高等激光技术17

1、 第二节第二节 主动锁模技术主动锁模技术 腔内插入一个锁模调制器，其调制频率f应精确等于相邻纵模频率间隔 ,可以获得重复频率为c/2L的锁模脉冲序列。相位调制(PM)或频率调制(FM)，-电光调制器振幅调制(AM)-声光调制器或电光调制器；振幅调制(AM)-又称为损耗内调制，是实现稳定主动锁模的主要方法。q 一、振幅调制(AM)（损耗内调制锁模） 腔内插入声光（或电光）调制器，使光通过调制器时，产生周期性损耗。MOA .0,11TMTTM22,YAGNd:3b级1-B级0outP)()()(:.tgtftFMOA所加电信号)2sin()(,0tfgtgm行波时)2(cosTT)(T:A.O.M

2、.00tftm的透过率小孔光阑 )()()(:.tgtftFMOA上所加电信号声光调制器mmqmmssmsfLcffftfgtgtfftf2,2 f2,),2sin()(, )2sin()(:s00调制频率，超声波频率其中)2(cosTT)(T:A.O.M.00tftm的透过率声光调制器初始位相。该纵模光场可表示为的纵模心频率通常为靠近增益曲线中最先起振的纵模qqqqqqqqttE000qq0,2),sin(E),(E:t),( )sin()2cos()sin(E)()(E000000qqmqqqqttfTTEttTt光调制器后变为：该纵模光场一次通过声无失真调制）应取调制系数（调制度）一次调

3、制后光场振幅( , 1 ),sin()2cos(1 (00000MATEMTEAttfMAqqqqqqmq ),sin()2cos(1 ()(0qqmqttfMAtE)sin(21)sin(00qmqqqqqtMAtA)sin(210qmqqtMA的下边频。上边频和频率为的还出现了频率为（外频率纵模光场除了保留原有的光调制器后该纵模光场一次通过声)-(),)(,mqmqq 模脉冲。时间特性为一序列的锁形成的总光场的振荡的纵模光场叠加后（即相位所定），所有位相完全相同放大，而且由于它们的超过阈值的纵模振荡、以带动所有的、放大、往返循环，可这样，经过若干次调制获得有效的放大。它们经过增益介质后会的

4、初始位相完全相同。与纵模而且，它们的初始位相模上，的左、右相邻的两个纵正好落在和下边频制后，带动的上边频（一次经过声光调制器调起振，频率中心频率附近的纵模所以初始时刻，最靠近隔，等于相邻纵模的频率间由于qqLcfqqmmqqqqq)-()(,2222 qqqqqqqqqqq2qqqq2.牵引”，反牵引）强迫锁定（消除“频率锁模脉冲叠加循环扩展调制放大扩展调制.满足频率条件强迫等间隔纵模频率在足够大的调制度下满足位相条件初始位相相同由于调制,;, 时域分析时域分析: tttt)(tT)(tE)()(tTtE00TT0T00TT0EcLfTqm211cLfTqm211二、均匀加宽激光器的锁模(近似

5、解析结果分析) 用损耗型电光调制器（振幅调制）。无失谐情况, 调制器的调制频率严格等于谐振腔中纵模频率间隔. 实际激光器中各纵模振幅并不相等,具有不同频率纵模的振幅与激活介质的增益曲线的具体形式有关. 采用高斯型脉冲腔内循环光场模型对均匀加宽激光器的锁模特性进行分析.一种理论处理方法。（如：Nd:YAG等,均匀加宽洛仑兹线型。） 要点：假设有一短脉冲在腔内传播，经过激光工作物质、损耗调制器、反射镜往返一次后其脉冲形状保持不变-自洽条件。-可近似求出超短脉冲的解析表达式。 损耗调制器工作物质参考面0,11TMTTM22,outP)(1tE)(3tE)(2tE。模激光器脉冲的测量）（根据对大多数固

6、体锁假设脉冲是高斯型的 ,eAeE(t),AI ,eII(t)tit-20t-20022光电场强度可表示为：可将其脉冲光强表示为 ,eAe(t)E,tit-102可表示为：度向右方传播的光电场强在图示中参考面上)eAe(t)F(E)(tit-1102FE其频谱可表示为：,e12Adt)eeAe(214)-(-ti -tit-2002. ,2ln 2().1 2 2ln 2,2ln 2,22ln 20.441.tt 为待定常数 求出即可求出脉冲宽度半高全宽线宽 ,e1)2A()(*)()(2)-(-211120EEI),()(),()(21212EEtEtEM由达参考面时，反射后在图示中参考到并

