第七章-注入锁定和锁模

激光的注入锁定田泽浩12507310071.什么叫注入锁定？弱信号注入一自由运转的振荡器中所产生的注入锁定现象。利用这一现象,可以用一束弱的、性能优良的激光束空制一个强激光器输出光束的光谱特性、模式相位特性及空间特性。注入锁定现象可分为两类:①连续激光器的注入锁定:在一连续激光振荡器中注入一弱的单色激光信号,若注入光信号频率ν1足够接近激光器的自由振荡频率ν,则激光振荡可完全被注入信号控制,激光器振荡模式的频率跃变为ν1,相位与注入信号同步。②脉冲激光器的注入锁定:在调Q或增益开关激光器启动过程中注人一弱信号,可使频率与注入信号频率最接近的模式优先起振,其他模式被抑制的现象。1.注入锁定的现象本节仅从基本物理图像出发揭示以上现象的实质并介绍其在激光技术中的实际意义,但不作严格的理论处理。我们的学习要求2.连续激光注入锁定假设连续激光器振荡模的频率为ν(角频率为ω),输出光强为I0。若注入一频率为ν1(角频率为ω1)、光强为I1的弱信号,则输出光频率跳变为ν1,如图7.4.1所示。下面我们将阐述产生这一注入锁定现象的物理过程。对于注入信号而言,激光器相当于一个在增益介质两端置有两面反射镜的再生放大器,如图7.4.2(a)所示,图中反射镜的反射率为r。若以ε1(t)、εc(t)及ε'1(t)分别表示再生放大器的人射光、腔内左镜端右向行波和输出光的电场,则由边界条件可得2.连续激光注入锁定111'111()1()()exp[()2]()1()exp[(())/2]ccctrtrtgvLLjkLtrtgvLjkL2.连续激光注入锁定以上公式来历有边界条件得：]2)(exp[)()()(1112jkLLLvgtrttrcc2.连续激光注入锁定得公式)2)(exp()()(1)(12jkLLLvgtrtrtcc2'1'1t）（I2'112221(1)exp[()]{1exp[()]}4(/)()exp[()]IrgvLLIrgvLLrLcgvLL式中g(ν1)、α和L分别为增益介质的增益系数、损耗系数和长度;k1=ω1η/c,η为增益介质折射率。由以上二式求出并考虑发生注入锁定现象时ω1与ω十分接近的特点,再生放大器的输出光强）（‘t12.连续激光注入锁定当激光器稳定工作时exp[()]1rgvLL所以,若注入光角频率ω1等于激光器振荡模角频率ω,则I'1→∞。再生放大器输出光强I1随注入光角频率ω1变化的曲线如图7.4.2(b)所示。当ω1接近ω时,再生放大器的21221'1)()/(41cLnrrII2.连续激光注入锁定输出光强I'1可超过激光器的自由振荡输出光强I0。这意味着注人光在激光器内急剧增强,在与激光器自由振荡模争夺高能级粒子的过程中具有优势,结果角频率为ω的自由振荡模式被抑制,输出光角频率锁定于ω1。激光器的自由振荡模是由自发辐射噪声增长形成的,而角频率为ω1的光波则是由注入信号增长形成的,注入信号强度远远超过自发辐射噪声,这是它在竞争过程中占优势的原因。注入锁定的条件是：2.连续激光注入锁定由式(7.4.1)可得110(1)122IrcIrL当r≈1时，注入锁定角频率范围10cII(7.4.2)式中Δωc为无源腔线宽。由式(7.4.2)可见,注入信号越强,锁定频率范围越大。2.连续激光注入锁定在锁定区内,激光器输出光频率为ω1.当ω1接近ω时,输出光强不可能会像图7.4.2(b)所示曲线那样无限增该曲线是在单程增益与单程损耗相等的情况下获得的。事实上,由于增益饱和效应,当输出光强超过I。时,单程增益变得小于单程损耗,因此光强不可能无限增长。下面我们由稳定工作时能量平衡条件来估算注入锁定时的输出光强。稳定工作时单位时间内腔内光能损耗应等于注入光能,因而有2.连续激光注入锁定式中A为光束截面积;T为反射镜透过率。由上式可得假设工作物质具有均匀加宽线型,并且ν1≈ν≈ν。,则111()[()]chvNALgvLIATL'1112[()]/gvLITIT001'10()()21GvGvITI(7.4.3)（7.4.4）2.连续激光注入锁定32'1010'142sTITIIIII无光注入时激光器的输出光强由式(7.4.3)、(7.4.4)及式(7.4.5)并考虑到注入信号很弱的条件,可得注入锁定时激光器输出光强000()112sGvlIIT（7.4.5）3、脉冲激光器的注入锁定若在调Q或增益开关激光器启动过程中注入一频率为ν1(ω1)的弱信号,虽然它不足以真正地锁定高增益激光器的自由振荡模式,但它在再生放大器中往返传输并不断增强的过程中发生快速相移,其角频率由ω1迅速变为最邻近的激光器模式的角频率ω。