【文章內(nèi)容簡介】 o s[ 2 ( ) ] c o s[ ( ) ]N N NE t E N t E N t? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 1 0 0 1 0 1( ) c os[ 2 ( ) ] c os[ ( ) ]E t E t E t? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 0 0 0( ) c o s[ 2 ( ) ] c o s[ ( ) ]N N NE t E N t E N t? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 綜上 可知 ，光波電場(chǎng)可 以 統(tǒng)一表示成： 0( ) c o s [ ( ) ]NqNE t E q t q? ? ???? ? ? ?? （ ） 也可 以 用指數(shù)形式表示 成 為： 0[ / ) ]0() N i q t qqNE t E e? ? ?????? ? （ ）把與 其 無關(guān)的項(xiàng)移 動(dòng) 至求和號(hào)之前 , 則 （ ） 式可 以 改寫 成 為： 0 ()0() tNj t iqqNE t e E e? ? ?????? ? () 11 由于 α和 Δω都是 定值，和式 ()0 tN iqqNEe???????必 定 為時(shí)間 t的函數(shù) ,則： ()0() tN iqqNA t E e??????? ? 則 ( ) ( ) ojtE t A t e ?? ()將其 還原成三角函數(shù)的形式： 0( ) ( ) cosE t A t t?? 0( ) [ 1 c os( ) c os( ) c os( )A t E t t N t N? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?c os ( )]N t N??? ? ? ? 利用三角函數(shù)積化和差 和 三角級(jí)數(shù)的公式 ,上式可 以 化簡為 : 0( ) sin( / 2 / 2) / sin[ ( ) / 2]A t E N t t N t? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ()如果 各縱模初始位相 相同 ，即：qq ?? ??1=0, 則 0( ) si n[ ( 2 1 ) / 2] / si n( / 2)A t E N t t??? ? ? ? ()光波電場(chǎng) E(t)最后便可以變化成為下面的形式 00( ) sin[ ( 2 1 ) / 2 ] c o s / sin( / 2 )A t E N t t t? ? ?? ? ? ? ? ()綜上，可以得出結(jié)論： （ 1） 鎖模激光器的輸出時(shí)間為 T =2π/ω =2L/C的規(guī)則脈沖系列。 （ 2） 每個(gè)脈沖的寬度為 τ=T/ N ， 因?yàn)?N≈Δω/ω， T=2π/ω， 所以脈寬 τ～ 2π/Δω=1/Δν。 例如 ： 在釹玻璃中 ,Δν= 20nm～ 30nm， 可 以 得到 10 13～ 10 12S 數(shù)量級(jí) 的鎖模脈沖。 （ 3） 平均功率的 N倍等于輸出脈沖的峰值功率 。 [6] 飛秒激光技術(shù)的 重要部分是其增強(qiáng) 和 形成 ， 相位穩(wěn)定技術(shù)等 是和它有緊密關(guān)聯(lián)的。鎖模技術(shù) 生成了 飛秒脈沖激光 ， 1976年 ，當(dāng) 飛秒激光脈沖輸出 被 人們 第一次 在染料激光器中實(shí)現(xiàn) 后 ， 飛秒激光技術(shù) 在世界范圍內(nèi)得到了快速地改進(jìn) ， 1982年的 R. 等人在 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得 90fs 的光脈沖 是 在環(huán)形染料激光器中 第一次 運(yùn)用碰撞脈沖鎖模(Colliding Pulse Mode!locking,CPM)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)的 ， 1985年美國的 爾實(shí)驗(yàn)室 將 可補(bǔ)償腔內(nèi)群速彌散的四棱鏡結(jié)構(gòu) 引入 激光腔內(nèi) ， 27fs的光脈沖 被 獲得了。中科院西安光機(jī)所 的 陳國夫研究員 1986年在英國 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 。 到 了 20世紀(jì) 80年代后期 ,由于日進(jìn)改善 的 晶體生長技術(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。特別是 自從 20世紀(jì) 90年代后期到本世紀(jì)初期 ， 飛秒固體激光器 完全成為了主要的發(fā)展方向 。 Ti:Sapphire、 Cr:LiSFA、 Yb:YAG、 Nd:glass、 Yb:KGW, Yb:GdCOB、 Yb:KYW、 Cr:Forsterire、Cr:YAG等主要是這些飛秒 的 激光介質(zhì) ， 具 有很寬的熒光譜寬 是 這些晶體 的共通特性 。