4.7激光锁模技术

目的:压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际应用需要更窄的脉冲.(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps）量级。)例:1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好.2.激光高速摄影.为了拍照高速运动的物体,提高照片的清晰度,也要压缩脉宽.3.对一些超快过程的研究,激光核聚变,激光光谱,荧光寿命的测定,非线性光学的研究等需窄的脉宽).(掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列)。4.7激光锁模技术4.7.1锁模原理一、多模激光器的输出特性自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，如图所示。这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:)()(qqtiqqeEtEqtiqqqeEtE)()(那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即)()(qqtiqqeEtEqtiqqqeEtE)()(Eq、ωq、φq为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅Eq、初位φq均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。假设有三个光波，频率分别为v1v2和v3，沿相同方向传播，并且有如下关系：，在未锁定时，初相彼此无关。032113123,2EEEEvvvv1v2v3v由于“破坏性”的干涉叠加，形成的光波没有一个地方有突出的加强，输出的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如φ1=φ2=φ3，即按关系锁定，此时三个光波的方程为01qq)2cos()2cos()2cos(303202101tvEEtvEEtvEE1v3v2v由于“建设性”的干涉叠加，形成的光波就周期性地出现极大值。202032193EEEEEEE当t=0时0321EEEE当时131vt图2非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模,（b)理想锁模二、锁模的基本原理1.锁模基本概念锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。2.输出光强(1)定义处于增益曲线中心频率的纵模q＝0，因此在腔内参与振荡的模式个数共2N＋1个Lcqq12qcL22qcL00qqqq＝常数它们的初位相始终相等,并有φq=φq-1=0。(2)假设各模振幅相等,光强相等Iq=Iq-1=I00qEE(2)假设各模振幅相等,光强相等Iq=Iq-1=I00qEE则激光器输出的总光波场是2N＋1个纵模相干的结果.则第q个模式的电场强度为)()(qqtiqqeEtE(2N+1)个模式合成之电场强度NNqqtqΩiEtE])(exp[)(0∵Eq=E0,φq=φq-1=0∴NNtitiqeeEtE0)()(0按指数形式展开，再用三角函数可得：tiNNtitiqettNEeeEtE00)(21sin])12(21sin[)()(00振幅随时间而变化输出光强2202sin(21)2()sin2tNItEt光强随时间而变化例:下图为(2N+1)=7时I(t)随时间变化的示意图。T由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输出激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。titiNNtitiqetAettNEeeEtE000)()(21sin])12(21sin[)()(00123456789(N=4)123456987)(21sin])12(21sin[)(0ttNEtAA(t)的变化规律：1.当分子为0，分母不为0，则是A(t)的0点:0])12(21sin[tN......3,2,1,0,)12(21mmtNLc所以t=0,,,是A(t)的0点.1221LNc2221LNc2Lc2.分母为0的点:0]21sin[t......3,2,1,0,21mmt2420,,,LLLntccc3.因A(t)的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值,在两个最大值之间有2N个极小值.002max)12()(21sin])12(21sin[)(limENttNEtAmtmax0(21)ANE三、锁模激光器工作特性2202)12()()(NEtAtI1.输出脉冲的峰值(最大光强)注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之和,即I∝(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。2.周期(T)相邻脉冲峰值间的时间间隔cLT2激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。2L/c－光在腔内往返一次的时间,等于在腔内只有一个脉冲在振荡－锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数图4-30锁模光强脉冲(2N+1=9)t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间，共有2N个零点。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。3.脉冲的宽度(τ)(光脉冲持续时间的一半)按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值和0点之间的时间来表示。1221211NTcLNt所以t=0为极大值,第一个0点:1221LtNcv1在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出的脉宽最小为2L/c，而锁模激光器脉宽，比它窄2N＋1倍。被锁定的纵模数越多(2N＋1)↑↓1221LNc21(21)21TNN脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于τ,因而可以认为脉冲宽度等于τ。