固体飞秒激光的阿秒同步及相干控制

魏志义

2005 年 4 月 26 日

中国科学院物理研究所

西安交通大学学术报告

目 录

引言飞秒激光的被动同步机理飞秒钛宝石与镁橄榄石激光的被动同步不同飞秒钛宝石激光的被动同步同步飞秒激光的载波相位测量与控制总结

一 . 引言

而在泵浦探测、飞秒激光的差频、相干合成、光频标、量子纠缠通讯、快点火激光聚变等领域中，需要两个不同的同步超短激光脉冲，

常规飞秒激光脉冲的局限性

在常规情况下，飞秒激光所输出的飞秒脉冲仅工作在某一特定波长。

1

测量装置

飞秒激光的传统被动同步技术 I

共享增益 D.R.Dykaar et al, Opt Lett, Vol. 18, 634(1993)

飞秒激光的传统被动同步技术 II

两激光共用同一增益介质 A.Leitensdorfer et al, Opt. Lett. Vol. 20, 916(1995)

被动同步激光的腔长允许失配量

允许失配量～ 1m A.Leitensdorfer et al, IEEE.STQE. Vol. 2, 743(1996)

飞秒激光的主动同步技术

主动同步的同步精度（ Timing Jitter ）： 200 fs - ps

S.A.Crooker et al; Rev.Sci.Instr, Vol.67, 2068(1996) J.Y.Sohn et al; Appl.Opt, Vol.38, 5899(1999)

SynchroLock, Coherent Inc

LoktoClock, Spectra-Physics Inc.

主、被动同步飞秒技术的比较

主动同步 被动同步同步机制 快速电子学 互相位调制平均功率 高 低调谐范围 宽 窄同步精度 低 高稳定性 好 差商业产品 有 无

不同同步飞秒激光的特性主动同步 复杂的电子学设备，同步精度一般 100fs-psOPO 和 OPA

产生双波长飞秒脉冲，但稳定性差，输出功率低被动同步技术 可以获得高同步精度的双波长飞秒脉冲。 但增益竞争阻碍了被动同步的发展 . 通常同步精度约几 fs ，腔长允许失配量在 1 ～ 3 m问题？ 在传统被动同步中，钛宝石晶体同时充当两束激光的增益介质及产生互相位调制效应的耦合介质

近年来低于 1fs 时间抖动的主动同步飞秒激光已有报道

R.K.Shelton, et al; SPIE 4269, 105 (2001) R.K.Shelton et al;Opt Lett., Vol.27,312 (2002)

T.R.Schibli et al; Opt Lett., Vol.28, 947(2003)

用于频标研究的主动同步飞秒激光

仅用一块增益介质，结构简单、成本低 增益竞争效应，导致稳定性差 同步精度有限，最好仅 2fs 同一块增益介质，仅能用一台泵浦源，导致输出功率低 由于两激光共用同一增益介质，输出波长相近，应用稍强于单波长激光 腔长允许失配量小 ( ～ 1 m) ，致使同步不能长期运行，这也是迄今国际上无此类飞秒激光产品的原因

原有同步飞秒激光技术的主要特点

问题：能否将两增益介质分开？

二、飞秒激光的被动同步机理同步前：

重复频率 f1 重复频率 f2

激光 1激光 2

激光 1 与激光 2 以 F=f1-f2 的频率在晶体内交叉

频谱扩展 (SPM&XPM ，假定 I2>I1)

I(t)

t

dI(t)dt

t

若激光 1 落后于激光 2, 在激光 2 下降沿相互作用 dI2/dt <0 1 (with -GVD ) trip time

若激光 2 落后于激光 1 ，在激光 2 上升沿相互作用 dI2/dt >0 1 (with -GVD ) trip time

接近同步时：t

I

vn

t

In

2

22

12011

t

I

vn

t

In

1

12

22022

同步

三、飞秒钛宝石与镁橄榄石激光的被动同步

实验方案设计实验方案设计

M1~M7: CVI 反射镜，曲率 10cm; M8: 微型镜片 ; P1,P2: 熔石英棱镜 ; P3,P4: SF6 棱镜 ; PZT: 压电陶瓷 ; OS: 示波器 ; PD: 快速光电二极管 ; M1,M2,M8: 中心波长 850nm 高反镜 ; M3~M7: 中心波长1230nm 高反镜 .

