超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
第23卷第1期2007年8月
山西大同大学学报(自然学科版)
Journal of Shanxi Datong University(Natural Science)
Vol.23.No.1
Aug.2007超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
郭玉洁,帕力哈提?米吉提
(新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐830046)
摘 要:该文介绍了飞秒激光的特点、应用以及钛宝石激光器的相关理论。
关键词:飞秒激光 钛宝石激光器 自聚焦
中图分类号:TN248.4 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120058203
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,增强人类改造世界能力的技术.它是目前人类观察微观世界,揭示超快运动过程的重要手段.科学家预测飞秒激光将为未来新能源的产生发挥重要作用.
1 超短脉冲激光及其应用
1.1超短脉冲激光的特点
自从脉冲激光问世以来,激光脉冲的峰值功率及脉冲宽度已经有了前所未有的快速发展.1981年Fork等人利用碰撞锁模技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲[1],从而使人类进入了超短脉冲激光技术时代.超短脉冲激光有两个显著特点:一是脉冲宽度极短,达到了飞秒(10215s)量级,阿秒(10218s)量级;二是经过放大后,脉冲峰值功率极高,可以达到太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)量级.脉冲持续时间如此之短,峰值功率如此之高,且能聚焦到比头发直径还要小的空间区域,使得聚焦后的光功率密度可以达到1020W/cm2量级以上.这些独有的特点使超短脉冲激光具有广泛而特殊的用途,它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用.
1.2飞秒激光的用途
超短脉冲激光的发展直接带动了物理、化学、生物、材料与信息科学等的发展,并开创了一些全新的研究领域,如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、超高强度科学与技术等.
1.2.1飞秒激光在超快领域内的应用
飞秒激光在超快现象研究领域中起的是快速过程诊断的作用.飞秒激光尤如一个极为精准的“时钟”和一架超高速的“相机”,它可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来,形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术.由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有着独特的优点和不可替代的作用.
1.2.2飞秒激光在超强领域中的应用
飞秒激光是研究原子分子体系、高阶非线性和多光子过程的重要工具.飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常高,这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场,从而很容易将原子中的电子统统剥落,是产生激光等离子体、超短X光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径.物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体.这种等离子体可以辐射出各种波长的射线激光.高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光、β射线激光以及正负电子对.高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂等因天然雷击而造成的灾难性破坏.高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火,从而为人类获得新一代能源开辟了一条崭新的途径.
收稿日期:2007203205
作者简介:郭玉洁(19792)女,辽宁辽阳人,硕士,研究方向:激光物理.
1.2.3飞秒激光超微细加工
用超短激光脉冲进行材料处理或加工不仅可以改进用现有激光进行材料微加工的不足之处,而且还可以完成传统激光加工无法做到的事情.飞秒激光具有极高的三维光子密度,可以对各种材料实现逐层、微量加工;飞秒激光加工的热影响区域小,并且不存在长脉冲激光或连续激光加工中的等离子体屏蔽效应[2],这就使其能量利用效率和加工精度都非常高.当用飞秒激光加工透明介质材料时,加工过程不受材料本身的线性吸收系数的影响,同时,对材料表面或内部的缺陷不敏感.此外,从光和物质相互作用的角度来看,飞秒激光加工涉及的主要是多光子电离的过程,在机理上不同于传统激光加工.可以预见飞秒激光超微细加工技术在微电子、生物芯片和新型材料等科学技术领域中都将具有广泛应用.
1.2.4飞秒激光在光通信中的应用
人类正在步入知识经济时代与信息化社会.信息的流量以每年34%的速率增长.要有效地利用信息,就要不断提高信息的传输、交换与处理的速度.据预测,到2010年,通信系统的传输速率要求将达到Tb/s量级[3].由于受普通电磁波频率及电子在半导体中速度的限制,信息传输的速率和容量都受到限制.而光波的频率是普通电磁波的105倍,光速是半导体材料中电子速度的1000倍,光子还具有空间与波长方面的并行处理能力,因此,以光子作为信息载体的通讯与信息处理技术将成为现代通信的主体.飞秒技术为光通讯提供了高重复频率的超短光源、超快速光开关、光调制器和光控测器.由于飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和与之相伴的宽带,它将为提高光时分复用和波分复用的信道数目提供方便,从而大大增加了光纤通讯的容量.
2 钛蓝宝石飞秒激光器
超短光脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模、以及20世纪90年代出现的加成脉冲锁模或耦合腔锁模、自锁模等阶段.1991年人们首次在掺钛蓝宝石(Ti:sapp hire简称Ti:S)中成功地利用自锁模产生了飞秒脉冲.由于近年来,晶体生长技术日趋成熟,且固态晶体材料具有荧光带宽、导热性能好等特点,利用晶体材料为激光增益介质产生飞秒光脉冲已迅速成为超短脉冲激光领域内的研究热点.目前掺钛宝石激光器是最热门的研究课题,同时也是最实用的,现已有大量产品问世.钛宝石激光器的优点是:①波长调谐范围宽(660～1200nm),相当于三种染料所能覆盖的范围;
②使用寿命比较长,运转效率高,可靠性强;③既可以连续运转也可以脉冲运转.在钛宝石激光器中存在几个非常重要的效应,它们对超短脉冲的产生至关重要.
2.1自聚焦
典型的钛宝石飞秒激光器是利用克尔透镜效应进行锁模的.克尔透镜(Kerr Lens)简称K L,利用K L的锁模简称K L M.实际上,钛宝石飞秒激光器内既没有插入主动锁模装置也没有放入饱和吸收材料,而是利用钛宝石自身的KL效应[4,5].钛宝石的非线性折射率:
n=n0+n2.I(t),n2>0(1)
由于外电场的作用,介质折射率的变化与电场平方成正比,这种效应叫克尔效应.由于激光束可看成高斯光束,在钛宝石中心线附近的光最强,n2. I(t)最大,折射率n也最大.这样,使得钛宝石棒等价于一个中心折射率大、边缘折射率小的透镜,这就是K L效应.从脉冲包络的时域上看,脉冲前后沿的光强小于脉冲中间部分的光强,于是脉冲中间部分对应的类透镜焦距f m小于脉冲前后沿对应的焦距,这样当一个光脉冲通过介质后,光脉冲前后沿的高斯光束参数与脉冲中部的高斯参数不再一致,即脉冲通过自聚焦介质后由于自聚焦效应的作用,光强在时间上的变化通过空间上的变化反映了出来,这就是所谓的自聚焦效应.
若钛宝石的长度为ΔL,则此透镜的焦距为
f m=αw2m/4n2ΔL(2)
其中w m是与介质有关的常数,是光斑大小. 2.2群速色散
群速色散(Group Velocity Dispersion)简称GVD.当光脉冲通过色散介质时,介质的响应通常与光波的频率ω有关,这种特性称为色散,它表明了介质折射率n(ω)对频率的依赖关系,是与光强度无关的线性光学效应[6,7].一般来说,色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁波辐射的特征谐振频率有关.由于不同的频谱分量对应于由c/n(ω)给定的不同的脉冲传输速度,因而色散在超短脉冲传输过程中起着非常重要的作用.