7、从反射镜的增益介质当脉冲两次经过长度为 )()(1200)1)()(:,HHGGeeTII有在小信号情况下,)1)()()(21120 HGeTEE 线宽。，数均与加宽小信号增益系其中HHHHHHHGGG2),(G )2()()2()()(:00m2202000 )-(-)2(: 1,)2()-(:,202HH0化简后可得）上式分子分母个乘以可以近似写出有一般情况下)2()-(-(1)()(220000HHHGG ,)1)()()2()(1()(211222000HHGeTEE,1)1 (2)2(41()(21220HmmGGeeTA.)2(41),.(,1)1 (2200)(2120HmHm

8、QGGQGGeeTAm其中 ,)()()(2212deEEFtEti,1)1 (24)2(212020QQitQGeeeQTAm,1)1 (202421tiQtGeeeQTAm .2,2222,2sinVV(t):, mcLLctmqmmm为透过率峰值的时间间隔做周期性变化，角频率损耗调制器的透过率以并且其上加一调制电压光晶体假设损耗调制器为一电)2sin2(cosT(t)T(t)2/2tVVmm为：的透过率光脉冲通过损耗调制器)2sin2(cos2tm晶体半波电压2/2/,.22VVVm ( , 122sincos)(2接近零时刻）最小，此时最大，透过率最大峰值附近的时刻由于脉冲总是在透过率

9、tttxxmm2)(2122)(211)21(cos)(tmmmetttT),()(M321tEtE后，制器及反射镜短脉冲两次通过损耗调)()()()()1 ()(222113tEtTtEtTTtEtitQGeeeQTAmm022)41)(21(211)1 (2 :,.,)()(E:0213可得比较上式为一系数自洽条件要求KeKAetKEttitQm41)(212mHHmG4)2()2()(21222 ）（物理意义在后面分析假设, 1)2(4:2HmG,)2(4-1)2(4G1122mHmHG展开将)2(41 ()(2122HmmGmHqmHmGG2242 .,)22(:, 1)2(4:12光

10、谱线宽即纵模频率间隔远小于相当于假设mHqHmGG:2 2tGmHq可得脉冲宽度由21412)1()2(2ln22ln2HqmGt,)()2(2ln42ln4 21412HqmG线宽.441. 02ln2,)()2(2ln2)2/( 21412tGHqm线宽 三、相位调制锁模(PM)（只能用电光调制器） 当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性变化时，光波在不同时刻通过介质，便有不同的位相延时，使腔内振荡模的相位（或频率）随调制器所加讯号的瞬时值正比变化。以铌酸锂晶体(LN,LiNbO3)的横向运用为例来说明。 入射线偏振光出射光相位变化A电极B电极xydz0),cos()(Et) yxmmz

11、EEtdVtE外外外外（横向施加外电场Lcm22 zooyEnnn外上主折射率为晶体感应主轴13321: zeezEnnn外33321主折射率非常光率变化通过晶体后得到的折射轴方向振动的偏振分量沿外 ,21)( : 333ezzeznnEntnz ,21)( : 133寻常光的主折射率率变化通过晶体后得到的折射轴方向振动的偏振分量沿外oyzoynnEntny迟；可以得到最大的相位延轴方向偏振的线偏光入射光选择沿z,1333 频率的变化（频移）是相位的变化对时间的微分： 光波在不同时刻到达调制器所产生的频移不同。 ),cos()( 2)(333tVndtntzmmez迟：过晶体后得到的相位延轴方

12、向偏振的线偏光通入射光沿),cos()(EtdVtmmz外),sin()()(333tVnddttdtmmme 初始位相。该纵模光场可表示为的纵模心频率通常为靠近增益曲线中最先起振的纵模qqqqqqqqttE000qq0,2),cos(E),(E:t),( 。位相调制系数其中示为经相位调制后光场可表 ,:),cos(cos(E)(E:33300memqqqVndmtmtt +. 一次调制就可以激发所有同位相的边频光场振荡,这些边频与激光器各纵模谐振频率吻合,使得所有的超阈值纵模起振并且同位相,叠加结果形成锁模序列脉冲。)cos(cos(E)(E:00tmttmqqq可将其展开成下列形式)cos