掺钛蓝宝石激光 泵浦 : 4.5W

(532nm)

锁模功率 : 600mW

掺铬镁橄榄石激光 泵浦 : 9.5W

(1064nm)

锁模功率 : 200mW

S -P M illen n ia X s

S -P T -4 0 Z -1 0 6 C

P 1

R G

P 3

M 5

H R

P Z TP 2

P 4

M 1

P D

M 4

M 6

M 3M 2

T 1

C r:F

M 7 S E S A M

T 2

Ti:S

P D

To A C an d C C

P Z T D riv e r

F 2F 1

增益介质 I ： Ti:Al2O3 ; 增益介质 II ：Cr:Mg2SiO4

耦合介质： Ti:Al2O3 ; ( 用于提供 XPM)

无增益竞争效应

Ti:Al2O3 激光与 Cr:Mg2SiO4 激光的锁模踪迹，示波器由Ti:Al2O3 激光触发。上图为 Ti:Al2O3 激光脉冲波形，下图为Cr:Mg2SiO4 脉冲波形。 (a)为临界同步时的波形， (b)为同步后的波形。

同步的实现

(a) (b)

同步的腔长失配特性

0 1 2 3 4 5 6 7150

200

250

300

350

f rep(7

5,76

1***

Hz)

Offset of Cavity Length (m)

(a)

(b)

钛蓝宝石与镁橄榄石激光重复频率随腔长失配量的变化特性。腔长允许失配量～ 5m

Z.Wei al; Opt Lett, Vol. 26, 1806(2001)

钛宝石与镁橄榄石激光自相关曲线

干涉自相关曲线。在高斯脉冲假设下，对应脉冲分别为： (a)54 2fs (b)65 1fs

8

6

4

2

0

Inte

nsity

-150 -100 -50 0 50 100 150Time Delay(fs)

8

6

4

2

0

Inte

nsity

-150 -100 -50 0 50 100 150Delay Time (fs)

(b)(a)

1200 1240 12800.0

0.5

1.0

Inte

nsity

(a.u

)

Wavelength(nm)780 800 820 840 860

0.0

0.5

1.0

Inte

nsity

(a.u

)

Wavelength(nm)

Z.Wei al; Appl Phys B, Vol. 74, S171(2002)

B.S: 金属分束片 . 为方便观察，互相关及自相关信号经光栅展开

PZT Driver

PZT

PMT

BBO

B.S

Grating

Oscalliscope12

50n

m/6

5fs

Cr:

fors

teri

te l

ase

r

820nm/54fs

Ti:sapphire laser

互相关曲线测量装置示意图

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Nor

mal

ized

Inte

nsity

-150 -100 -50 0 50 100 150Time Delay (fs)

右图为钛宝石激光倍频光（蓝）、镁橄榄石激光倍频光（红）及和频光 (绿 ) 图片 。左图为对应的互相关曲线，其半高宽度为： 742fs, 时间抖动曲线由下式计算： 计算得时间抖动为 0

FWHM:

74 2fs

从互相关曲线估计的时间抖动

t

I(t)

K

Timing jitter

50

40

30

20

10

0Inte

nsity

of S

FG(a

.u)

543210

Time(s)

V/V

互相关信号半峰值处的强度起伏正比于两束激光的时间抖动。在 1KHz带宽下， 在 5 秒时间间隔内我们得到 0.88fs 的时间抖动

SFG

j

V

VK

~V=41.424( average)

V = 0.494438 (standard deviation )

V/V

从互相关的半峰值抖动估算时间抖动

尽管增益介质是独立的，但是一个增益介质仍然同时承担了提供增益和互相位调制的作用，这在同步的过程是否有副作用？

进一步优化的可能

四、掺钛蓝宝石飞秒激光的被动同步

系统占用空间： 2× 0.8m

两独立掺钛蓝宝石飞秒激光的同步两独立掺钛蓝宝石飞秒激光的同步Pump Lasers

PZT

增益介质 I ： Ti:Al2O3 I

增益介质 II ： Ti:Al2O3 II

耦合介质： Ti:Al2O3 III ( 用于提供 XPM)

增益介质与耦合介质完全独立

同步的实现

泵浦功率： 4W @ 532nm.输出功率： 400mW. 脉冲宽度： ～ 30 fs同步失调量： >10m, 手细调端镜启动同步

典型的同步的光谱及自相关曲线

波长： 730 nm ～ 850 nm 可独立调谐 脉冲宽度： 30 ～ 70 fs 可调

Laser 1 and laser 2: 飞秒掺钛蓝宝石激光 BBO: 0.1mm ; Lens: 熔融石英 , f=10cm

SlitLensBBO

M1M2

M3 M4

M5 M6Translation

Stage

Laser1 Laser2

PMT

Stepping Motor

Oscilloscope

Computer

互相关测量装置

互相关信号半峰值的起伏估算同步精度

时间抖动： 400asSub-femtosecond passively synchronized Ti:sapphire lasers, 物理学报 , Vol. 54, No.1, 129~133(2005)

