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1、超快超强激光物理学第三讲第三讲Ti:SapphireTi:Sapphire飞秒激光飞秒激光技术及其应用技术及其应用龚旗煌教授北京大学物理学院现代光学研究所人工微结构和介观物理国家重点实验室中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心本文撰写时间仓促，有错误和不足之处，恳请批评指正。版权所有，引用请与作者联系！目录一、锁模基本知识二、脉冲激光进展三、Ti:S光克尔锁模技术四、飞秒激光放大技术五、获得更短脉冲（如<1fs)办法六、飞秒激光的应用七、结语一、锁模基本知识激光腔纵模增益曲线振荡阈值允许振荡模未经锁模多纵模自由运转激光器.各模的振幅和位相不固定无规叠加模
2、式锁定：N个等振幅等相位激光锁模可表示成：I(t)µE02Sin2(Nwt/2)/Sin2(wt/2)锁模后，最大光强为N2E02(wt/2=mp)相干迭加脉冲周期T=2p/w=2L/c脉冲宽度t=2p/Nw=2L/Nc=T/NN=DnG/DnDnG增益线宽Dn=c/2L纵模间隔t=1/DnGDnG越宽——t就越短增益——介质谱宽宽、反射镜宽带反射可以锁定更多的模式N越大t可以越小Ti:Sapphire晶体吸收和发射光谱发射谱：600—1150nmR6G吸收和荧光光谱Dl>50nm脉宽与光谱带宽的变换极限：Dn´t=0.314（场强分布为双曲正割函数）0.44
3、1（场强分布为高斯函数）0.886（场强分布为矩形）Ti:S晶体Laser最短脉冲宽度t=3飞秒（理论上）t<5fs(4.5fs)(实验上）1999年Guinnessrecord二、脉冲激光器进展60年代Q-Switching10-9—10-10s(ns)70年代Modelocking10-11—10-12s(ps)（Active,SynchronousPumping,PassiveModelocking）80年代CollidingPulseModelocking10-13s(sub-ps)90年代KerrLensModelocking10-15s(fs)最短
4、的激光脉冲为4.5fs激光振荡周期为T=2.7fs腔外压缩4.0fs有机染料飞秒（80年代）染料发射光谱宽度50nm1981对撞锁模3-7WAr+R6G激光介质90fsDODCI可饱和吸收体第一次获得<100fs脉宽1987主动或同步泵浦65fsOpt.Lett.12(1987)6811985被动（对撞）锁模27fsOpt.Lett.10(1985)131功率较低100mW量级，操作难度大Ti:Sapphire飞秒激光新的锁模技术——光克尔自锁模技术1991年D,E.Spenceetal,Opt.Lett.16,P.4260fs,845-950nm,300mW
5、(6WAr+泵浦）1997年M.Nisolietal,Opt.Lett.22,P.52220fs光纤压缩4.5fs20mJ1KHzA.Baltuskaetal,Opt.Lett.22,P.10213fs光纤压缩5fs6mJ1MHz1999年U.Morgneretal,Opt.Lett.24,P.411腔内产生4.3fs(Sech),4.8fs(Gaussian)<2T(2.7fs),200mW,90MHz,650-1050nm三、Ti:S光克尔锁模技术1、KLM(KerrLensModelocking)----passive,simple,solidstate
6、modelocking非线性光学效应非线性光学效应n=nn=n+Dn(r),Dn(r)µnI(r)0+Dn(r),Dn(r)µn2I(r)02nµeRe[c(3)]20c(3)——三阶非线性光学系数NonlinearOpticsP=ec(1)E+ec(2):EE+ec(3):EEE000E很强时LinearopticsNonlinearopticsReflectionEOeffectdiffractionSHG,SFG,THG……Four-wavemixingnofrequencyself-action(self-focusing,SPM)change…...
7、LinearopticsNonlinearopticswww0w00IIII0i0iNochangeofww=2w,3w,…...000PNL=ec(2):EE+ec(3):EEE00c(2)——非中心对称要求Re—折射率变化c(3)——无非中心对称要求Im—吸收变化激光空间横截面分布为高斯分布非线性光学效应非线性光学效应n=nn=n+Dn(r),Dn(r)µnI(r)0+Dn(r),Dn(r)µn2I(r)02Ir光斑中心折射率高于边缘rn>0,光程nL：中心光线>边缘光线2L等同于KLM锁模原理n2>0脉冲光光强强自聚焦效应锁模光斑截面连续光斑截面钛蓝宝石
8、晶体连续光狭缝打开——锁模调节狭缝使与