于是,角频率为ω的邻模在注入信号的基础上增长,而其他模式却在弱得多的自发辐射3、脉冲激光器的注入锁定噪声的基础上增长。因此在巨脉冲形成过程中,角频率为ω的模式占绝对优势,激光器输出一个角频率为ω的巨脉冲。在上述过程中,注入信号犹如一颗种子,所以常将这种注入锁定方式称作注入种子。下面分析上述快速相移过程是如何形成的。我们用一复向量(参见图7.4.3)来描述光波电场。任一角频率ω的电场,均可表示为1()Re[()]jttEte3、脉冲激光器的注入锁定电场ε(t)为以角频率ω1在复平面上反时针旋转的复向量E(t)在实轴上的投影。现在在一个以角频率ω1反时针旋转的参考平面上考察复向量E(t)。可以想象:若ω=ω1,则E(t)不转动;若ω=ω1-Δω,则E(t)以角频率Δω在参考平面上顺时针转动;若ω=ω1+Δω,则E(t)以角频率Δω反时针转动。()()jEtEte()()()jtEtEte若ω=ω1,则若ω=ω1-Δω,则3、脉冲激光器的注入锁定为了图示清晰起见,下面讨论一环行脉冲激光器的注入锁定过程,这一分析方法对直腔激光器同样适用。图7.4.4示出一个腔长为L的环行激光器(假设工作物质长度等于腔长),注入弱信号的角频率为ω1,与ω1最接近的自由振荡模式的角频率是ω,ω=ω1-Δω。在M1镜处,腔内行波场由注入腔内的光波场和M1镜的反射光波场组成。腔内行波场的复向量式中Ein(t)和Er(t)分别为注入腔内的光波场和M1镜反射光波场的复向量。反射光波电场()()()cinrEtEtEt(7.4.6)3、脉冲激光器的注入锁定10()0()Re[()]jtTgLrctEtTee式中T。是光在环行腔中传输一周所需的时间。只考虑一周由上式可得(7.4.7)01)()(TjwgLocreeTtt0)(0TwwjgLceeTt0)(0wTjgLceeTt3、脉冲激光器的注入锁定由式(7.4.7)可知,由于ω1≠ω,行波场传播一周后复向量相位延迟了ΔωT。由式(7.4.6)及式(7.4.7)得到稳定工作情况下腔内诸光波场复向量的关系图,如图7.4.5所示图7.4.5M1镜处腔内行波场、注入光波场及反射光波场在转动参考平面上的电场复向量关系图现在,我们来考虑一个在t=0时刻启动的调Q或增益开关激光器。在Q开关或增益开关启动之前,激光器尚未起振时注入一个角频率为ω1的弱信号,在M1镜处的腔内复向量为Ein。对注入光来说,此激光器相当于一个再生放大器。光在腔中传输若干次后,形成稳定状态,M1镜处腔内行波场、反射光波场及注入光波的电场复向量的关系如图7.4.6(a)所示。在t=0时刻Q开关或增益开关启动,使得gL-δ〉0,因此行波场在腔内传输一周后振幅增加,M1镜处反射光波场复向量ErlEr0,M1镜处行波场变为Ec1,如图7.4.6(b)所示。3、脉冲激光器的注入锁定图7.4.6Q开关或增益开关启动后复向量的变化(a)t=0;(b)t=T。;(c)t=2T。与Ec0相比，Ec1落后一个相角。此过程继续下去，经N个周期后，ErNEin,EcN与ErN间的夹角极小,可近似地认为EcN较EcN-1落后了相角ΔωT。，由此可见,在Q开关或增3、脉冲激光器的注入锁定3、脉冲激光器的注入锁定益开关启动后,当注入信号在腔内传输了若干周期后,复向量Ec(t)以角频率Δω在参考平面上顺时针旋转,而参考平面本身又在复平面上以角频率ω1反时针旋转。其结果是复向量Ec(t)以(ω1-Δω)角频率在复平面上反时针旋转,同时幅度不断增长,腔内光场的角频率由开始时的ω1转变为ω。于是角频率为ω的邻模在Ec0的基础上增长,而主他模却要在微弱的自发辐射基础上逐渐增长。只要立Ec0的幅度超过放大的自发辐射对一个模的贡献,则角频率为ω的模占绝对优势,因此激光器输出一个角频率为ω的单模巨脉冲。如果脉冲持续时间过长,其他模式也会增长到足够的强度,角频率为ω的模的优势随之丧失,所以在连续激光器中,这种注入种子工作方式不可能发生。3、脉冲激光器的注入锁定4、注入锁定的实际意义高功率或动态调制激光器往往线宽较宽、频率不稳定或多模运行。利用注入锁定,可由一个功率较小、但窄线宽、单模运转、频率稳定的激光器来控制一个高功率或动态调制激光器的光束质量。与可达到同样目的的光放大技术相比,具有功率转换效率高、装置小等优点。注入锁定不仅能影响激光器的频域特性,也可用于控制激光器模式的相位特性或空间特性。端设置共同区造成衍射耦合或外腔反馈等方法使各个激光器的模场相互耦合可使各激光器的模式相位锁定。这种锁相列阵可产生空间相干性好、发散角小的高功率激光束。4、注入锁定的实际意义4、注入锁定的实际意义阵列激光器发光示意图使用注入锁定技术使阵列激光器发出的光具有相干性好，发散角小的特点感谢