c4.7激光锁模技术

§4.4激光调制技术§4.3激光束的变换§4.1激光器输出的选模1§4.5激光偏转技术第四章激光的基本技术§4.6激光调Q技术§4.2激光器的稳频§4.7激光锁模技术一、目的压缩脉冲宽度，提高峰值功率。Q开关激光器一般脉宽达10-7s～10-9s量级，峰值功率为千兆瓦，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。如激光高速摄影，对一些超快过程的研究。锁模技术则可产生出10-12～10-15秒量级的超短光脉冲，峰值功率达到T瓦量级。§4.7激光锁模技术首先回顾一下自由运转多模激光器的输出特性非均匀增宽激光器通常包含有多个纵模，纵模频率为=2qqqccqLL假设每个纵模的电场表示为则自由运转多模激光器总的输出为()()qqEtEt由于自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相干叠加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即输出光强随时间无规则起伏。qqII)cos()(qqqqtEtE4.7.1锁模原理4.7.1锁模原理核心思想：锁模技术让谐振腔中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。设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模式的角频率之差，则如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0（或初相位之差恒定，称为同步），则0qqNNqqtqΩiEtE])(exp[)(0Lc0001sin(21)()2()1sin()2NititiqtqNNtEtEeeEet2202sin(21)2()sin2tNItEt振幅随时间变化4.7.1锁模原理图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。Lc其中图4-30锁模光强脉冲当时，m=0，1，2……光强最大2tm22022022sin(21)2()lim(21)sin2tmtENItNEt锁模后脉冲峰值功率比未锁模时I∝(2N+1)E02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。2202sin(21)2()sin2tNItEt4.7.1锁模原理图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。Lc其中图4-30锁模光强脉冲当时，m=0，1，2……光强最大2tm相邻脉冲峰值间的时间间隔脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔21(21)21TNN)12(20)2sin(0]2)12sin[(NnmtttN但为锁模激光器的线宽可见锁模脉冲的周期T等于光在腔内来回往返一次所需的时间。因此，我们可以把锁模激光器的工作过程形象地看作有一个脉冲在腔内往返运动，每当此脉冲行进到输出反射镜时，便有一个锁模脉冲输出。LccLT22式中Δν为锁模激光的线宽，它显然不可能超过工作物质的增益线宽，这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器增益线宽较小，其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器增益线宽较大，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增益线宽达25~35nm，其锁模脉冲宽度可达10-13s。21(21)21TNN脉冲宽度4.7.1锁模原理图4-30锁模光强脉冲脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于τ。实现锁模的方法•主动锁模•被动锁模•自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。在自由运转的激光器谐振腔中加入受外界信号控制的调制器，对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫作主动锁模。1.振幅调制（损耗内调制锁模）4.7.2主动锁模如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调制周期为，调制频率(恰为纵模频率间隔)cLΩTm22Lcνm2图(4-31)锁模调制示意图此，调制器的损耗，损耗的周期为，所以，以后这束光波每次通过调制器时损耗相同。若损耗大于增益，这部分光波终将消失，而在损耗等于零时通过的光每次都能无损耗的通过，会不断被放大，满足阈值条件形成振荡，如果腔内损耗和增益控制得当，最终将形成脉宽很窄，周期为T的脉冲序列输出。12()Ltc2Lc112()()Lttc锁模过程的理解（时域）：由于损耗变化的周期正好是光波在腔内来回一次需要的时间2L/c，当把调制器放到腔的一端时，假设一束光波通过调制器时损耗为，当它第二次通过调制器时经历了2L/c的时间，因1()t损耗内调制锁模12()Ltc2Lc112()()LttctνtνMEtνtνEEtEmmm00002cos)2cos1(2cos)2cos()(图(4-31)锁模调制示意图从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：0νtννMEtννMEtνEtEmm)(2cos2)(2cos22cos)(000000图(4-32)中心频率及两边频0ν调制后腔内传播的不仅为原有的频率，还包括频率为的两个边频。这两个边带频率与中心频率的间隔恰好等于激光器的纵模间隔。即在激光器中，一旦形成的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图（4－32）。由于边带与中心频率的振荡同相位，所以使得新激发起来的纵模与中心频率的振荡也同相位。0νmν0损耗内调制锁模损耗内调制锁模这两个边带(纵模)通过调制器的作用，还将继续激发起另外相邻的两个边带(纵模)…。这样继续下去，可将多模激光器的所有纵模都激发成有相同相位的纵模振荡。由于各纵模的相位锁定，输出光能量相干叠加，从而形成超短脉冲。mν0mν20图(4-32)中心频率及两边频在非均匀加宽激光器中，如果腔长足够长，一般总是多纵模工作的，但各个纵模间没有确定的相位关系，锁模的作用只是使各纵模具有确定的相位关系。而在均匀加宽激光器中，如果不存在空间烧孔效应，通常只有一个纵模振荡，但实验说明，这类激光器也同样可产生超短脉冲。这种现象的原因是，当施加各种锁模手段后，v0模将产生一系列的边频，高增益模的能量不断传递给低增益模，因而可产生多个模式。振幅调制一方面促使多个模式振荡，同时使其相位锁定，从而产生超短脉冲。损耗内调制锁模相位内调制锁模设光波场为：调制后的光波电场：tνEtE002cos)(2.相位调制如果在谐振腔中插入一个电光相位调制器，也可达到锁模的目的。])4(2cos)()4(2cos)()3(2cos)()3(2cos)()2(2cos)()2(2cos)()(2cos)()(2cos)(2cos)([)(0404030302020101000tννJtννJtννJtννJtννJtννJtννJtννJtνJEtEmmmmmmmm位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。)2sin2cos()(00tνtνEtEm4.7.3被动锁模被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的“盒”即可;原理：当某些纵模偶然得到相干加强时，出现光场较强的部分，其他部分则较弱。这些较强的部分通过染料，被吸收的少，损耗不大；较弱的部分通过染料，被吸收的多，反而更被减弱，且选出的强脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地通过，则使脉冲变窄。最终造成这些强处（纵模相干叠加处）以窄脉冲的形式被选出来。激光介质染料盒全反镜输出镜激光1、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸多光脉冲进行线性放大2、非线性吸收：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉冲被吸收3、非线性放大：工作物质对留下的强脉冲进行非线性放大，使脉宽被压缩被动锁模的动力学过程由不规则的脉冲演变为锁模脉冲的物理过程大致分为定义：在一定的条件下，激光介质和谐振腔内的激光辐射之间的相互作用，可以使振荡模之间保持一固定相位关系，而不需加任何其他锁模元件，自锁。自锁模作业：P101:8,9