2.3自相位调制
自相位调制(Self Phase Modulation)简称SPM.光脉冲通过具有非线性折射率的介质时,光强随时间变化,这导致了折射率的相应变化,这种变化对传输光脉冲起着调制作用(K L效应使脉冲发生了空间上的变化,而SPM使脉冲发生了时间上的变化),如果既是传输光又是导致非线性折射率变化的光波,这种作用就是SPM效应,即光波相位受到了自身变化着的光强的调制[7].显然,由于光脉冲峰值处的相位相对于前后沿经历了较大的折射率,从而产生了附加相移量,这种相移量积累起来就造成了极为显著的相位调制,并最终导致光脉冲的频率展宽.如图1所示,纵向克尔效应导致脉冲前沿发
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2007年 郭玉洁:超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
生红移,后沿则产生蓝移,从而使脉冲光谱加宽
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图1 纵向克尔效应
2.4钛宝石激光器锁模过程
钛宝石激光器锁模过程可简述为[8]:由于某种扰动或涨落,在钛宝石激光器中会出现一些无规则的小脉冲,其中光强最强的小脉冲通过介质的透射率最高,即损耗最小,能更有效的被放大,通过竞争,可将其他小脉冲抑制掉.其实,最初那个最强的小脉冲来自涨落,是部分纵模叠加增强的结果.另一方面,在振荡过程中,其它纵模的位相也随机性变化,这样就会有越来越多的锁模“参加”到最初光强最强的小脉冲中,直至全部纵模都能锁定起来.这种在激光腔内不需外加任何调制元件,仅依靠激活介质自身的非线性效应产生振荡光束的,从而产生超短脉冲的锁模技术叫做自锁模.
钛宝石飞秒激光器获得最初扰动的方法极其简单,有时敲一敲激光器的工作台就可导致锁模,通常使用机械方法使其谐振腔的反射镜震动一下[8]
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图2 四镜折叠腔结构示意图
因为自锁模激光器结构极其简单,激光腔结构就成为影响自锁模的一个主要因素.所以在自锁模激光器出现之后,很多科研工作者对激光器的谐振腔进行了大量的研究和优化.图2为四镜折叠腔的结构示意图[9].
其中,焦距为f 的两个球面镜1与2之间布置长度为z 的激活介质.谐振腔的输出臂长与a ,c 有关.输出镜4与光阑之间的距离为d ,减小谐振腔衍射损耗光阑5的孔径为D.光阑放置在焦点附近,由于光强越强,通过光阑的光强越多,光强越弱,通过光阑的光就越弱,这样就等价于饱和吸收的作用.
钛宝石飞秒激光器的另一个问题是色散补偿,因为其中的短脉冲有不同的频率成分,有色散效应,该色散作用会使脉冲加宽.为解决这一问题,必须用一系列光学元件消除这种色散,实现色散补偿.
3 结束语
纵观超短激光束脉冲的发展,在短短三十年的时间里,其脉冲宽度缩短了6个数量级,其峰值功率提高了十几个数量级,发展速度之快,在自然科学发展史上是罕见的.飞秒激光技术的迅速发展和相关激光设备的不断创新,提供了研究瞬态光过程的新手段,它已逐步成为许多学科继续向前发展的新技术手段.我们相信随着超短激光束脉冲技术的进步,超快和超强现象将变得更加瑰丽多彩.
参考文献
[1]周炳琨,高以智.激光原理[M ].北京:国防工业出版社,1995.2382245.
[2]白希祥.低能带电粒子聚变反应中的静电屏蔽效应[J ].原子核物理评论,2002,19(1):7212.[3]何淑贞,王晓海.光通信技术的新飞跃[J ].网络电信,2004,6(4):36240.
[4]蓝信钜.激光技术[M ].北京:科学出版社,2006.1562158
[5]王春林,陈檬,李港.半导体泵浦YA G 自锁模谐振腔研究[J ].应用激光,2000,20(2):71273.[6]张晓华,张光寅.钛宝石飞秒激光器的锁模机理探讨[J ].物理学报,2005,54(3):121321217.
[7]Vittorio Magni.Resonators for solid 2state lasers with large 2volume fundamental mode and high alignment stability [J ].
A p plied O ptics ,1986,25(1):1072118.[8]李福利.高等激光物理学[M ].北京:高等教育出版社,2006.5052517.[9]郭玉洁,郭雄英,帕力哈提?米吉提.固体激光器中自聚焦与同步泵浦的组合锁模[J ].中北大学学报,2005,26(增刊):1712174.
U ltrafast Pulse and Ti :Sapphire Femtosecond Laser
GUO Yu 2jie ,Palihatl ?Mijiti
(School of Physical Science and Technology ,Xinjiang University ,Urumqi Xinjiang ,830046)
Abstract :This paper introduces the characteristics and the application of femtosecond laser ,and it also expounds the theory of the Ti :sapphire laser.