但 是 Ti:Sapphire 晶體 還是非常好 的飛秒介質(zhì) ， 它 不但 熒光譜 (660～ 1100 nm)很寬、光學(xué)均勻性和導(dǎo)熱性 很 良好、 高 硬度、 高 損傷閾值等優(yōu)良的 特性 ，并且 還有綠光泵浦源 這種完全 商品化 了的 ， 固體飛秒激光器 剛好是由于這類 技術(shù)的發(fā)展 有了劃時(shí)代的邁進(jìn) 。 我們把 KLM振蕩器 從 兩 個(gè)部分 進(jìn)行了 改進(jìn)，由此縮短了 脈沖寬度。 將 腔內(nèi)的自相位調(diào)制效應(yīng) 是進(jìn)行改善第一種方法 ，這種情況下可以得到 更寬的光譜 ，讓 寬度更短的脈沖可以形成 ；將 腔內(nèi)的色散補(bǔ)償 進(jìn)行 改進(jìn) 是第二種方法 ，這種情況下 光脈沖色散 被削減 ，同時(shí) 更短的脈沖 也可以被得到 。 因?yàn)?不可 能忽視 棱鏡 和 增益介質(zhì)引入的四階 和 三階色散對(duì) 小于 10fs的 脈沖寬度影響 的原因 ,讓 低于 10fs的脈沖寬度 非常困難的被利用 棱鏡 實(shí)行色散補(bǔ)償?shù)恼袷幤?所得到 。 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 。 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 。 脈沖寬度在 飛秒振蕩器 中被削減到 10fs以下 ，是由 啁啾鏡技術(shù) 引起的 。 五飛秒的 脈沖 在 一九九九 年 就已經(jīng)被振蕩器實(shí)現(xiàn)了 ,而且也同樣早已有 了讓 京赫茲重復(fù)頻率 實(shí)現(xiàn)的 振蕩器 ，它的 重復(fù)頻率 很高的 。 兩千零一 年鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器 在利用 色散管理 方法和 增強(qiáng)自相位調(diào)制 的技術(shù)不單單只是得到 了 五飛秒 的脈沖寬度 ,同樣 鈦寶石的發(fā)射光譜 被趕超 了 ， 600～ 1200nm范圍都被其影響，實(shí)現(xiàn)了 一個(gè)倍頻程。鎖模 的 自 發(fā)開啟是需要 啁啾鏡技術(shù) 和 半導(dǎo)體可飽 和 SESAM的聯(lián)合才可以完成的，這種情況下 fs 的脈沖 被得到了 。 由于很多類別 飛秒振蕩器的 被發(fā)現(xiàn)的原因，給 超短脈沖合成技術(shù) 等 超快 鉆研給予 了 鉆研器材和鑒定牢靠 的前級(jí)。 另一方面 ，因?yàn)?鈦藍(lán)寶石激光器的 射出 激光 擁有不窄的 可調(diào)諧 領(lǐng)域 ， 基本上可以不間斷 調(diào) 節(jié)于 700～ 1000nm的 范圍 ， 13 故而 光學(xué)參量 和 倍頻放大等 方法的被運(yùn)用 ，早就 可以 從紫外到中紅外 不同的 波段 范圍里得到 飛秒脈沖。 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。 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。經(jīng)過 光纖 里 注入腔倒空激光 完成了最初 的 打破 。納焦 為不超過一百 的飛秒脈沖 通過 腔倒空 射出被注入 到標(biāo)準(zhǔn)光纖 里 ， 寬帶的 延續(xù)不斷的 光譜 被取得是利用 自相位調(diào)制效應(yīng) 的原因 ，再通過 光柵對(duì)、棱鏡對(duì)及啁啾鏡的 結(jié)合緊縮 脈沖。 利用 空心光纖 里入射 放大光的 技術(shù)使得 寬度 為三點(diǎn)八飛秒 的脈沖 在 兩千零三 年 被捕捉到 ，這是 一個(gè) 超級(jí)靠近八百納米 的光周期。 Eiichi Matsubara等人 在兩千零七 年 實(shí)現(xiàn) 鈦寶石輸出脈沖 寬度為 五百納米，是通過 氬氣展寬 得到的 ,然后將其緊縮能夠獲取 一個(gè)周期 為二點(diǎn)六飛秒 的激光脈沖。 結(jié)果兩 千零一 年 利用 惰性氣體 被大概為 100TW/cm2光強(qiáng)、 八百納米 中心波長 ，四十飛秒 脈沖寬度的飛秒脈沖 所沖擊 ， 250as的 脈沖寬度信號(hào) 在 高次諧波中 被發(fā)現(xiàn)了 ， 人類 邁進(jìn) 了阿秒的范疇。 啁啾脈沖放大 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度高的峰值高的功率 ，重要 的原因是產(chǎn)生了 寬帶高增益介質(zhì) 與運(yùn)用 CPA 方法 。在 CPA技術(shù) 被發(fā)明以前 ,GW(109W)量級(jí)脈沖峰值功率 長時(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。 當(dāng)時(shí)間來都 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) 的晶體生長技術(shù) ，大量具有不錯(cuò)功能 的寬帶高增益放大介質(zhì) 被發(fā)現(xiàn)了 ，至此也快速增強(qiáng) 了 脈沖的峰值功率 ，使其突破到 1012W量級(jí) ，更有甚者邁入了 1015W量級(jí) 的門檻 。 