13、()(E000qqqtmJ)cos()(010qmqqtmJE)cos()(010qmqqtmJE)2cos()(020qmqqtmJE)3cos()(030qmqqtmJE)2cos()(020qmqqtmJE)3cos()(030qmqqtmJE )(阶第一类贝塞尔函数是nmJn 时域分析时域分析: tttt)(tn)(t)(tm/2m/2 相位调制器 的作用可以理解为一种相移,使光波的频率发生向大(或小)的方向移动。脉冲每经过调制器一次，就发生一次频移，最后移到增益曲线之外。类似于损耗调制器，这部分光波就从腔内消失。 只有那些与相位变化的极值点（极大或极小）相对应的时刻，通过调制器光信号

14、，其频率不发生移动，才能在腔内保存下来，不断得到放大，从而形成周期为2L/C的序列脉冲。 每个周期内有两个频率不变点，增加了锁模脉冲位置的相位不稳定性。输出脉冲可从一列自发跳变为另一列。 四、同步泵浦锁模(主动增益调制) 1M2M3M4M5M6M7M声光调制器MOA.nmnmAr5 .514,488,激光管cT2Lpst200pst57 . 0cT2L或双折射滤光片标准具PF - 6染料盒或染料喷膜工作物质GR夹角尽量小 LL 输出锁模序列脉冲周期与泵浦序列脉冲周期完全相同，即完全同步。 M1-M2与M5-M6-M 7两腔腔长完全相等L=L。泵浦光的光束束腰要和染料激光的光束束腰完全匹配。t2

15、00400)(ps激光脉冲rA染料激光脉冲 1、脉冲形成阶段TpT31Is),每经过激活介质一次，由于增益饱和效应,只有脉冲前沿和中心部分得到放大,而脉冲后沿得不到放大被抑制,经过多次循环后,锁模脉冲得到压窄,获得窄脉冲序列输出.(脉冲压窄阶段). 激光器调YAG:QNdKTP倍频晶体nm1064nmnm53210642nm1064nm53221M2M4M3M色散棱镜声光调制器A.O.M.激光工作物质YAG:Nd1L2Lnm1064激光器主动声光锁模YAG:Ndcw激光器锁模调YAG:NdQ pumpPoutP 五、主动锁模激光器的设计要点MOA .0,11TMTTM22,YAGNd:3b级1

16、-B级0outP小孔光阑 1、消除标准具效应。所有光学元件端面（轴向）反射率必须控制在最小，否则由于标准具效应会减少纵模个数，影响锁模效果。光学元件倾斜放置、端面磨成布儒斯特角或镀增透膜（反-反膜，AR film)。 2、调制器尽量靠近全反射镜(或输出镜)，以获得最佳的纵模耦合。 （放在腔中间也可，但是调制器调制频率必须加倍，锁定的模式数减半）！ 调制器的通光距离尽可能短。 3、调制器频率严格调到 否则会失谐，破坏锁模条件。用线胀系数较小的材料（如殷钢、石英等）作为腔镜支架，以保证腔长稳定。 图示说明！图示说明！Lcqm2 作为调Q用的声光调制器1、2、3、调制器可放置在腔内任意位置)()()

17、(,tgtftF调制器上所加的电信号射型声光调制器用行波超声场布拉格衍MHzffxktAtxatfsssss5010,2),sin(),( )(,为产生超声的高频信号其中。上能级寿命作适当调整可根据激光工作物质的量级，一般为重复率决定了输出激光脉冲的其重复频率）方波数字信号；，通常用（为脉冲调制信号KHzftg,01 )( 作为锁模用的声光调制器1、2、3、调制器必须放在腔内靠近全反射镜(或输出镜)位置.)()()(,tgtftF调制器上所加的电信号射型声光调制器用行波超声场布拉格衍MHzffxktAtxatfsssss5010,2),sin(),( )(,为产生超声的高频信号其中MHz.2)