K ey w ords :femtosecond laser ;Ti :sapphire laser ;self 2focusing
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06? 山西大同大学学报(自然科学版) 2007年
Ti宝石激光晶体
Ti宝石激光晶体 钛宝石（Ti：sapphire，Ti3＋：Al2O3）是当今最优秀的可调谐激光晶体，调谐带宽：660nm~1100nm，吸收带位于400~600nm，峰值吸收在490nm附近。表征晶体质量除按光学晶体要求外，一个重要的指标是晶体的品质因素（figure of merit, 简称FOM）。FOM定义为：FOM=α490∏/α800∏，α490∏、α800∏分别表示晶体在490nm和800nm对∏偏振光的吸收系数。Ti:sapphire激光跃迁的上能级寿命3us。掺钛宝石晶体的荧光光谱宽，发射截面大，导热性好，硬度高，物化性能稳定，被公认是最好的可调谐激光晶体掺钛蓝宝石激光器是迄今为止输出光谱在近红外波段调谐范围最宽的固体激光器之一,若辅之以非线性光学频率变换技术,制成准相位匹配光学参量振荡器,通过调整相关参数,可以得到高输出 功率、高效率、可调谐波长范围大、寿命长、结构紧凑而体积小的红外可调谐光源,满足光通讯、红外对抗、环境监测、及光谱学研究等 诸多领域的应用需求。在基质晶体中掺入三价钛离子而形成的输出激光可调谐激光晶体。六方晶系。熔点2050℃。空间群D 6d-R3C，硬度9，仅 3 次于金刚石。晶体具有宽的吸收带(400～600nm)、宽的发射带(650～1200nm)和大的发射截面(3×10-19cm2)，荧光寿命3.2μs。采用焰熔法、提拉法、 区熔法、热交换法等方法制备。军事上用于遥感、雷达，工业上用于激光加工等。 这是一种以ti:al2o3晶体为激光介质的固体激光器(简称ti:s激光器)。它以调谐范围宽(670nm～1200nm)、输出功率(或能量)大、转换效率高、运转方式多等诸多优异特性而倍受青睐，成为固体可调谐激光器中迄今为止发展最为迅速、最为成熟、最为实用，而且应用也最为广泛的一种。 a，连续运转钛宝石激光器纯连续运转钛宝石激光器最先是通过氩离子激光器泵浦实现的。其后使用铜蒸汽激光器、yag激光器等泵浦均获得连续激光输出。功率可达几十瓦，转换效率最高可达40%，波长可调谐范围为700nm～900nm。此外，利用上述几种激光器还获得khz量级的准连续激光输出。例如，在我国利用绿光泵浦获得5w以上的准连续激光输出，转换效率为30%以上。 b，脉冲运转钛宝石激光器这方面的研究工作很多，早期，泵浦源一般为闪光灯、闪光灯泵浦的染料激光器、调q倍频nd:yag或nd:ylf激光器等。获得的激光脉冲宽度在几十ns量级。由于钛宝石晶体具有极宽的增益轮廓，因此，通过锁模运转获得极窄的超短光脉冲已成为广泛关注的研究热点。主动锁模获得超短脉冲，其脉宽可达到近100fs，如使用棱镜式声光调制器，既做锁模器又是调谐器，可产生近100nm调谐范围的超短光脉冲。在被动锁模中，多采用ddi 与hitci染料做可饱和吸收体，已得到50fs～100fs脉宽的实验结果。此外，还研究和实现了同步泵浦锁模和碰撞脉冲锁模钛宝石激光器，均获得脉宽为几十 fs的输出。同一时期，还分别发展和实现了加成脉冲锁模、耦合腔谐振被动锁模、线性外腔锁模以及微粒镜锁模等。 引人注目的工作是，1991年spence首次报道了自锁模运转的钛宝石激光器。这种激光器是在连续钛宝石激光谐振腔中只加一对或二对色散棱镜，而不需要任何主被动锁模器件，即可实现锁模运转，获得fs量级的超短光脉冲。由于这种自锁模激光器结构简单、造价低廉，因此它一经实现，就迅速在世界范围形成热点。研究最多、最深入的是钛宝石自锁模激光器的自启动问题。提出了诸如声光调制器再生启动、可饱和吸收体启动、量子阱反射器耦合腔启动、振镜外腔及振动镜谐振腔启动方法等，这些方法能够有效地启动并维持钛宝石激光器的自锁模运转，使其向实用化发展。
连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究
连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究 【摘要】：紧凑稳定高效的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器,以其较宽的输出光谱、较高的输出功率、较低的强度噪声等优点,可广泛应用于高灵敏度的干涉仪、高分辨率激光光谱、引力波探测、量子通讯、原子冷却等领域。一方面,我们可以通过对钛宝石晶体本身特性进行分析,设计并优化光学谐振腔,以及在谐振腔内插入激光器必须的光学元件等手段,获得高效稳定的连续单频可调谐钛宝石激光器。另一方面,随着科学技术的发展,人们对激光器的强度噪声更加关注,因为激光器强度噪声的存在对许多实验结果产生不利的影响,进而阻碍了钛宝石激光器在科研领域中的应用。因此,提高全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的相关指标和降低钛宝石激光器的强度噪声就成为了发展全固态连续单频可调谐钛宝石激光器的主要内容。为此,我们主要从设计和优化激光器谐振腔,降低激光器强度噪声等方面对全固态连续单频可调谐钛宝石激光器进行了研究,其主要工作如下：1.通过对具有宽带吸收光谱和宽带发射光谱的增益介质钛宝石晶体的分析,设计了消除像散的四镜环行谐振腔。利用传输矩阵,分析了四镜环行谐振腔的稳区和腰斑的变化特性,合理选择谐振腔参数,使激光器工作在最佳状态。在谐振腔内插入了由外加磁场的TGG晶体和消色差半波片组成的宽带该光学单向器后,激光器在可调谐的波长范围内均实现了单向运转。2.理论上分析了最大输出功率与腔内损耗以及输出耦合镜透射率之间的关系,得到了不同泵浦功率下的输出耦合镜最
佳透射率。实验上利用腔内插入薄熔融石英片和更换输出耦合镜透射率的方法,测量了腔内损耗,在此基础上得到不同泵浦功率下的输出耦合镜最佳透射率,进而优化了激光器。最后,将激光器锁定在高稳定度的光学参考腔上,提高了激光器的输出稳定性。3.分析了双折射滤波片和标准具以及压电陶瓷在钛宝石激光器中的调谐特性。在钛宝石激光器中,钛宝石晶体的发射谱决定了最大调谐范围；双折射滤波片在激光器中起粗调作用,其最薄一片决定其最大调谐的范围,而最厚一片决定其调谐的精度；标准具是一种选模调谐,尽管其调谐精度很高,但其仍是非连续的调谐；而要想获得真正的连续调谐,还需要改变谐振腔上的压电陶瓷的电压,通过改变压电陶瓷的电压,进而改变谐振腔腔长,最后达到连续调谐的目的。4.在获得高稳定性的全固态连续单频可调谐钛宝石激光器后,我们研究了钛宝石激光器的强度噪声特性。首先,我们研究了泵浦源的纵模结构对钛宝石激光器的影响,发现以单频绿光激光器取代单横模绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源时,钛宝石激光器的强度噪声明显降低。在此基础上,我们还研究了泵浦源的泵浦速率等因素对钛宝石激光器的影响。随着泵浦速率的增大,激光器的弛豫振荡频率向高频方向移动,而弛豫振荡的幅度减小。最后,我们用一种理论模型拟合了钛宝石激光器的强度噪声,该模型适用于泵浦源有一定分布特点的激光器。5.尽管采用单频绿光激光器作为钛宝石激光器的泵浦源,钛宝石激光器的强度噪声在 2.5MHz处已达到量子噪声极限,然而在低频段,钛宝石激光器的强度噪声仍然高于量子噪声极限。为了获得低噪声的钛宝石激光器,我们采用光电负反馈来抑
双向泵浦钛宝石脉冲激光的多通放大