尺寸 : 0.8 m 0.4 m = 0.32 m2

同步飞秒掺钛蓝宝石激光的实用化设计

同步状态的观察

同步启动 : 用手细调端镜 可以推断：存在超长的腔长允许失配量同步持续时间： >8小时

技术指标 激光 1Pump 4.7W

激光 2Pump 4.3W

平均功率 (mW) 312 265

自相关曲线半高宽 (fs) 42 54

脉冲宽度（高斯型） (fs) 29.7 38.2

中心波长 (nm) 800 800

波长调谐范围 (nm) 730~850 730~850

稳定性测试 (120 min) 1.9% 2.1%

重复频率 (MHz) 78.828799

互相关曲线半高宽 (fs) 48

互相关半峰值处平均值 / 标准偏差

2.7/0.07

时间抖动 (fs) <1.2

. ~0.

同步维持时间 (hour) >2(beyond observed time)

22

21

22 cjitter372 jitter

VVcjitter

同步的相关技术指标

同步的相关技术指标

被动同步掺钛蓝宝石激光的样机设计

首次实现纠缠光子对之间的同步首次实现不同来源纠缠光子对的纠缠交换量子力学的非定域性检验

该激光器中国科技大学近代

物理系已取得的应用研究成果

五、同步飞秒激光的载波相位测量与控制

飞秒激光的载波相移

Prof. Dr. Theodor W. Hänsch

L.Xu et al., Opt Lett, 21, 2008 (1996)

carrier-envelope phase offset (CEP, CEO)

载波相位的控制飞秒激光频梳

f =nfrep 控制腔镜以稳定频率漂移

控制腔长以稳定重复频率

frep

2(nfrep

nfrep

nfrep

f=2(nfrepnfrep

超宽带飞秒钛宝石激光器

OC T=10%

f=10 cm M1 M2

Ti:sa

M3

5W 532nmMillennia

600 700 800 900 1000 1100

10

100

1000

Inte

nsi

ty

wavelength(nm)

T=10%

Rainbow ， Femtolasers Inc

我们最新的结果，支持 5fs 的脉宽1st Asian Workshop on HHG and attosecond laser. Korea, Feb 23, 2005

Consideration on the DFG and amplification

f2=+nfrep f1=+mfrep

frep frep

f

I (f)

fDFG= (m-n)frep

DFG: 627-1000nm1680nm()

Free CE phase, f1 = nfrep

SHG: 1680nm 840nm(2)

CEP locked, f2 = 2nfrep

CE phased locked sub-harmonic waves can be obtained based on the frequency conversion of 1680nm and 840nm 1680nm(), 840nm(), 560nm(),420nm(),336nm( ) Method 1: directly double and sum frequency 1680nm and 840nm. Method 2: Amplify 840nm to ~100nJ to mJ by CPA, low repetition rate, higher energy for 840nm Method 3: Amplify 1680nm by OPCPA, CEP locked ~100nJ 840nm as pump

同步亚谐波激光的相位控制原理

2 1

frep frep

fTS=1+mfrep fCF=2+nfrep

f

I (f)

i =i/frep

fTS=1+ mfrep fCF=2+ nfrep frep: the repetition rate of both lasers

frep

1

2

同步飞秒钛宝石与镁橄榄石激光相位漂移 测量方案——直接测量

Heterodyning the Cr:forsterite laser with the PCF-generated continuum from the Ti:sapphire laser. The beat signal f= (2 -1) directly reveals the carrier-

envelope phase relation between two lasers. PDF: 25cm/1.8m photonic crystal fiber.

-80

-60

-40

-20

0

Inte

nsi

ty (

dB

m)

100806040200Frequency(MHz)

frep -f f

frep

frep+f STAGE

PINDiode

PDF B.S

40X

C:F Laser, 1250nm/52fs

Filter

830nm/43fs T:S laser

SpetrumAnalyzer

F2 F.L

C3

P.H

F1

Oscilloscope

PMT C2 C1

F3 F4

Ti:S laser

M6

M1

M2 M5

M3

M4

M7

DM

B.S

Spectrum Analyzer

C:F laser

PC

0 20 40 60 80 100

-80

-60

-40

-20

0

Inte

nsity

(dB

m)

Frequency (MHz)

镁橄榄石激光三次谐波与钛宝石激光二次谐波外差装置拍频 f= (32 -21) 反映两束激光的载波包络相位移动信噪比 : 30dB ，带宽 : <5MHz

Z.Wei et al; Opt Lett, Vol. 27, 2121(2002)

同步飞秒钛宝石与镁橄榄石激光相位漂移 测量方案 II—— 间接测量

780 800 820 840 860 8800.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 20 40 60 80 100 1200.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

The drifts of the beat frequency (left) and spectra (right) as tuning the Ti:sapphire laser cavity, which reveal the shifting period is about 0.19m and is reasonable with the calculation based on l T:S =1/4.

