第七章：激光特性控制

1、第七章：激光特性控制()( , )qqzitvqqEz tE e 1. 未锁模多纵模激光器的输出特性未锁模多纵模激光器的输出特性 设激光器有设激光器有2N1个纵模振荡，则其输出的光波电场为：个纵模振荡，则其输出的光波电场为：( )cos()NqqqqNE tE 20(21)INE 特点：由于频率牵引，各纵模频率不等间隔，初位相无确特点：由于频率牵引，各纵模频率不等间隔，初位相无确定关系。定关系。2. 锁模的基本原理锁模的基本原理 设腔内有设腔内有, (1),0,(1),qNNNN 等（等（2N1）个模式振荡：）个模式振荡：10qqqcqL ，0qEE 10qqqq ，且满足相位锁定条件：且满足

2、相位锁定条件：（2N1）个纵模的合成电场强度：）个纵模的合成电场强度：00()( )( )itE tA t e 01sin(21)()2( )1sin()2ENtA tt 220221sin(21)()2( )( )1sin()2ENtI tA tt 输出光强：输出光强： 峰值功率峰值功率22200(21)mIENE 周期（相邻脉冲峰值间隔）周期（相邻脉冲峰值间隔）022LTc 等于光在腔内来回一次所需的时间等于光在腔内来回一次所需的时间 脉冲宽度脉冲宽度 2111(21)21qNN 荧光线宽荧光线宽 9 9个纵模锁模个纵模锁模有有2N-12N-1个次脉冲。次脉冲的个数为个次脉冲。次脉冲的个数

3、为2N-12N-1，参与锁模的纵模，参与锁模的纵模数越多，次脉冲的幅度越低；数越多，次脉冲的幅度越低；被动锁模被动锁模主动锁模主动锁模1. 主动锁模主动锁模 在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。一定调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。相位调制锁模（频率调制锁模）相位调制锁模（频率调制锁模）采用电光调制器采用电光调制器振幅调制锁模（损耗调制锁模）振幅调制锁模（损耗调制锁模）采用声光调制器采用声光调制器主动锁模主动锁模自锁模自锁模7.4.2 7.4.2 锁模方法锁模方法损耗调

4、制频率：损耗调制频率：2cfL （角频率（角频率 ）cL 1t设设 时刻：时刻： 损耗为损耗为1( )t 1( )0:t 这部分光信号每往返一次就受到一次损耗这部分光信号每往返一次就受到一次损耗1( )0:t 这部分光信号每次无损耗通过这部分光信号每次无损耗通过10tT 时刻：时刻：101()( )tTt 损耗为损耗为则则时域角度分析时域角度分析 (1) (1) 振幅调制锁模振幅调制锁模调制信号波形调制信号波形 腔内损耗波形腔内损耗波形 调制器透过率波形调制器透过率波形 调制前腔内光波电场调制前腔内光波电场 调制后腔内光波电场调制后腔内光波电场 激光器输出的锁模光脉冲激光器输出的锁模光脉冲 损

5、耗变化频率是信号频率的损耗变化频率是信号频率的2倍倍0 光波通过调制器，产生光波通过调制器，产生了两个边频分量了两个边频分量0 它们与它们与 具有相同的相位，具有相同的相位，从而使与从而使与 相邻的两个纵模开相邻的两个纵模开始振荡。始振荡。0 0 0 的光通过调制器时，出现的光通过调制器时，出现 的振荡模。的振荡模。02 此过程继续进行，直到落在激光线宽内的所有纵模被激发。此过程继续进行，直到落在激光线宽内的所有纵模被激发。各模具有相同初位相，且频率等间隔，从而达到锁模目的。各模具有相同初位相，且频率等间隔，从而达到锁模目的。频域角度分析频域角度分析 余弦调制后的电场强度为：余弦调制后的电场强

6、度为： 0000000000( )cos()cos()cos()22aaMMEtEtEtEt 采用声光调制器实现，对调制频率要求很高。采用声光调制器实现，对调制频率要求很高。 利用晶体的电光效应，当调制器介质折射率按外加调制信号利用晶体的电光效应，当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，便有不同的相而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，便有不同的相位延迟。由相位延迟对时间的微分，即可得到频率的变化量。位延迟。由相位延迟对时间的微分，即可得到频率的变化量。 相位调制函数：相位调制函数： ( )costt经调制器后的经调制器后的纵模电场：纵模电场：0000(