同樣 ,這些介質(zhì)的發(fā)現(xiàn) 也 快速增強(qiáng)了 聚焦功率密度 ，超過 1021W/cm2量級(jí) 是現(xiàn)如今實(shí)現(xiàn) 的 最棒的 記錄。 在脈沖 經(jīng)過 CPA 技術(shù)進(jìn)行 增強(qiáng) 的 情況下 ,得到 高峰值功率 是靠 放大介質(zhì) 來保障的 。增強(qiáng) 脈沖 緊縮 的極限 依靠 寬帶 來保障 ， 高效率的 增強(qiáng)依靠 高增益 來保障 。 當(dāng)前形勢(shì)下 ,摻 Nd3+和 Ti3+兩種介質(zhì) 是主要的 放大 的 。 Nd:g lass,Nd:glass是 摻 Nd3+類中最 經(jīng)常用來增強(qiáng)的 的 ， 它的特點(diǎn)是：具有很長的 熒光壽命 ,很高的 飽和能流 ,比較適宜增強(qiáng) 高能量 ；然而 它 也有缺點(diǎn)： 導(dǎo)熱 性能極其不好 , 非常狹窄的增益譜寬 ,短脈沖 (100fs)的增強(qiáng) 不 是非常合適 。 Ti:Sapphire晶體 是 摻 Ti3+種類中被運(yùn)用的最頻繁的 放大介質(zhì) ， 擁有一百八納米這種較寬的 增益譜寬 ,高達(dá) 5J/cm2的 損傷閾值 ,還有優(yōu)良的 導(dǎo)熱 性能 ，都是它的優(yōu)勢(shì)。 14 在 超短脈沖放大 領(lǐng)域內(nèi)最為完美的 介質(zhì)。一套鈦寶石激光器 所需要的使用面積是非常小的 ，幾乎等同于一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，袖珍型與 穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)讓普通的 實(shí)驗(yàn)室 同樣能夠進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn) 。 下面 CPA放大系統(tǒng) 可以被劃分為三大類別，其主要分類依據(jù)是其應(yīng)用 的重復(fù)頻率 ,增益介質(zhì) 與 輸出峰值功率 ,這同樣也是 CPA系統(tǒng) 現(xiàn)在改進(jìn)的三個(gè)大趨勢(shì) 。 長脈沖高能量放大系統(tǒng) 是第一個(gè)種類 。 通常情況下 Nd:glass是其最重要的 放大介質(zhì) , 這類放大系統(tǒng) 能夠?qū)Ⅲw積做的非常大 ，再者它能擁有大于 300μs的 上能級(jí)弛豫時(shí)間 ，而且 可以 在 八百納米周圍擁有非常好 的吸收 性 ， 半導(dǎo)體激光器直接泵浦 領(lǐng)域 它是非常符合的，可是 其也具有很差的 導(dǎo)熱 能力 和較低的 重復(fù)頻率。 Lawrence Livermore National Laboratory美國國家實(shí)驗(yàn)室 在 1999年 ，通過 Ti:sapphire Nd:glass 激光系統(tǒng) 使峰值 功率 高于一千五百太瓦 的激光脈沖產(chǎn)生了 ,功率密度 在聚集 后 可以超過 7 1020 W/cm2，這 是 我們迄今為止能夠得到 的峰值功率最高的激光脈沖。 超短脈沖峰值功率 超高的 放大系統(tǒng) 是第二個(gè)種類 。摻鈦藍(lán)寶石晶體 是 這 個(gè)種 類激光放大系統(tǒng) 經(jīng)常使用 的放大介質(zhì) ，低于三十飛秒的 脈沖寬度。 這種 激光放大系統(tǒng) 的運(yùn)用非常普遍 ， 擁有非常活躍的前景 ，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) 。日本 和 等人 兩千零三 年 增加 一個(gè)主放大級(jí) 在 原來 一百太瓦 的 基礎(chǔ)上 , 運(yùn)用 μ=88 mm口徑 的 Ti:sapphire晶體 ，運(yùn)用 能量 為 七百焦耳 的 泵浦 ，超過 50%的轉(zhuǎn)化 效率 ， 最后 八百五十太瓦 的高峰值功率 被獲得 , 初步估計(jì) 脈沖強(qiáng)度為 3 1021 W/cm2的 激光 在聚集 后 可以被得到 ,迄今為止這是 這一種 激光器 可以實(shí)現(xiàn) 峰值強(qiáng)度和功率 的極限 。 重復(fù)頻率 高的 放大系統(tǒng) 是第三個(gè)種 類。 超過一千赫茲的 重復(fù)頻率 ,大部分都是應(yīng)用摻鈦藍(lán)寶石 的作為 增益介質(zhì) 的 ,因此導(dǎo)致 脈沖峰值功率 的輸出被增加 到 零點(diǎn)六六太瓦 ，可以實(shí)現(xiàn)十四瓦的 平均功率。 由于 CPA技術(shù)的 改善 ，大量全 新的技術(shù) 被發(fā)現(xiàn)了 ，大幅度的增強(qiáng)了其 時(shí)間 性能 、聚焦 特性和 輸出光譜 性能 等方面。 例 如 應(yīng) 用 CPA 的光學(xué)參量 作為基準(zhǔn)的 OPCPA技術(shù) ，它的優(yōu)勢(shì)明顯并且數(shù)量大 :不可能出現(xiàn) 熱