拍频信号与对应的光谱及其动力学特性

0 20 40 60 80 100-80

-60

-40

-20

0

Inte

nsity

(dB

m)

Repetition rate(MHz)

0 20 40 60 80 1000.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

XT

Dis

plac

emen

t l

(m

)

YL

fre XB

0 20 40 60 80 100

-80-70-60-50-40-30-20-10

0

XT

信噪比 40dB

高动态范围及优化结果

-110

-105

-100

-95

-90

-85

-80

Inte

nsity

[dB

m]

56.856.656.456.2

Frequency [x106

Hz ]

Locked beat signal obtained by spectrum analyzer. The spectrum width is 3 kHz (RBW).

Opt Lett, Vol.28, (2003), IEEE J Topics of Quantum Electron, 2003 IEEE J Topics of Quantum Electron, 2003

相位锁定与相干控制的实现

同步钛宝石激光的 CEP 测量

0 20 40 60 80 100 120

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

frep

frep+

Beat frequencyCentral frequency: 78.75 MHzSpan: 150 MHzResolution:100 KHzSweep time: 50 ms

inte

nsi

ty (

dB

m)

frequency (MHz)

frep-

重复频率 frep ：79MHz拍频信号： ~28MHz信噪比： 41dB

f1=1+nfrep

f2=2+nfrep

f1- f2 1- 2

High stably 1.3W synchronized femtosecond Ti:sapphire lasers with attosecond timing jitter and ultralong tolerance

-----CLEO 2005, USA. Accepted

The authors show passive synchronization between two-modelocked Ti:sapphire laser by novel synchronization scheme. Similar passively-synchronized two lasers have been reported, however, this scheme is new and can be applied to various laser medium. I would like to recommend the manuscript for publication after minor revision.

Independently tunable 1.3W femtosecond Ti:sapphire lasers passively synchronized with attosecond timing jitter and ultrahigh robustness

-----Optics Letters, 2005, Accepted

I am pleased to accept your manuscript for publication in Optics Letters based on the review(s) appended below. I encourage you to take advantage of this opportunity to finalize your paper on the basis of the reviewers’ comments.

I have carefully read and examined manuscript 60807 by J. Tian et al. on "Synchronized two independent 1.3W femtosecond Ti:sapphire lasers with attosecond timing jitter and ultralong tolerance". The paper reports on a new and rigorous design of a self-synchronized two-color laser system with very attractive operating performance. Since this setup might proof useful for a row of applications in ultrafast spectroscopy, the paper is clearly suited for publication in Optics Letters. Especially, the split design using separate media for gain and cross mode locking should make the laser easier to align as compared with previous proposals. Also, the measured sub-fs timing jitter, the tolerance of cavity length mismatch in the 10 micron range and output powers of 1.3 W for each branch are very impressive. The only point I would like to criticize is the moderate level of correctness of English grammar in this manuscript. Sometimes, the text is a bit difficult to understand for the non-specialist reader. As an example, the title might be changed to something like "Independently tunable 1.3W femtosecond Ti:sapphire lasers passively synchronized with attosecond timing jitter and ultrahigh robustness"... For correction of the rest of the manuscript, the authors might want to contact e.g. a native speaker of English for assistance.

同步飞秒激光的应用同步飞秒激光的应用

激光脉冲的相干合成

在极短脉冲的产生、超快非线形光学、 相干合成等领域有重要的意义

飞秒激光相干控制在强场中的应用

六、总 结 提出了将增益介质与 XPM 耦合介质完全独立的被动同步技术方案，给出了同步机理的物理模型，基于该原理研制成功了多台高精度同步飞秒激光器 在同步精度、同步的维持运行时间、允许腔长失配量、锁模输出功率、锁模稳定性等方面得到了远高于原国际先进水平的领先结果。研制成功紧凑实用的产品化样机，填补了国际上无此类产品的空白。已在量子光学研究领域取得成功应用，可望为超快泵浦探测、飞秒差频光的产生、超宽超连续光谱的获得、光学频率测量等研究提供新型的前沿研究手段。

谢谢各位