上式中Δv为锁模激光的带宽,它显然不可能超过工作物质的增益带宽,这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱线宽度较小,其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度较大,在适当的条件下可得到脉冲宽度为10-12s量级的皮秒脉冲。特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达25～35nm,其锁模脉冲宽度可达10-13s。4.7.2主动锁模在一般激光器中,各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确定的关系。并且,由于频率牵引和频率推斥效应,相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到锁模超短脉冲,须采取措施强制各纵模初位相保持确定关系,并使相邻模频率间隔相等。目前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类。一、主动式锁模1、定义在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的某个参量而实现锁模的方法图(4-31)锁模调制示意图2、振幅(损耗)内调制锁模：声光锁模(1)概念使用声光调制器调制谐振腔损耗，损耗的调制频率为vm=c/2L时,损耗调制周期为Tm=2π/Ω=2L/c，可获重复频率也为vm的激光脉冲系列设光信号在t1时刻通过调制器,并且δ(t1)=0,则在(t1+Tm)时刻此信号将再次无损地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而言,若δ(t2)≠0,则每次经过调制器时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信号能形成振荡,而光信号的其余部分因损耗大而被抑制,因此形成周期为2L/c的窄脉冲输出。激光介质声光器件全反镜输出镜激光(2)装置(3)时域原理①外加电调制信号tvUtUmsin)(0②腔损耗率o:腔平均损耗率,:损耗率变化幅度,vm:损耗频率tvtm2cos)(0U0:调制电压幅度，调制电信号为零时，损耗最小，调制电信号为极值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍③调制器透过率tvTTtTm2cos)(0To:平均透过率，T：透过率变化的幅度损耗最小时透过率最大，损耗最大时透过率最小④透过率最大时，输出光脉冲，输出光脉冲的重复频率与重复周期为Lcvq2cLT2tU(t)(t)T(t)tttI(t)cL4cL20U(t):驱动声光器件的外加调制电信号(t):腔损耗率T(t):调制器透过率I(t):锁模激光输出波形(4)调制曲线0T0T(5)频域原理①增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为tvEEtE0000cos2tcos)(E0:光场振幅，0:频率②声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场为t2cos]2cos[Et2T(t)cos)(00000vtvTTvEtEmt2cos)2cos1(A0vtvMm:调幅系数,A=E0T0:调制后的光场振幅00TTMt2t)cos2Mcos(1)(0vvAtEmtt)cos22Mcos(t2Acos00vvAvm)]2t2cos(t)2t2M[cos(21t2Acos000tvvvvAvmmt)-(AMcos221)t(Mcos221tAcos2000mmvvvvAvv0v0+vmv0-vm③调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有角频率v0的成分,还含有角频率为(v0±vm),初位相不变的两个边带,其频谱如图所示。④因调制频率vm正好等于相邻两纵模模频率。这就是说,在激光器中,一旦在增益曲线的某个角频率v0形成振荡,将同时激起两个相邻模式的振荡。并且,这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新的边频,因而激起角频率为(v0±2vm)模式的振荡,如此继续下去,直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止。3、相位(频率)调制模锁:电光锁模(1)概念使用电光晶体折射率随外加电压的变化对激光进行相位调制，调制频率为vm=c/2L时，可以获重复频率也为vm的激光脉冲系列激光介质激光全反镜输出镜起偏镜检偏镜LNxzyUz(2)装置tvdnUEntnmee2cos221)(3330333(3)时域原理①外加电调制信号②电光晶体中的电场U0:调制电压幅度,vm:调制频率tvUtUm2cos)(0tvdUtEm2cos)(0d:晶体沿电场方向的长度③折射率变化量33:LN晶体有效电光系数tvdnlUtnltme2cos)(2)(3330④相移l:晶体沿通光方向的长度tvdvnlUdttdtmme2sin2)]([)(3330⑤光的频移为0t0tdtd)(相位相移频移⑥频移为零时，光信号可输出形成光脉冲，频移不为零时，光信号经频移积累，移出增益曲线而熄灭证⑦存在两组无关的脉冲系列，对应于相移波形的极大值与极小值，随机输出其中任意一组cL20tU(t),n(t),(t)tI(t)t(t)U(t):驱动电光器件的调制电信号n(t)、(t):电光效应引起折射率变化和相移的波形I(t):锁模激光输出波形(t):光的频移波形(4)调制曲线cL(5)频域原理①增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为t2cos)(00vEtEE0:光场振幅，v0:频率②电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场为]2sint2cos[(t)]t2cos[)(m0000tvvEvEtE:调相系数dnlUe3330])4(2cos)()4(2cos)()3(2cos)()3(2cos)()2(2cos)()2(2cos)()(2cos)()(2cos)(2cos)([)(0404030302020101000tννJtννJtνν