1、超短激光脈沖載波-包絡(luò)相位CEP的相關(guān)技術(shù)報告人：李娜晶格場作用與晶格振動能級耦合基態(tài)激發(fā)態(tài)類似四能級結(jié)構(gòu)Pump光，峰值：490nm（400-600nm）產(chǎn)生寬熒光光譜帶：峰值：800nm（660-1180nm ）可調(diào)諧。l=2；2l+1=5激光器的構(gòu)造和原理：分析整個工作原理：增益特性： 峰值800nm自鎖模原理：被動鎖模： 飽和吸收體（光強調(diào)制）（自聚焦效應(yīng)與腔內(nèi)光闌的結(jié)合） 光闌：pump光。色散補償：棱鏡對。鈦寶石晶體（光克爾效應(yīng) 自相位調(diào)制SPM+正群速色散GVD ） 石英：小于1.28m 正常色散。大于1.28m 反常色散。束腰束腰球面鏡聚焦連續(xù)pump光VerdinJ ，ps，

2、Micro 自聚焦效應(yīng)：強光克爾效應(yīng)（增益調(diào)制，空間調(diào)制聚焦）g 諧振腔的增益因子。分析: 增益增益調(diào)制：I 光強增大， 增大，f變小，能量匯聚，變小，g增益因子增大，空間空間調(diào)制：f變小 自聚焦。 放大器放大器：直接從振蕩器中獲得高功率激光，比較難。原因:輸出功率( 能量) 和其他指標( 如光束發(fā)散角, 單色性, 脈寬, 調(diào)制性能等) 要求是相矛盾的.超短超短脈沖放大：直接放大會破壞工作物質(zhì)，脈沖畸變（非線性），元件損傷。CPA放大技術(shù)：實驗室中采用的壓縮器通常是閃耀光柵。fsps閃耀光柵展寬光柵壓縮fs降低介質(zhì)的破壞閾值為了防止在展寬過程中能量大量的損失，使用閃爍光柵。避免了零級衍射損失的

3、大部分能量。OPA放大的優(yōu)點：再近簡并：增益帶寬寬。-短脈沖?？烧{(diào)諧 自發(fā)輻射ASE?。河衟ump時才有增益。Pump信號同源。 高對比度。CEP被動穩(wěn)定。省略了電路部分。設(shè)備簡單。 高損傷高損傷閾值（非線性過程）單、多通放大器：CEP主動穩(wěn)定。脈寬壓縮=周期量級，CEP的變化，順時脈沖電場強度明顯不同。在做有關(guān)與順時電場有關(guān)實驗中不同CEP不同物理現(xiàn)象。 相位差：載波載波-包絡(luò)包絡(luò)相位相位（Carrier-envelope phase, CEP）主動主動反饋：穩(wěn)定CEP時，振蕩器和多通放大器，先檢測脈沖間漂移量。在采用電路反饋改變（振蕩器pump，腔鏡，插入色散元件）設(shè)備復雜。被動被動反饋：

4、OPA利用差頻產(chǎn)生放大，pump和信號同源閑置光CEP自穩(wěn)定。群速度、相速度不同時：CEP漂移OPA光參量放大光參量放大CEP穩(wěn)定理論穩(wěn)定理論差頻過程，輸入光3 和1 ，產(chǎn)生 ，相位匹配時解耦合波方程得： 31231 30gA放大倍數(shù)放大倍數(shù)：-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.60.00.20.40.60.81.01.2 I2 I1 Intensity g z信號光閑置光Pump光1g L 通常： 信號光放大很多。高增益高增益且近似： 2221coshexp4g zzg zg ：參量過程的增益指數(shù)實驗室使用BBO晶體： -barium borate 硼酸鋇 雙折射系數(shù)