第9卷 第2期 1997年5月强 激 光 与 粒 子 束H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S V o l .9,N o.2 M ay .,1997 3 国家863惯性约束聚变领域资助课题。1996年11月5日收到原稿,1997年5月15日收到修改稿。 张树葵,男,1963年6月出生,博士,副研究员。双向泵浦钛宝石脉冲激光的多通放大Ξ 张树葵 文国庆 王晓东 唐 军 周丕璋 彭翰生 (中物院核物理与化学研究所,高温高密度等离子体重点实验室,成都市525信箱80号 610003) 摘 要 从基本理论出发,系统地计算分析了双向泵浦钛宝石激光放大器的增益特性,进 而采用新的放大构型完成了啁啾脉冲八通放大实验,放大总增益近106,输出脉冲能量达018mJ 。 关键词 钛宝石激光器 双向泵浦 啁啾脉冲放大 ABSTRACT T h is paper p resen ts the calcu lati on and analysis on the gain characteristics of doub le 2side pumped T i :sapph ire laser amp lifiers .Ch irped 2pu lse m u lti pass amp lificati on in T i :sap 2 ph ire experi m en ts has been ,fo r the first ti m e in Ch ina ,conducted here w ith 106overall gain and 0. 8mJ ou tpu t energy . KEY WOR D S T i :sapph ire laser ,doub le 2side pump ing ,ch irped 2pu lse amp lificati on 0 引 言 高功率钛宝石激光系统需要有高增益前置放大器,以把振荡器输出的(nJ 级)弱种子光脉冲放大到具有一定能量(m J 级)水平。再生放大器的光腔内含有较多的光学元件,放大次数亦甚多,同时考虑到信号带宽问题,用它难以放大脉宽在几十飞秒以下的光脉冲以及实现大范围调谐。在泵浦能量一定的情况下,如何尽量减少放大次数以及光路中的光学元件对宽频带光脉冲的放大至关重要。另外,钛宝石放大器的泵浦光是经过透镜而聚焦至钛宝石晶体中的,使泵浦光束尽可能细可以提高增益,但也容易损坏晶体,所以为了增加馈入晶体的能量,也必须寻求新的泵浦方式和放大方案。 采用双向泵浦方式并设计了多通共焦腔放大器,实验证明,利用这种放大构型仅需较少的放大次数即可获得近106的放大增益和近m J 的输出脉冲能量。 1 双向泵浦钛宝石晶体增益特性分析 用倍频YA G 激光器作泵浦源,与闪光灯泵浦方式不同,为了在钛宝石晶体中形成合适的增益区域,通常是将0.53Λm 绿光聚焦至晶体中,一般采用单向泵浦方式就可以得到比较高的增益。但若要求更高的增益则必须提高泵浦通量,同时,由于受实验室环境的影响,晶体表面的 泵浦光通量不宜过高,应小于2J c m 2。为了防止晶体损伤并能获得较高的输出能量,将泵浦光 分束后分别从两个端面聚焦[1]至激光介质是一个很好的办法。以下从理论上分别计算单向泵浦与双向泵浦激光放大的增益特性,通过比较进行细致的分析。 为建立双向泵浦计算模型,首先给出关于增益与介质储能的关系式G 0=exp (F sto F s ) F sto =Γ(F p a (Κp Κs ) g 0=ln G 0 (1)
100 TW级超短超强钛宝石激光装置
第17卷第11期强激光与粒子束V o l.17,N o.11 2005年11月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S N o v.,2005 文章编号:1001-4322(2005)11-1685-04 100T W级超短超强钛宝石激光装置* 黄小军1,2,彭翰生1,魏晓峰1,王晓东1,曾小明1,周凯南1,郭仪1,刘兰琴1,王逍1,朱启华1,林东晖1,唐晓东1,张小民1,楚晓亮3,王清月2 (1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900; 2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300072; 3.四川大学电子信息学院,四川成都610064) 摘要:介绍了基于啁啾脉冲放大(C P A)技术的100TW级钛宝石激光装置S I L E X-I。S I L E X-I装置主要包括飞秒振荡器、O f f n e r展宽器、多级放大器、以及对应的脉冲压缩器和靶室等。该装置可以输出5,30,100 TW级3个功率段,并分别配套相应的靶室系统,可以满足多种物理实验的需求。目前该装置的末级输出峰值 功率达到286TW,脉宽29.8f s,靶面聚焦功率密度达到3.36×1020W/c m2。 关键词:钛宝石晶体;啁啾脉冲放大;声光光谱色散滤波器;峰值功率;聚焦功率密度 中图分类号:O436;T N241;T N248文献标识码:A 啁啾脉冲放大(C P A)技术的应用,使得超短脉冲激光的峰值功率大幅提高,可以在很小的台面激光装置上获得TW(1012W)量级峰值功率输出。近年来,随着相关领域的发展,超短脉冲的峰值功率有进一步提高,输出功率已达到100TW或P W,聚焦功率密度可达到1021W/c m2。如此超高强度的激光脉冲,可以创造极端的物态条件,用于研究相对论领域的光与物质相互作用,如超快X光激光产生[1]、超高次谐波产生、激光尾波场粒子加速、实验室天体物理学及快点火机制[2]等。随着超短超强脉冲激光装置性能的提高和研究工作的深入,超短超强脉冲激光将会在科技和民用方面呈现广阔的应用前景。由于超短超强脉冲具有非常大的潜在的应用价值,倍受世界各国的关注。近年来,各科技大国均纷纷研制大型的超短脉冲激光装置。 目前世界上已建或正建的100TW级以上的激光装置,其技术途径有两种。其一选用钕玻璃作为放大介质,放大后的脉冲能量高达几百J或千J,压缩后的脉宽一般在p s或亚p s量级。这种技术途径耗资巨大,如1996年美国利弗莫尔实验室建成的P W装置[3],其输出参数为1.5P W/660J/440f s。另一种是以钛宝石为增益介质的啁啾脉冲放大技术,其特点是输出脉宽窄,能量较小。如日本原子能研究所研制的全钛宝石P W 级激光装置[4],目前已获得850TW,通过进一步优化可获得P W峰值功率输出。 本文将介绍的S I L E X-I激光装置(S u p e r I n t e n s eL a s e r f o r E x p e r i m e n t s o n t h eE x t r e m e s),如图1所示,采用了全钛宝石的啁啾脉冲放大技术路线。该装置可以输出5,30,100TW级3个功率段,并分别配套相应的靶室系统,可以满足多种物理实验的需求。 F i g.1O p t i c a l l a y o u t o f S I L E X-I 图1S I L E X-I激光装置光路排布 *收稿日期:2005-07-22;修订日期:2005-09-30 基金项目:国家863计划项目资助课题;中国工程物理研究院基金资助课题 作者简介:黄小军(1974-),男,博士研究生,主要从事超短超强脉冲激光技术研究;E-m a i l:h x j740204@y a h o o.c o m.c n。
超宽谱钛宝石飞秒激光器的研究进展
