激光原理锁模技术

§1锁模原理一、锁模基本概念将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列二、输出功率2a22Na20PPsinsintaP0:一个纵模的输出功率N:纵模个数Lcq2:相邻两纵模圆频率间隔:相邻两纵模的相位差第十章锁模技术第q模的光场为)]q()tqi[(ω0)ti(ω0q00qqeEeE(t)E合光场为)ti(ωnnq)]q()tqi[(ω0nnqq0000e(t)AeE(t)E(t)Ennqiqa0nnq)tiq(0eEeE(t)A证设腔内共有N=2n+1个纵模,第q=0模的圆频率、初相位为:0、0;第q模为:q=0+q、q=0+q]eeeeeee[Einaa1)(niia0iiaa1)(niina0)e(1e]e[eeEe1]e[1eEiai1)ai(n-inai0ia1)ia(2nina02a2a2a2Na02a210ii)ai(n)a-i(n0EanEeeeeE2a2a2121sinsinsinsin输出功率(t)AE(t)P(t)222a22Na20Psinsin三、锁模激光器工作特性1、峰值功率Pm=N2P02、重复周期与重复频率cL2T证02aP(N=4)a=0、2、4…时P达最大212a2a2N2Na2Na0a02a22Na200am22PPPcossincossinlimsinsinlim0220000coscoslimsinsinlimPNaNaNPaNaNPaaa=2/N、4/N…时P=0光在腔内往返一周所用时间(1)重复周期22220sinsinaNaPP3、脉宽(光脉冲持续时间的一半)TNT1a1=t1+a2=t2+a2–a1=(t2-t1)=T=2证cL2cL22TqLcf2(2)重复频率证N2aa12NTN2qTNqT1TTqq11另有123456789(N=4)123456987例1He-Ne激光器的谐振腔长L=1.5m,截面积S=1mm2,输出镜透过率为T＝0.01,激活介质的多普勒线宽为＝950MHz,饱和参数为Is=50w/mm2,现将此激光器激活，激发参数=2,求:①满足起振条件的模式数②总输出功率(无模式竞争,各模式输出功率均按中心频率输出功率计)③锁模后的光脉冲峰值功率、重复周期、脉宽。解MHz950950222FTlnlnlnlnMHz100512103L2c8q.101]100950[1][qqT①Pm=N2P0=1000.75=75ws10103512cL2T88.s101010NT98③222s150w/mm1)-(250)1(II0w7501500101STIP210210..w5775010PqP0..②sT961005.11095011或一、主动式锁模§2锁模激光器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2、振幅(损耗)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，当电调制频率为f=c/4L时,损耗调制频率为f=c/2L，可获重复频率也为f的激光脉冲系列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tUtU21sin)(0②腔损耗率o:腔平均损耗率,:损耗率变化幅度,:损耗频率ttcos)(0U0:调制电压幅度，:调制频率21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Lcf2③调制器透过率tTTtTcos)(0To: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Lcfq2cLT2tU(t)(t)T(t)tttI(t)cL4cL20U(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)tcos()(000EtEE0:光场振幅，0:频率,0:初位相②声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场为)t(cos]cos[E)tT(t)cos()(0000000tTTEtE)t(cos)cos1(A00tM:调幅系数,A=E0T0:调制后的光场振幅00TTM③调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率为0±的两个边模)tt)cos(Mcos(1)(00AtE)tt)cos(Mcos()tAcos(0000A)]tcos(t)tM[cos(21)tAcos(000000tA]t)-AMcos[(21])tMcos[(21)tAcos(000000A④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有纵模都被耦合形成脉冲系列输出。00+0-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f=c/2L时，可以获重复频率也为f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tdnUEntneecos221)(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,:调制频率tUtUcos)(0tdUtEcos)(0d: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Lcf2tdnlUtnltecos)(2)(3330④相移l:晶体沿通光方向的长度tdnlUdttdtesin)]([)(33300t0tdtd)(⑤光的频移为相位相移频移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)tcos()(000EtEE0:光场振幅，0:频率,0:初位相②电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场为]cos)tcos[(])(tcos[)(000000tMEtEtE:调相系数dnlUMe3330③调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率为0±的两个边模)]tsin(t)tM[sin(21)tcos(E00000000tE]t)-Msin[(E21])tMsin[(21)tcos(E000000000E④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有纵模都被耦合形成脉冲系列输出。00+0-]cos)tcos[()(000tMEtE)cossin()tsin(E-)coscos()tcos(000000tMtMEM11)coscos(tMtMtMcos)cossin(tEtEcos)tMsin(E-)tcos()(000000二、被动式锁模(染料锁模)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tPtPtPtPtP线性放大非线性吸收非线性吸收非线性放大