7、)cos(cos)E tEtt振荡角频率：振荡角频率：0( )sintt相位随时间变化(2) (2) 相位调制锁模相位调制锁模当调制相位周期与光在腔内当调制相位周期与光在腔内运行周期一致，光信号每经过运行周期一致，光信号每经过调制器一次都经受频移，最后调制器一次都经受频移，最后移到增益曲线之外，这部分光移到增益曲线之外，这部分光波从腔内消失。波从腔内消失。 只有与相位变化极值点（极大只有与相位变化极值点（极大或极小）相对应的时刻通过调制或极小）相对应的时刻通过调制器的光信号，不发生频移，能在器的光信号，不发生频移，能在腔内保存下来。腔内保存下来。 0( )sintt 采用电光调制器，不同时刻通

8、过的光波具有不同的相位延迟。采用电光调制器，不同时刻通过的光波具有不同的相位延迟。 有二个完全无关的脉冲列（实线和虚线），可将调制信号有二个完全无关的脉冲列（实线和虚线），可将调制信号及其倍频信号同时加上，造成相位调制函数的不对称，从而及其倍频信号同时加上，造成相位调制函数的不对称，从而让一列优先运行。让一列优先运行。在谐振腔内插入可饱和吸收体来调节腔内损耗。在谐振腔内插入可饱和吸收体来调节腔内损耗。可饱和吸收体必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线可饱和吸收体必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激光应和激光波长很接近；第二，吸收线的线宽

9、要大于或等于激光线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动调否则就成为被动调Q Q激光器了。激光器了。 2. 被动锁模被动锁模快饱和吸收体：恢复时间快饱和吸收体：恢复时间小于脉冲宽度；小于脉冲宽度；慢饱和吸收体：恢复时间慢饱和吸收体：恢复时间大于脉冲宽度，小于脉冲大于脉冲宽度，小于脉冲周期。周期。 染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以弱信号染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以弱信号损耗大，强信号损耗小，光脉冲每经过染料和工作物质一次，损耗大，强信号损耗小，光脉冲每经过染料和工作物质一次，其强弱信号的

10、强度相对值就改变一次，在腔内循环多次后，其强弱信号的强度相对值就改变一次，在腔内循环多次后，极大值与极小值之差会越来越大。结果是腔脉冲形成振荡，极大值与极小值之差会越来越大。结果是腔脉冲形成振荡，弱脉冲消失；同时强脉冲的前后沿也被吸收，强脉冲越来越弱脉冲消失；同时强脉冲的前后沿也被吸收，强脉冲越来越窄。窄。 由于吸收体的吸收频率与增益曲线频率一致，经吸收后只由于吸收体的吸收频率与增益曲线频率一致，经吸收后只剩谱线中心频率及其边频，边频又激发新的边频，如此进行，剩谱线中心频率及其边频，边频又激发新的边频，如此进行，使所有模式参与振荡。使所有模式参与振荡。 (2) (2) 采用晶体或半导体纳米材料

11、被动锁模采用晶体或半导体纳米材料被动锁模Power meterOSCGaAsNd:YAGPIN(1) (1) 采用有机染料被动锁模采用有机染料被动锁模通过调制谐振腔内的增益来实现。通过调制谐振腔内的增益来实现。 用一台锁模激光器输出的锁用一台锁模激光器输出的锁模脉冲序列作为种子脉冲，去模脉冲序列作为种子脉冲，去泵浦另一台激光器并实现锁模。泵浦另一台激光器并实现锁模。 要求被泵浦激光器与泵浦激要求被泵浦激光器与泵浦激光器二者之间谐振腔长度相等光器二者之间谐振腔长度相等或是其整数倍。或是其整数倍。 同步泵浦锁模获得的锁模同步泵浦锁模获得的锁模脉冲宽度比泵浦脉冲窄。脉冲宽度比泵浦脉冲窄。 3. 同同