超宽谱钛宝石飞秒激光器的研究进展 宋明,严家骅,梁志国,杨天博,张立喆 (中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京100095) 摘 要:超宽谱钛宝石飞秒激光器的出现是近年来飞秒激光技术的重要进展之一。文章对近年来国际上出现的几种主要的钛宝石超宽谱飞秒激光器的原理、结构及优缺点进行了介绍,给出了其发展趋势。 关键词:钛宝石;飞秒激光器;倍频程;啁啾镜 中图分类号:T N713;O436 文献标识码:A文章编号:1002-6061(2008)03-0001-04 Research D evelop m en t of Super Con ti n uu m i n T i:Sapph i re Fe m tosecond La ser S ONG M ing,Y AN J ia2hua,L IANG Zhi2guo,Y ANG Tian2bo,Z HANG L i2zhe (Changcheng I nstitute of Metr ol ogy&M easure ment,Beijing100095,China) Abstract:The generati on of the super continuu m in Ti:Sapphire fe m t osecond laser is one of the most i m portant advance ments in the fe m t o2 second laser technol ogy1I n this paper,the p rinci p le,structure,advantage and disadvantage of s ome main Ti:Sapphire fem t osecond lasers with super br oadband s pectra are intr oduced res pectively1Some ideas about its trend are given in the end1 Key words:Ti:sapphire;fe m t osecond laser;octave2s panning;chir ped m irr or 0 前言 近年来,飞秒激光频率梳的出现导致了频率计量领域的革命性进展[123]。典型的装置就是用掺钛蓝宝石(Ti:S,Ti:Sapphire)激光器产生10～30fs的超短脉冲。为了将激光器的光谱扩展到一个倍频程从而通过f22f法[2,426]来稳定频率梳,通常是使用光子晶体光纤进行扩频[7,8]。在这种方法中,将光谱的长波长部分倍频后与短波长部分拍频,直接可以探测到载波2包络偏移频率。通过稳定重复频率和载波2包络偏移频率可以得到超稳定的飞秒激光频率梳,这一频率梳可以实现射频和光频的直接链接。然而,将飞秒激光准确地耦合到微结构光纤的纤芯里比较困难,而且经过一段时间后光纤的输入和输出端面特别容易受到损害,同时随着输入脉冲能量的增大,就会出现宽带振幅噪声[9],从而影响到频率测量的稳定性。这个问题直接关系到光钟的发展(需要长期稳定的信号),因此直接从振荡器中产生大于一个倍频程宽的光谱非常重要。 收稿日期:2007-11-28;收修改稿日期:2008-01-03 基金项目:国防科技工业技术基础科研项目(07A401) 作者简介:宋明(1983-),女,江苏徐州人,助理工程师,从事飞秒激光及光纤光栅传感的研究。1 研究进展 由于目前还没有增益带宽覆盖一个倍频程的激光 晶体(掺钛蓝宝石的增益带宽只覆盖半个光学倍频程),所以光谱超过一个倍频程的激光主要依赖于激光器腔内的自相位调制作用产生。2001年Ell等人首次报道了直接由激光振荡器产生的超过一个光学倍频程的超宽光谱和仅有5fs的超短脉冲[10]。他们使用了双Z 型腔并在腔内加入非线性介质BK7,使激光脉冲在该介质上进行二次聚焦,增加腔内的自相位调制(SP M, Self Phase Modulati on)作用,并且使用了超宽带的双啁啾镜对[11](DC MP’s,Double2Chir ped M irr or Pairs)进行色散补偿,从而得到了超过一个倍频程的光谱。 激光器的结构原理如图1所示。217mm薄的Ti: S晶体X由一个532nm的激光器泵浦(Spectra2Physics 公司,型号M illennia X);泵浦光由两个透镜L 1 ,L2聚焦到Ti:S晶体上,之所以采用两个透镜,作者认为除了聚焦的作用外也是为了更好地实现激光振荡腔 内的模式匹配,激光腔从镜M 1 到输出耦合镜OC。曲 面镜M 2 和M 5 提供了在激光晶体聚焦,第二次聚焦由M4和M6产生,其焦点处放置了一块厚214mm的BK7玻璃片P。所有镜子的曲率半径都是100mm。两个CaF2棱镜提供了正的二阶色散,并可以进行色散微调。
超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器
第23卷第1期2007年8月 山西大同大学学报(自然学科版) Journal of Shanxi Datong University(Natural Science) Vol.23.No.1 Aug.2007超短脉冲激光和钛宝石飞秒激光器 郭玉洁,帕力哈提?米吉提 (新疆大学物理科学与技术学院,新疆乌鲁木齐830046) 摘 要:该文介绍了飞秒激光的特点、应用以及钛宝石激光器的相关理论。 关键词:飞秒激光 钛宝石激光器 自聚焦 中图分类号:TN248.4 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120058203 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,增强人类改造世界能力的技术.它是目前人类观察微观世界,揭示超快运动过程的重要手段.科学家预测飞秒激光将为未来新能源的产生发挥重要作用. 1 超短脉冲激光及其应用 1.1超短脉冲激光的特点 自从脉冲激光问世以来,激光脉冲的峰值功率及脉冲宽度已经有了前所未有的快速发展.1981年Fork等人利用碰撞锁模技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲[1],从而使人类进入了超短脉冲激光技术时代.超短脉冲激光有两个显著特点:一是脉冲宽度极短,达到了飞秒(10215s)量级,阿秒(10218s)量级;二是经过放大后,脉冲峰值功率极高,可以达到太瓦(1012W)甚至拍瓦(1015W)量级.脉冲持续时间如此之短,峰值功率如此之高,且能聚焦到比头发直径还要小的空间区域,使得聚焦后的光功率密度可以达到1020W/cm2量级以上.这些独有的特点使超短脉冲激光具有广泛而特殊的用途,它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用. 1.2飞秒激光的用途 超短脉冲激光的发展直接带动了物理、化学、生物、材料与信息科学等的发展,并开创了一些全新的研究领域,如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、超高强度科学与技术等. 1.2.1飞秒激光在超快领域内的应用 飞秒激光在超快现象研究领域中起的是快速过程诊断的作用.飞秒激光尤如一个极为精准的“时钟”和一架超高速的“相机”,它可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来,形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术.由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有着独特的优点和不可替代的作用. 1.2.2飞秒激光在超强领域中的应用 飞秒激光是研究原子分子体系、高阶非线性和多光子过程的重要工具.飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常高,这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场,从而很容易将原子中的电子统统剥落,是产生激光等离子体、超短X光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径.物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体.这种等离子体可以辐射出各种波长的射线激光.高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光、β射线激光以及正负电子对.高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂等因天然雷击而造成的灾难性破坏.高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火,从而为人类获得新一代能源开辟了一条崭新的途径. 收稿日期:2007203205 作者简介:郭玉洁(19792)女,辽宁辽阳人,硕士,研究方向:激光物理.