18、,2cos()cos()( )(00通常为几百即率间隔，要严格等于相邻纵模频其调制频率；，通常用三角函数信号为锁模调制信号Lcfftfgtgtgtgqmmmm 一种实际的多波长锁模脉冲皮秒激光器方案 第三节第三节 被动锁模技术被动锁模技术 可饱和吸收体1M工作物质光阑2MoutP）射镜（、半导体可饱和吸收反得多。相比，染料恢复时间快与调喷膜，、一体化染料盒或染料可饱和吸收体SESAM21:Q 小信号放大后脉冲经工作物质初始噪声脉冲ttttIIIIsIsIsIsI线性吸收后脉冲经可饱和吸收体非线性饱和吸收后脉冲经可饱和吸收体ttsIsI吸收后脉冲和可饱和吸收体非线性经工作物质小信号放大I吸收后脉

19、冲和可饱和吸收体非线性经工作物质大信号放大。后沿不放大，脉冲压窄使前沿和中心放大工作物质增益饱和I 从初始噪声脉冲到被动锁模脉冲经历三个阶段: 1、小信号放大 ，线性吸收阶段； 2、小信号放大 ，非线性吸收阶段（饱和吸收阶段），脉冲选切阶段； 3、大信号放大（增益饱和）、非线性吸收阶段（饱和吸收阶段），脉冲压窄和放大阶段。 pumpPoutPpumpPS.Pulse-QS.Pulse-QL.Pulse-ML.Pulse-M holeor.SESAM 基片InP基片InP基片InP环氧树脂量子阱InGaAsInAlAs2SiOAuInGaAsSESAM)m1.3体可饱和吸收反射镜（宽反射带、低损

20、耗半导波长蚀法去除。后将原来的基片通过腐、将它和其他基片粘合反射层；制作、通过电子束加热淀积量子阱成夹层间用晶体生长法生基片与、利用分子束外延法在镜（半导体可饱和吸收反射3/SiO2 ;InGaAsInAlAsInP1:SESAM)2AuLaser 第四节第四节 其他锁模技术其他锁模技术 一、碰撞锁模技术一、碰撞锁模技术(CPM) 1M2M3M4MoutPGR6染料喷膜染料工作物质在环形腔中间可饱和吸收体染料喷膜DODCIoutPMLM .outPMLM 二、附加脉冲（附加腔）锁模技术(APM) 图示说明 1M3M2M4M非线性光纤工作物质锁模调制器 三、自锁模技术 Si:T1M3M2M4M5

21、MpumplineallLaserCWAr,标准具或干涉（双折射）滤光片调谐元件PFF,holeOthersorSESAM,P3O.C. SESAMM3M1M2FP1P2Ti:SP3P4laserAcw钛宝石(Ti:Al2O3)自锁模飞秒激光激光器，其中SESAM起到自锁模启动和维持作用。 中科院物理所钛宝石激光器平均功率 500mW, 脉冲宽度 0.3MW, 中心波长 800nm重复频率 82MHz, 稳 定 性 3%模式分布 TEM00模 , 光束直径 2mm, 偏振特性 水平 600mm200mm非线性光学效应n = n0 + n(r) ,n(r) n2I(r)Ti:S光克尔锁模技术1、

22、KLM ( Kerr Lens Modelocking )- passive, simple, solid state modelocking非线性光学效应n = n0 + n(r) , n(r) n2I(r)n2 = 0 Re(2)(2)二阶非线性光学系数 Nonlinear Optics0(1)E0(2)0(3)P =+: EE +: EEEE很强时Linear opticsNonlinear opticsReflectiondiffraction no frequency changeSHG, SFG, THG Four-wave mixingself-action (self-focu

23、sing,.SPM)Linear opticsNonlinear optics0IiI0I000IiNo change of 0 = 2 0 , 3 0 , .PNL0(2)0(3)=: EE +: EEE(2)(3) 非中心对称要求折射率变化Re 无非中心对称要求 吸收变化Im 非线性光学效应n = n0 + n(r) ,n(r) n2I(r)激光空间横截面分布为高斯分布非线性光学效应n = n0 + n(r) , n(r) n2I(r)Ir光斑中心折射率高于边缘r光程 nL：中心光线 边缘光线n2 0,L等同于)(,4Wf22mtInnLnmmm自自聚焦效应焦距：mWKLM 锁模原理n20脉冲光光强强自聚焦效应锁模光斑截面连续光斑截面钛蓝宝石晶体连续光狭缝打开锁模与连续光束均无损耗调节狭缝使连续光束损耗光栏 第五节 啁啾脉冲特性（压缩或展宽） 飞秒短脉冲的获得+ 负GVD