12、 步步 泵泵 浦浦 锁锁 模模利用增益介质自身的非线性效应实现锁模。利用增益介质自身的非线性效应实现锁模。 在强光作用下，增益介质的非线性效应为：在强光作用下，增益介质的非线性效应为：为为克克尔尔系系数数。为为线线性性折折射射率率，2020n)(ntInnn （1）自振幅调制）自振幅调制光脉冲通过介质时产生自聚焦，其焦距为：光脉冲通过介质时产生自聚焦，其焦距为：为为常常数数。为为介介质质长长度度，为为轴轴线线上上折折射射率率变变化化，为为光光斑斑半半径径， L402nnnLnfmmm 4. 4. 自自 锁锁 模模 从脉冲包络的时域看，前后沿的光强小于中部光强，所以从脉冲包络的时域看，前后沿的光

13、强小于中部光强，所以脉冲中部对应的类透镜焦距小于前后沿对应的焦距。当脉冲脉冲中部对应的类透镜焦距小于前后沿对应的焦距。当脉冲通过介质时，脉冲在时间上的光强变化在空间上反映出来。通过介质时，脉冲在时间上的光强变化在空间上反映出来。如果在适当位置有一光阑，脉冲前后沿通过时的损耗大，脉如果在适当位置有一光阑，脉冲前后沿通过时的损耗大，脉冲中部通过时的损耗小，相当于可饱和吸收体，这种效应成冲中部通过时的损耗小，相当于可饱和吸收体，这种效应成为自振幅调制。为自振幅调制。 由于自聚焦效应与光阑的存在，使激光受到一个与光强由于自聚焦效应与光阑的存在，使激光受到一个与光强有关的调制有关的调制)(-0tI 在带

14、有被动性质的锁模激光器中，腔内存在具有下列性质在带有被动性质的锁模激光器中，腔内存在具有下列性质的元件：能够从噪声中选择出强度比较大的脉冲，并利用锁的元件：能够从噪声中选择出强度比较大的脉冲，并利用锁模器件自身的非线性效应使脉冲前后沿的净增益小于模器件自身的非线性效应使脉冲前后沿的净增益小于1 1，而脉，而脉冲中间部分的净增益大于冲中间部分的净增益大于1 1。脉冲在腔内往返传播的过程，即。脉冲在腔内往返传播的过程，即是被整形放大的过程，直至脉宽被压窄，实现稳定锁模。是被整形放大的过程，直至脉宽被压窄，实现稳定锁模。（2)自相位调制与频率啁啾自相位调制与频率啁啾 光脉冲通过介质时，折射率的非线性

15、引起的附加相位和附加频率为：光脉冲通过介质时，折射率的非线性引起的附加相位和附加频率为：ttIkLntttIkLntnkLt )()()()()(22 ，脉冲包络不同部位的相位不同，称为自相位调制（脉冲包络不同部位的相位不同，称为自相位调制（SPM)；不同部位的频率不同部位的频率 不同，不同，称为频率啁啾。称为频率啁啾。)()(0tt 由图可见，脉冲前沿频率减小，称负啁啾或红由图可见，脉冲前沿频率减小，称负啁啾或红移；脉冲后沿频率增大，称正啁啾或蓝移；脉移；脉冲后沿频率增大，称正啁啾或蓝移；脉冲中部频率不变。冲中部频率不变。啁啾脉冲如果通过负色散介质（频率大，折射啁啾脉冲如果通过负色散介质（频

16、率大，折射率小，速度快），脉冲前沿传输慢，脉冲前沿率小，速度快），脉冲前沿传输慢，脉冲前沿传输快，即脉冲压缩。传输快，即脉冲压缩。啁啾脉冲如果通过正色散介质（频率大，折射啁啾脉冲如果通过正色散介质（频率大，折射率大，速度慢），脉冲前沿传输快，脉冲前沿率大，速度慢），脉冲前沿传输快，脉冲前沿传输慢，即脉冲展宽。传输慢，即脉冲展宽。（3）脉冲压缩）脉冲压缩 引入负色散介质，对光脉冲进行腔内压缩，使之成为飞引入负色散介质，对光脉冲进行腔内压缩，使之成为飞秒激光。秒激光。 前沿的红光路程长，传输慢；后沿的红光路程长，传输前沿的红光路程长，传输慢；后沿的红光路程长，传输快。脉冲压缩。快。脉冲压缩。增益介