《光电子技术》章节练习题及答案
第一章 一、填空题 1、色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。其并非热辐射光源本身的温度。 2、自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发出一个光子的过程。受激跃迁是指处于高能级态的一个原子在一定的辐射场作用下跃迁至低能级态，并辐射出一个与入射光子全同的光子的过程。 3、受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽。 4、常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器或钛宝石激光器（写出两种），常见的气体激光器有 He-Ne激光器、CO 激光器或Ar+激光器（写 2 出两种）。 5、光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量；其静止质量为 0 。 6、激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好，强度大。 7、设一个功率100W的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其辐射强度为100/4π W/sr。 8、设一个功率100W的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在1m远处形成的辐射照度为100/4π W/m2。 9、设一个功率100W的灯泡向各个方向辐射的能量是均匀的，则其在2m远处形成的辐射照度为100/16π W/m2。 二、解答题 1、简述光子的基本特性（10分） [答]：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、
偏振等）之间的关系满足：（1）ωνη==h E ；（2）2 2c h c E m ν== ，光子具有运动质量，但静止质量为零；（3） k P ?η?=；（4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。 2、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。（10分） [答]：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。 充分条件：起振——阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。稳定振荡条件——增益饱和效应（形成稳定激光）。组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。 作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。 泵浦源（激励源）：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) ；(2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 )；(3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )。 三、计算题 1、设一对激光能级为E 2和E 1（g 2=g 1），相应的频率为ν（波长为λ），各 能级上的粒子数为n 2和n 1。求 （1）当ν=3000MHz，T =300K 时，n 2/n 1=？ （2）当λ=1μm，T =300K 时，n 2/n 1=？ （2）当λ=1μm， n 2/n 1=时，温度T =？ 解：(1) 999 .03001038.110300010626.6exp exp exp 23634121212=??? ? ???????-=??? ? ??-=???? ??--=--T k h T k E E g g n n B B ν (2)
飞秒激光器
可以使光速减慢的飞秒激光器
学员：1111414李鹏辉1111437王小平1111434田朝光1111415李曦 摘要：近年来，随着高新科技的发展，自超短频脉光学问世以来，已经历了25年的发展历程，而这时，飞秒激光器现已在工业加工中得到了应用。因为脉冲短的原因，飞秒激光器也就能拍摄到很多完全想象不到的画面。利用这个，可以对很多领域的学科进行更加细致，更加周密的系统性研究。 论文关键词：超短脉冲组合光玻色-爱因斯坦凝聚 飞秒的概念：飞秒是一种时间单位，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即1e?15秒或0.001皮秒（1皮秒是，1e?12秒）,。它有多快呢?我们知道，光速是30万千米每秒，即 3×10^8m/s。而在1飞秒之内，光只能走0.3 μm，这只是不到一根头发丝的百分之一。 飞秒激光器是指利用锁模技术来获得的飞秒量级短脉冲的激光器。所谓飞秒，也叫做毫微微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。飞秒激光不是单色光，而是中心波长在800nm左右的一段波长连续变化光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上极大的压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。所采用的激光晶体为激光谱线很宽的钛宝石晶体。说白了就是一个可以以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。 超短脉冲激光器从上世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了飞秒激光的应用。探索新机理，突破现有飞秒激光局限，研制新一代飞秒激光成为世界范围内热门研究课题。自90年代初，光纤激光器利用半导体激光器泵浦，具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点，逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者。早期的飞秒光纤激光器，采用掺铒的通信光纤，工作波长1550nm，普通单模光纤色散为负，能提供与自相位调制对应的啁啾补偿，于是孤子锁模(Soliton mode locking)和展宽脉冲(Stretched pulse)锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm，经过拉曼移频可移到800nm附近，在商用激光器上，已经用作钛宝石放大器的种子脉冲。但是，由于铒光纤的掺杂浓度不能很高，以及锁模机制的限制，输出脉冲能量仍然很低（10pJ-10nJ量级），限制了此种光纤激光器的应用。进入新世纪后，随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展，自相似(Self-similar)和全正色散(All-normal-dispersion)锁模理论被提出并在实验上获得证实，使光纤振荡器的单脉冲能量突破10n。 与其平行的是，90年代中期光子晶体光纤的问世，使得飞秒光纤激光器多了一个选择支。光子晶体光纤的主要特点是大模场面积光纤比普通的双包层光纤能更好地保持单模特性，在放大器上有重要应用。但是，光子晶体增益光纤特别是双包层大模场面积光子晶体光纤价格非常昂贵，远远高于晶体的价格；而且泵浦光的耦合需要在空间进行，对机械件稳定性能要求很高，不像普通单模光纤以及普通的双包层光纤有直接的光纤合成。 对于工作在1微米波段的光子晶体光纤，不同于普通的单模光纤，可以提供负色散，但也仅仅限于光纤芯径在1~2微米的光纤。在这样细的光纤中，孤子能量非常小，否则就会导致脉冲分裂，也不可能作为放大后的压缩器。由于以上缺点，除了放大器，光子晶体光纤做飞秒激光器振荡器并无明显优势。目前国内外报道的光子晶体光纤激光器，都是空间耦合的，并含有光栅对等需要空间的元件，不是低成本、抗击外部环境影响的封闭式结构。 光纤激光器的最大优点是小型化、封闭式及无水冷。如果反过来做成空间式的，那就只有效率高这样的优点，稳定性甚至不如固体激光器。因此，作为放大器的种子光源以及对小能量应用（脉冲能量小于1mJ，例如光波导的刻划、THz波的产生、精密时频传输、纠缠光子对的产生、泵浦探针测量等），普通单模光纤飞秒激光器以及普通大模场面积光纤飞秒放
半导体激光器