5、大，便于相位匹配實驗室采用的pump光：8mJ/40fs/1kHz800nm解耦合波方程時，參量要求是實數(shù)。虛部要求為零。相位滿足如下關(guān)系： k=0，?1 +?2 ?3 = /2. ?1 ?2 ?3分別是信號光、閑置光和泵浦光的相位。信號光： ?signal= ?0+?WLCPump光： ?pump=?0閑置光：為常數(shù)SPM光譜展寬引入?WLC （常數(shù)）? CEP=?0即使前面的pump光的? CEP不穩(wěn)定，閑置光的CEP仍是穩(wěn)定的仍是穩(wěn)定的。OPA放大放大CEP自穩(wěn)定！自穩(wěn)定！穩(wěn)定CEP實驗室采用三級OPA放大：OPA1 信號光進行放大輸出，OPA2 的信號光作為OPA3 的信號光，那么OP

6、A3輸出的閑置光CEP 穩(wěn)定。實驗室是二類匹配實驗室是二類匹配二類二類相位匹配：e+o e信號光和閑置光的偏振態(tài)是相互垂直的，使得在頻率簡并的情況下信號場與閑頻場仍是非兼并的。從而壓縮了參量增益的帶寬。同時方便分離信號光與閑置光。 非線性頻率調(diào)諧理論可知：一類一類匹配 o+o e非簡并的帶寬：簡并帶寬：較大較大帶寬大，則ASE自發(fā)輻射效應(yīng)增強。 信號光與閑置光帶寬重疊，混淆。三級OPA：e光e光 800nm800nm 1400nm和1800nm時域分開小孔分離出信號光1440nmo光1800nm DM1-6：雙色鏡（長波透射，短波反射）TD：雙折射晶體，延時o光和e光。延時1ps 調(diào)節(jié)Dela

7、y3控制1400nm信號光與pump光參量作用。 e光800nm o光800nm o光1440nmo光OPA信號和Pump非共線參量作用WLC三級OPA8mJ/40fs/1kHz800nm1.6mJ/57fs/1kHz 1.8m，420mrad激光器本身的CEP沒有嚴格要求CEP 仍有抖動：由非共線 OPA 系統(tǒng)CEP 穩(wěn)定性理論分析可知：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)BBO1-BBO3 的角度和Delay，輸出輸出在在波長波長1.2-2.4m 之間調(diào)諧。OPA過程中：pump光強，相位失配（光束方向的微小變化）， WLC展寬過程中信號光遠離驅(qū)動波長處能量的不穩(wěn)定性， 信號光波長有關(guān)。觀察上式：信號光波長越長波長越

8、長CEP 對光強和相位失配的依賴就越弱. 長波長，CEP抖動越小。為了獲得周期量級的脈寬57s仍太長了？脈沖壓縮：47fsSPM 展寬頻譜BM: 紅外波段在介質(zhì)中的反常群延時色散GDD3mm補償色散后準直8.9fs（1.5個周期）0.74mJ、532mrad頻率分辨光學門測量脈沖寬度意義：該裝置為單個阿秒光源的產(chǎn)生和其他高次諧波實驗提供良好光源。產(chǎn)生高次諧波和產(chǎn)生太赫茲類似：1.介質(zhì)原子在激光場峰值附近發(fā)生電離； 2.電離產(chǎn)生的電子被激光電場加速；3.電子與核復合，同時釋放出高能光子。d2x/dt2=eEcos（0t）/m ；積分得:x=-eE/（m02）*(cos（0t）+const)電子獲

9、得的動能 =-e*xe2E/（m02）復合時動能轉(zhuǎn)化為了高次諧波能量。高次諧波截止頻率1/ 02 =2入射波長大： 產(chǎn)生超短激光源CEP更穩(wěn)定，高次諧波截止頻率高， 但是： 太大，入射光能量 太小，不能電離介質(zhì)原子。綜合上述兩種效應(yīng)：1.5-3m 超短脈沖激光被認為是最合適的阿秒脈沖驅(qū)動光源。CEP的測量原理：f-2f測量方法測量方法低頻部分倍頻：干涉測量：由以下公式：求解其中： rep: 激光振蕩腔的重復頻率。 ?cep：載波包羅相位差。缺點：展寬時會引入?WLC ,倍頻過程的過程中為引入?SHG， 不能直接測出CEP的真實值，只能測出CEP的變化。上面理論簡化了，沒有體現(xiàn)。振蕩級，脈沖過來