17、质是正色散介质。增益介质是正色散介质。飞秒脉冲序列飞秒脉冲序列5. 5. 超短脉冲测量超短脉冲测量 采用快速响应的光电二极管（几十皮秒）和高速示波器采用快速响应的光电二极管（几十皮秒）和高速示波器（5G)5G)可以测量皮秒脉冲。但是，当脉冲宽度为几皮秒或以下，可以测量皮秒脉冲。但是，当脉冲宽度为几皮秒或以下，必须采用相关测量。必须采用相关测量。（1 1）双光子荧光法）双光子荧光法 某种物质原子能同时吸收二某种物质原子能同时吸收二个光子从基态跃迁到较高激发态，个光子从基态跃迁到较高激发态，称为双光子吸收。原子弛豫到较称为双光子吸收。原子弛豫到较低激发态后，发出荧光。例如，低激发态后，发出荧光。例

18、如，若丹明若丹明6G6G丙酮溶液在强光作用丙酮溶液在强光作用下吸收二个下吸收二个1064nm1064nm光子产生光子产生550nm550nm的双光子荧光。利用这种的双光子荧光。利用这种特性可以对皮秒脉冲的时间宽度特性可以对皮秒脉冲的时间宽度进行测量。进行测量。 被测光脉冲分成强度相等的二个脉冲，经过反射镜的反射，被测光脉冲分成强度相等的二个脉冲，经过反射镜的反射，反向通过染料溶液。在溶液中单脉冲通过的地方发出均匀的反向通过染料溶液。在溶液中单脉冲通过的地方发出均匀的弱光，但在两脉冲重叠处，则发生双光子吸收而发出很强的弱光，但在两脉冲重叠处，则发生双光子吸收而发出很强的荧光。如果用高感光度的胶卷

19、拍下荧光强度的空间分布，置荧光。如果用高感光度的胶卷拍下荧光强度的空间分布，置曝光底片于显微密度计上，就可根据底片上的光密度空间分曝光底片于显微密度计上，就可根据底片上的光密度空间分布求出脉冲宽度。布求出脉冲宽度。测量装置测量装置染料辐射的荧光强度为：染料辐射的荧光强度为： c2z)()(2)()(2 ，其其中中dttItIdttIAF以溶液中心为以溶液中心为z=0。式中第一项为单个脉冲作用发出荧光的贡。式中第一项为单个脉冲作用发出荧光的贡献，第二项为两个脉冲共同作用发出荧光的贡献。由上式，献，第二项为两个脉冲共同作用发出荧光的贡献。由上式，引入相关函数：引入相关函数： )(2)0()(22

20、GGAF 在溶液中心，两个脉冲重合，荧光最强；在溶液中心，两个脉冲重合，荧光最强；远离溶液中心，两个脉冲完全分离，荧光最弱。远离溶液中心，两个脉冲完全分离，荧光最弱。 所以最大和最小之比为所以最大和最小之比为3 3比比1 1。作出。作出F F与与z z的关系曲线，得到的关系曲线，得到半高全宽的空间距离，再求出脉冲时间宽度半高全宽的空间距离，再求出脉冲时间宽度)0(2)0()0(22GGAF )0()(2AGF cnzt 1 二次谐波测量实质上是把时间的测量转换成长度或空间二次谐波测量实质上是把时间的测量转换成长度或空间的测量。当干涉仪长度变化的测量。当干涉仪长度变化0.15mm0.15mm时，相当于时间延迟时，相当于时间延迟1ps1ps。 二次谐波法特别适合连续二次谐波法特别适合连续泵浦自锁模激光器飞秒脉冲的泵浦自锁模激光器飞秒脉冲的测量（使臂长振动）。测量（使臂长振动）。 通过改变一个臂的臂长，使光程差为通过改变一个臂的臂长，使光程差为 ，以改变两，以改变两个脉冲的相对时间延迟个脉冲的相对时间延迟 ，测量相应的倍频光强度，测量相应的倍频光强度，作出倍频光强度与延迟时间的关系曲线，由曲线的半高全宽作出倍频光强度与延迟时间的关系曲线，由曲线的半高全宽得到脉冲时间宽度。得到脉冲时间宽度。z2 z/c2 测试题测试题1. 1. 激光选模技术分哪几类？激