半导体激光器 摘要：由于三五族化合物工艺的发展与半导体激光器的多种优点，近几十年来，半导体激光器发展十分迅速，而且在各个领域发挥着越来越重要的作用。本文将介绍半导体激光器的基本理论原理、相关发展历程、研究现状以及其广泛的应用。 1.引言 自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来, 半导体激光器发生了巨大的变化, 极大地推动了其他科学技术的发展, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一[1], 近十几年来, 半导体激光器的发展更为迅速, 已成为世界上发展最快的一门激光技术[2]。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺[3]。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。 2.半导体激光器的基本理论原理 半导体激光器又称激光二极管(LD)。它的实现并不是只是一个研究工作者的或小组的功劳，事实上，半导体激光器的基本理论也是一大批科研人员共同智慧的结晶。 早在1953年，美国的冯·纽曼（John Von Neumann）在一篇未发表的手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向PN结中注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里渊区之间的跃迁速率。巴丁在总结了这个理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高。这应该说是激光器的最早概念。 苏联的巴索夫等对半导体激光器做出了杰出贡献，他在1958年提出了在半导体中实现粒子数反转的理论研究，并在1961年提出将载流子注入半导体PN结中实现“注入激光器”，并论证了在高度简并的PN结中实现粒子数反转的可能性，而且认为有源区周围高密度的多数载流子造成有源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。1961年，伯纳德和杜拉福格利用准费米能级的概念推导出了半导体有源介质中实现粒子数反转的条件，这一条件为次年半导体激光器的研制成功提供了重要理论指导。 1960年，贝尔实验室的布莱和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，为激发光提供反馈。 回顾这些理论发展历程，可以总结半导体激光器的基本理论原理：在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现伯纳德—杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空位复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内震荡并得到放大，最后产生相干激光输出[4]。 3.半导体激光器发展历程 在上述理论的影响下，以及1960年产生的红宝石激光器的刺激下，美国和苏
连续掺钛蓝宝石激光器的三种折叠腔型的稳定性分析与比较
连续掺钛蓝宝石激光器的三种折叠腔型 的稳定性分析与比较 尚连聚, 郑 义 (第一作者:男,24岁,硕士研究生;曲阜师范大学物理系,273165,山东省曲阜市) 摘要:从激光器谐振腔的往返矩阵出发,根据谐振腔的稳态条件及象散补偿条件,采用C语言编制程序,利用计算机画谐振腔的稳区图,对连续T i3+:Al2O3激光器的四镜、五镜、七镜三种折叠腔型的稳定性分别加以分析并作了比较,所得结论对设计激光器具有重要的指导意义. 关键词:T i3+:Al2O3激光器;折叠腔;往返矩阵;稳区图 中图分类号:T N248.1 文献标识码:A 文章编号:1001_5337(2000)01_0053_04 掺钛宝石(Ti3+:Al2O3)激光器是目前近红外区性能最好的一种新型可调谐固体激光器.该激光器除了具有结构简单、性能稳定、寿命长、室温运转等一般固体激光器的特点外,其最突出的优点是具有很宽的波长调谐范围(660~1200nm,相当于多组染料所能覆盖的激光波段的总和).掺钛宝石激光器在激光光谱、激光化学、激光遥感、光雷达、激光泵浦、激光放大、激光冷却、超导研究、非线性光学、大气光学及医学等方面有广泛的应用价值.目前,连续掺钛宝石激光器的谐振腔常采用折叠腔型,因为采用折叠腔的激光器不但输出激光光束腰很细,而且结构紧凑[1].国内连续掺钛宝石激光器的谐振腔大多采用四镜折叠腔,而美国相干公司制造的连续T i3+:Al2O3激光器采用的是五镜与七镜折叠腔,这其中肯定是五镜与七镜折叠腔相比四镜折叠腔有它独特的优点.下面我们就对这三种折叠腔型分别加以介绍,并从谐振腔的往返矩阵出发通过作稳区图的办法,对这三种折叠腔的稳定性分别加以分析并进行比较. 1 三种折叠腔型 图1为钛宝石棒示意图,图2、图3、图4分别为四镜、五镜、七镜折叠腔原理图.钛宝石棒以布氏角置于谐振腔内,其它各参数均标于图中,其中图2中的平凹反射镜M2和M3与图3中的平凹反射镜M4和M5以及图4中的平凹反射镜M4和M5的曲率半径均为100mm,即在图2中R2=R3=100mm,图3中R4=R5=100m m,图4中R4=R5=100 mm. 图1 钛宝石棒 图2 四镜折叠腔 第26卷 第1期2000年1月 曲阜师范大学学报 Journal of Qufu Norm al University Vol.26 No.1 Jan.2000
钛宝石总结
FOM值：质量因数 钛宝石生长有三种方法1.提拉法2.热交换法3.导向温度梯度法 1.提拉法通过改进生长工艺及后序退火工艺．晶体的品质因子(F'o 哟值已超过200。提拉法缺陷：1)由于提拉法生长系统具有弱氧化性气氛，因此在生长出的晶体中含有大量的Ti4+离子．或者Ti3+- Ti4+离子对，容易产生附加吸收，导致了钛宝石晶体的红外残余吸收较为严重；2)由于钛宝石晶体的熔点较高(约2050℃)，在高温弱氧化性气氛中Ir金挥发严重；3)容易产生镶嵌结构，严重影响晶体的质量。 2.热交换法，所生长的掺钛宝石晶体含有大量的三价钛离子，晶体质量较提拉法生长的要高。但该方法具有如下缺点：1)难于在零双折射方向(0001)上生长单晶，因为玎偏振(平行于光轴)抽运的激光输出大于a偏振(垂直于光轴)抽运的激光输出，故在钛宝石激光器中晶体都采用口偏振布置，因此晶体利用率低；2)He作为热交换气体，用量大，价格昂贵．成本很高。 3.导向温度梯度法（TGT)是中国科学院上海光学精密机械研究所周永宗的专利技术。。温梯法和热交换法的主要不同在于前者采用水冷却技术而后者采用He气冷却。温梯法生长的Ti：Al2O3晶体有以下特点：1)晶体的结构完整性高；2)高的光学均匀性；3)具有高掺Ti3+浓度，其Ti2O3的掺杂浓度在O 02％-0 52％(质量比)；在490nm处的峰值吸收系数最高达9.0cm-1比提拉法和热交换法生长的晶体的峰值吸收系数都高；4)具有高的FDM值：采取强还原气氛下高温退火，提商其
FOM值，超过400；5）可以生长出大尺寸的钛宝石激光器片：已经生长出Φ120 mmx80 mm的毛坯晶体，并已经按布儒斯特角加工成口径Φ50 mm性能优良的的钛宝石激光晶片。目前，中国科学院上海光学精密机械研究所可以提供Φ80mm的高性能钛宝石晶片。 目前，世界上只有美国晶体系统公司可以提供直径大于Φ80 mm的高质量掺钛蓝宝石晶体，他们可提供的最大尺寸为Φ100 mm。在我国，只有中国科院上海光学精密机械研究所所晶体中心可以提供大尺寸 优质的掺钛蓝宝石晶体，目前可以提供符合要求的Φ50 nm优质激光晶体．采用TGT法生长的晶体毛坯尺寸可以达到Φ120 mm。另外，中国科学院上海光学精密机械研究所也可提供Φ80 mm的优质钛宝石激光晶体。
激光原理第一次习题20110329
习题I 1. 热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，设21g g =，求：(1)当 原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n2/n1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n2/n1＝0.1时，则温度T 为多高？？ 2. 如果我们没有考虑原子能级E 2、E 1具有一定的宽度，而假设能级是无限窄的，可以认为自 发辐射是单色的，但实际上该辐射都是有一定的宽度（光谱线宽），请画图来表示光谱线宽；什么叫谱线加宽以及谱线加宽的因素和类型。 3. 光的相干的含义。什么叫时间相干性和空间相干性。 4. 为什么在紫外区乃至X 光区段的激光发射条件，比在可见、红外区实现受激发射要困难得 多。 5. 激光光束的质量以M 2来表示，请给出M 2的表达式，并说明表达式中参数的含义。 6. 谐振腔有哪几个作用?谐振腔驻波条件是什么? 7. 什么叫激光器的横模和纵模？并用图来举例表示。 8. He-Ne 激光器m μλ63.0≈，其谱线半宽度m μλ1210-≈?，问λλ/?为多少？要 使其相干长度达到1000m ，它的单色性 λλ/?应是多少？ 9. He-Ne 激光器腔长L=250mm ，两个反射镜的反射率约为98%，其折射率η=1，已知Ne 原子 m μλ6328.0=处谱线的MHz F 1500=?ν，问腔内有多少个纵模振荡？