10、太快，只能檢測包絡(luò)cos(nt+?cep) cos(n+ ce )t) 展寬頻譜基頻包含： CEP的漂移漂移，測量測量，穩(wěn)定穩(wěn)定控制電路： 分別討論: 振蕩級，放大級。振蕩級振蕩級：CEP漂移 固定漂移（群速相速） 不確定漂移（泵浦光抖動） 克爾效應(yīng)：克爾效應(yīng)： I I變化，每經(jīng)過激光介質(zhì)變化，每經(jīng)過激光介質(zhì)引入一個不確定引入一個不確定CEP振蕩級CEP測量測量光路：光子晶體光纖光子晶體光纖雙色鏡雙色鏡展寬倍頻程 nrep，2nrep2nrep+ ce 波片調(diào)節(jié)光的偏振方向獲得較強的偏振信號調(diào)節(jié)光程進行相干一類匹配倍頻光與基頻光垂直nrep+ ce 2nrep+2ce 探測rep cos(2n

11、rep+2ce )t+cos(2nrep+ ce)t=2cos(2nrep+3/2ce )t*cos(ce)t有公式：求解CEP對光頻率而言變化很慢探測器探測不到2nrep+3/2ce可探測ce倍頻光基頻光偏振片：偏振片：使具有相同的偏振分量進行干涉使具有相同的偏振分量進行干涉振蕩級CEP控制：理論理論：每個脈沖，CEP會增加將CEP漂移穩(wěn)定在：fce=frep/8；每8 個脈沖CEP 變化2，相當于不變?？藸柡虚_啟頻率為frep/8控制脈沖的輸出。移動腔鏡：調(diào)節(jié)移動腔鏡：調(diào)節(jié)frep轉(zhuǎn)動腔鏡：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動腔鏡：調(diào)節(jié)fce光譜展寬振蕩腔f-2f測量反饋電路快環(huán)1.腔鏡調(diào)節(jié)腔鏡調(diào)節(jié)克爾透鏡鎖模機制，

12、輸出脈寬10fs。中心波長830nm，帶寬70nm。過濾800nm光控制每1/8個振蕩周期釋放一個基頻脈沖和倍頻脈沖進行干涉2.插入石英楔板插入石英楔板f-2f法測量cep輸出脈沖寬度9fs，能量20nJ，重復頻率24MHzCEP控制方法：f-2f 測量頻譜分析電路反饋改變腔內(nèi)色散放大級放大級中CEP的漂移： 展寬、壓縮過程引入的CEP。光柵光柵壓縮器光柵抖動時：若 45 ；G變化d，則CEP周期量級變化光柵展寬器抖動公式如上：但是G在此處是等效距離等效距離。光柵光柵抖動、透鏡透鏡抖動均改變G，即引起CEP變化棱鏡壓縮原理：棱鏡：光柵：800nm光為例：棱鏡 光柵 且：棱鏡的光柵的 ;棱鏡棱鏡

13、抖動引入的CEP 光柵光柵抖動引入的CEP因此：棱鏡棱鏡的抖動可以反饋調(diào)節(jié)振蕩級的腔鏡（慢環(huán)慢環(huán)反饋） 光柵光柵抖動過大反饋給振蕩級會改變脈沖參數(shù)。 可單獨反饋調(diào)節(jié)光柵。放大級中采用棱鏡壓縮展寬的CEP穩(wěn)定電路：放大級CEP穩(wěn)定：調(diào)節(jié)光柵有效距離光柵有效距離壓電陶瓷響應(yīng)：反饋頻率100HZ調(diào)節(jié)振蕩級pump功率= f0- frep/4反饋調(diào)節(jié)使0振蕩級： 80MHz1kHz壓縮為周期量級的脈沖放大級測量放大級測量CEP電路與振蕩級不同：電路與振蕩級不同：1 頻率低頻率低1KHZ,2 單脈沖能量高單脈沖能量高, 方便產(chǎn)生超連續(xù)光譜方便產(chǎn)生超連續(xù)光譜.3 峰值功率更加不穩(wěn)定峰值功率更加不穩(wěn)定, 會

