 ,由于日進(jìn)改善 的 晶體生長(zhǎng)技術(shù) ，一大波功效非常好 的非線性晶體 與 固體激光介質(zhì) 被發(fā)現(xiàn)了 ,飛秒激光器 主流的改進(jìn)趨勢(shì)變成了 固體激光器。 將 啁啾鏡 和 棱鏡 對(duì)進(jìn)行比較，前者擁有三個(gè)非常突出的優(yōu)勢(shì)的 ，第一： 它 擁有 高 達(dá)百分之九十九的 反射率 ， 在 非常寬 的光譜 領(lǐng)域內(nèi)都是這樣 ，另一方面 在諧振腔內(nèi) 隨意位置都能夠設(shè)置 啁啾鏡 ， 腔形設(shè)計(jì)的 可變通性被大大增強(qiáng) 了 ；第二：利用 設(shè)計(jì)司在 比較大 的光譜 領(lǐng)域 內(nèi) 得到平順 的負(fù)群速色散 并且通過 晶體、介質(zhì)或自相位調(diào)制等引入的高階色散 ； 第三： 重復(fù)頻率 非常高的 飛秒激光脈沖 能夠被得到 。 想要愈加短 的脈寬 能夠被得到 ， 腔外壓縮的 技術(shù)又被我們運(yùn)用 了。 當(dāng)時(shí)間來(lái)都 1985年 后 , 激光脈沖 的增強(qiáng)運(yùn)用了 CPA 技術(shù) ，再 由于被日益改進(jìn) 的晶體生長(zhǎng)技術(shù) ，大