光在腔内往返一次其光子寿命约为多少？光谱线的自然加宽ν?约为多少？ 10. 设平行平面腔的长度L=1m ，一端为全反镜，另一端反射镜的反射率90.0=γ，求 在1500MHz 频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度？ 11. 已知CO 2激光器的波长m μλ60.10=处光谱线宽度MHz F 150=?ν，问腔 长L 为多少时，腔内为单纵模振荡（其中折射率 η=1）。 12. Nd 3—YAG 激光器的m μ06.1波长处光谱线宽度MHz F 51095.1?=?ν，当腔长为10cm 时，腔中有多少个纵模？每个纵模的频带宽度为多少？ 13. 某激光器波长m μλ7.0=，其高斯光束束腰光斑半径mm 5.00=ω。 ①求距束腰10cm 、20cm 、100cm 时，光斑半径 )(z ω和波阵面曲率半径)(z R 各为多少？ ②根据题意，画出高斯光束参数分布图。 14. He-Ne 激光器波长m μλ6328.0=，采用平凹腔，其中凹面反射镜R=100m 时： ①分别计算当腔长为10cm 、30cm 、50cm 、70cm 、100cm 时两个反射镜上光斑尺寸W 平和W 凹。 ②根据题意，画出光斑尺寸W 平和W 凹随腔长L 变化曲线。 15. 比较激光振荡器和放大器的异同点。 16. 试说明红宝石激光器的谱线竞争。 17. 说明选单模（横、纵）的意义和方法。
飞秒激光加工超光滑光学表面综述
飞秒激光加工超光滑光学表面综述 精密和超精密加工技术、制造自动化是先进制造技术的两大领域，精密工程、精细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，也是未来制造技术的基础。超精密加工是一门新兴的综合性加工技术，它集成了现代机械、电子、测量及材料等先 级，极大地改善了产品的性能进技术成就，使得目前的加工精度达到了0.01m 和可靠性。超光滑表面加工技术是超精密加工体系的一个重要组成部分，在国防工业、信息产业民用产品的制造中占有非常重要的地位且有着广泛的市场需求，具有良好的发展前景。 科技的进步极大地推动了技术的发展，随着光学领域和微电子学领域及其相关技术的发展，对所需材料的表面质量的要求越来越高。大规模和超大规模集成电路对所用衬底材料的表面精度提出了很高的要求；短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。从而产生了超光滑表面的概念，并出现一系列用于进行超光滑表面加工的技术和方法。超光滑表面具有以下主要特征[1]： （1）表面粗糙度小于1nm Ra，对于光学元件，表面粗糙度小于1nm RMS(粗糙度均方根值)， （2）尽可能小的表面疵病与亚表面损伤； （3）表面残余应力极小； （4）晶体表面具有完整的晶体结构，即表面无晶格错位。 超光滑表面的加工手段有抛光和超精密机械加工等，而抛光应用得最广泛。超光滑表面加工的对象是晶体、陶瓷等硬脆性材料。超光滑表面主要应用于现代武器惯导仪表的精密陀螺的平面反射镜、激光核聚变反射镜、大规模集成电路的基片、计算机磁盘、磁头和蓝宝石红外探测器窗口的透镜等。 对于各种超光滑表面的抛光加工手段，根据在加工过程中工件和抛光盘之间的接触状态可分为3种类型：直接接触、准接触和非接触。在各种抛光方法中的接触状态均只属于其中一种，并在抛光过程中基本保持不变[1],[2]。 1.直接接触抛光 直接接触抛光是指抛光盘和工件在抛光过程中直接发生接触，依靠抛光磨料的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料。浴法抛光、Teflon法抛光等都属于这种接触方式。 2. 非接触抛光
全固态激光器
全固态激光器全固态激光器（DPL）具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、光束质量高等优点，市场需求十分巨大。全固态激光技术是目前我国在国际上为数不多的从材料源头直到激光系统集成拥有整体优势的高技术领域之一，具备了在部分领域加速发展的良好基础。引言高功率、小型化的全固态蓝绿激光器在海洋探测、水下通信等军事领域或者医学方面都具有重要的地位,这些应用一般都需要高功率蓝绿激光。目前,常用的1064 nm Nd∶Y AG激光器的倍频效率一般只有50%左右[1~4],因此通过提高倍频效率来提高整机的电光效率显得非常重要。如何提高非线性光学频率变换的效率一直是激光技术界的研究热点。David Eimerl[5]提出了正交频率变换的概念受到关注,他们按照正交频率变换的方式使用两块KD*P晶体,对于基波是Nd∶YLF激光输出经掺Nd磷酸盐玻璃放大器放大后的1053 nm激光脉冲,在基波功率密度为200 MW/c…半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高10倍,由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍,因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。这些交叉技术与学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。全固态激光器是其应用技术领域中关键的、基础的核心器件，因此一直倍受关注。近年来，由于大功率半导体激光器迅速发展，促成全固态激光器的研发工作得以卓有成效地展开，并取得了诸多显赫成果。已经确认，传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式，均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激光打标机、激光划片机、激光切割机、激光焊接机、激光去重平衡、激光蚀刻等系统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势，采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。全固态激光器的研发与应用概况近几年，美国、德国、特别是日本都在加大力量发展全固态紫外激光器，特别是中大功率全固态紫外激光器的开发应用。由于1064nm或532nm波长激光对材料的加工主要是产生气化或熔融等热作用，所以加工出的产品往往很难达到精细、光滑，甚至有些材料（如陶瓷、硅片等）在加工时会引起碎裂，因此，全固态紫外激光器在激光微加工、激光精密加工有着广泛推广应用的趋势。目前国外工业发达国家，全固态紫外激光器已开始成为工业用标准激光器。据文献报道：日本M.Nishioka公司已研发出40W的266nm全固态紫外激光器；三菱公司也在市场上推出了18W 355nm 25kHz全固态紫外激光器产品；另外相干公司的A VIV系列激光器已做到在266nm,30kHz时，平均功率大于3W，在355nm,40kHz时，平均功率大于10W；光谱物理公司的YHP-series系列激光器也达到在266nm,20kHz时，平均功率大于1.5W，在355nm,20kHz 时，平均功率大于3.5W；Lightwave electronics公司所推出的Q301-SM激光器也达到了在355nm,10kHz时，平均功率大于10W的技术指标。总体来说，国外全固态紫外激光器技术及应用设备已趋向成熟，但价格昂贵。高功率半导体激光列阵单光纤耦合模块可直接作为光源广泛应用于激光医疗、信息产业、激光加工、国防工业、激光武器和战术装备等领域。作为泵浦光源将是泵浦全固态激光器的核心器件，是一种高光－光转换效率（大于30％）的高功率泵浦全固态激光器的商用半导体激光光源模块，是替代灯泵浦激光器的理想产品。目前，国外半导体激光器单根光纤耦合模块的最高研究水平是耦合进入1个芯径400μm，输出功率200W。耦合进入1根800μm的光纤，输出功率700W；耦合进入1根1.5mm的光纤，输出功率超过2000W。国外出售的单光纤耦合模块产品水平如：Apollo公司产品为