14、會引入引入CEP的測量誤差的測量誤差.色散補償放大級CEP的測量原理：由于頻率降低，可以檢測的每個脈沖過來的光譜。cos(nt+?cep) 展寬頻譜基頻包含： 低頻部分倍頻：干涉測量：nrt1+ ?ce+ ?WL2nrt2+ ?ce+ ?WL2nrt1+ 2?ce+ 2?WL光程差造成時延?ce= ?0測量CEP的變化決定了干涉光譜的疏密光譜上的周期為： 太小，光譜儀不能分辨。 太大，降低了條紋對比。要觀察合適的光譜圖：要觀察合適的光譜圖：不同的不同的 要調(diào)整光路產(chǎn)生合適的光程差：要調(diào)整光路產(chǎn)生合適的光程差：L放大級CEP的測量光路圖單光路單光路：調(diào)節(jié)入射藍寶石能量，使出現(xiàn)穩(wěn)定單絲2mm 藍寶

15、石延時，合適疏密的干涉光譜紅外波段：鈮酸鋰晶體正常色散測量的不是CEP真實值，只能測量單一波長的CEP。雙光路雙光路：可以測量多個波長的CEP，可以調(diào)節(jié)光程差。分析雙光路：半透半反鏡1600nm相位匹配：1800nm 2倍頻到900nm 22 1 、2、22，均是?cep基頻光中干涉波長為1 =1000nm： 1 相位?cep22 相位2?cep1000nm基頻干涉條紋：900nm倍頻光與基頻光干涉：加入TD改變 ?cep 觀察波形：加TD后，有橫向移動的條紋含有CEP信息。 觀察條紋隨時間的漂移量來確定?cep. 光程抖動會引入?ce的測量誤差E3 和 E6 取對數(shù)再取虛部：利用?6和?3來

16、求?cep，可以消除光程抖動引起的誤差。其他測量CEP的方法：利用不同級次諧波間的光譜干涉測量激光脈沖的利用不同級次諧波間的光譜干涉測量激光脈沖的 CEP優(yōu)點：入射光可以不用展寬為倍頻程。 級次越高，入射脈沖的光譜帶寬越窄。缺點：更高級次產(chǎn)生效率很低，干涉條紋不明顯，非線性效應(yīng)。誤差變大。 同樣不能判斷cep的真實值。利用參量過程測量脈沖利用參量過程測量脈沖 CEP中心波長中心波長 o光光 800nm ，?400nm ，e光，光，2?800nm ，e光，光，2?二類匹配產(chǎn)生閑置光二類匹配產(chǎn)生閑置光BBO晶體中直接晶體中直接倍頻閑置光一類匹配倍頻閑置光一類匹配信號光放大：信號光放大： e光光 800nm ，?調(diào)節(jié)楔板調(diào)整兩干涉光的光程差調(diào)節(jié)楔板調(diào)整兩干涉光的光程差調(diào)整光譜的疏密調(diào)整光譜的疏密優(yōu)點優(yōu)點：1、不需要展寬到一個倍頻程，光譜較窄的激光脈沖此方法也實用。同時可以采用更薄的藍寶石晶體，減少誤差；2、此方法的干涉條紋范圍廣、調(diào)制深，有利于測量和減小誤差(同偏振)3、與f-2f 法不同，此方法用的是超連續(xù)譜中靠近入射光波長靠近入射光波長的成分，對能量起伏的依賴性更低，所以可以減小能量抖動對CEP 測量的影響。缺點缺點：1與f-2f 法相比，此方法光路較復雜， 2光柵，對光路