第七章锁模现象

1、第七章 锁模现象被动锁模被动锁模固体激光器的被动锁模: 在腔内放一个装有机染料的染料盒，依靠有机染料的饱和吸收过程（有机染料的饱和吸收原理在Q开关中已经讲过），染料的吸收率是频率和光强的函数。 时域的分析 频域的分析和Q开关的区别 染料的激发态寿命不同 染料盒紧靠全反镜 被动锁模的物理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三个阶段。（一）线性放大阶段 各模式振荡（由光的随机起伏相位固定过度）,增加强弱脉冲的差别，甚至使弱脉冲消失。特点：初始阶段，有机染料未饱和非线性吸收光波场自发辐射的荧光G时，产生激光，在激光介质中线性放大-增益未饱和。 自发辐射的荧光几乎包括腔内所有模式，频谱宽

2、，但光强弱，随着的增加，当G 时，产生激光，激光强度波形涨落形式，腔内总电场可表为各模式电场之和。各模之间的相位无规则分布. 在一周期2L/c时间内，光波通过有机染料、激活介质各一次。强脉冲吸收的少，弱脉冲吸收的多-非线性吸收；在激活介质中，强脉冲放大的多，弱脉冲放大的少线性放大，因此强脉冲加强，弱脉冲光强减少，甚至消失，脉冲个数减少，频谱变窄这种变化的周期2L/c 。结果：脉冲个数减少，频谱变窄，放大的强信号变得平滑和加宽。注意：由于吸收饱和的光强要比腔中刚开始振荡的光强高若干数量级，因此线性区比较长。（二）非线性吸收阶段（进行相位固定阶段）特点： 染料，强脉冲使染料饱和，弱脉冲不能使染料饱

3、和非线性吸收主要作用。工作物质增益G未饱和线性放大。在此阶段存在三个重要作用）强脉冲的强度能使染料饱和损耗少（相对值小）。弱脉冲不能使染料饱和吸收的多在I未达到Is，工作物质中线性放大的少。结果脉冲个数减少到12个（频谱窄）。）从时间域看，脉冲的宽度变窄，对脉冲的前后沿有压缩，当驰豫时间即染料的上能级 脉宽时，脉冲的前后沿吸收也不同。）从频谱 加宽频谱脉冲经过染料，激光介质时，可以激发更多的边频耦合了更多的模式，这时腔内的损耗具有周期形 。b（三）非线性放大阶段（主要压缩脉宽阶段）特点：染料饱和工作物质，增益饱和非线性放大由于脉冲强度进一步增大，耦合的模式增大，脉冲前沿的光可使染料饱和，前沿变

4、陡。对于激活介质来说，介质增益饱和，强脉冲通过放大介质时，前沿中心部位放大的多，脉冲后沿可能放大的少，经过几次放大过程前后沿变陡脉冲变窄。弱脉冲进一步受到抑制，最后腔中剩下一个脉冲振荡。从形成过程看，被动锁模是由很多脉冲相互竞争的结果。脉冲的出现是随机的，造成每一次输出不同。受染料的浓度，泵浦光源，谐振腔的结构，调整误差影响。锁模脉冲的形成ta线性阶段开始，tb非线性阶段开始，tc 非线性放大，增益饱和。td增益降至阈值，到达最大光强，脉冲的包络振幅，由饱和光强和反射镜的透过率决定。被动锁模在脉冲激光器中进行，输出的脉冲序列包络和被动Q开关脉冲相似。被动锁模的过程(1)频谱：宽频谱窄宽(2)光

5、强：光的随机起伏光有规律形成一个脉冲。(3)相位由相位随机相位固定。特点： 优点：被动锁模的结构简单，不需要人为的控制。 缺点：稳定性差。输出的强度不稳定。 被动锁模固体激光器的结构 为了消除标准具效应，应格光学元件表面切成布儒斯特角 用于锁模的可饱和染料必须具备如下条件(a)染料的吸收诺线与激光波长相匹配(b)其吸收线的线宽大于或等于激光线宽。(c)其弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间 泵浦功率以略高于激光阈值为宜 染料激光器的被动锁模 被动锁模染料激光器的结构 被动锁模染料激光器的工作原理 与固体染料激光器的不同之处用闪光灯泵浦的染料激光器的谐振腔结构 染料激光器腔内参数对锁模的影响 锁

6、模的稳定区范围与吸收损耗和增益的大小成正比。较大的吸收损耗产生较宽的稳定区，这时需要提高泵浦功率。 稳定区范围非常敏感地依赖于在谐振腔内的周期与弛豫时间之比 31TT锁模染料激光器的光学元件 连续光泵浦被动锁模染料激光器的结构 碰撞锁模1.碰撞锁模：是属于被动锁模的另外的一种形式。在被动锁模中腔内存在一个脉冲，得到间隔为2L/c 的脉冲序列。当在被动锁模激光器中，存在两沿相反方向传播的两束光，此两束光同时达到可饱和吸收体，在吸收体中相撞产生干涉，在吸收体处形成光强的空间调制，因而造成吸收介质上下能级粒子数的空间周期分布粒子数分布光栅；此光栅使脉冲压缩过程加快。2.装置示意图 碰撞锁模激光器装置

7、 在碰撞锁模激光器中存在可饱和增益,可饱和吸收,自相位调制和色散四种主要物理机制,四者的平衡是获得窄脉冲稳定锁模的关键.碰撞锁模环形激光器同步泵浦锁模 是采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模 实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义同步泵浦锁模原理1）增益阶段2）脉冲压缩阶段同步泵浦染料激光器的特性 同步泵浦锁模激光器的理论分析同步泵浦激光器的谐振腔示意图M1为100%的反射镜;M2为反射率为R的输出镜;0,1,2,3,4表示循环周期中脉冲的各个位置323233233

8、14132313141222( , )( , )( , ), ( , )2( , ), , (4, )(0,)(0, )(0, )(0, )2PppI z tz tn I z tn A z tzznI nn I z tnnntIn IItIthzIthItIthtt 22222324(0, ) ( ) (0, ) ( )2 (0, ) ( )12 (0, ) ( )(0, ) ( )( )exp( (0,)(0,) tpIt G tIt G ttIt G ttIt G ttIt G tG tItItdt11 2321432()()(1)(, )1 (0,)(0,)exp() exp (0,)(

9、0,)FPFPtptpL tRc dRRL tItItnLdtItItdt 稳定的脉冲状态（锁模区） (1)泵浦能量越大或反射率越大，则脉冲能量越大而脉宽越窄。在反射率或泵浦能量比较小的情况下，脉冲宽度倒数和脉冲能量显示出单调的特性。 (2)泵浦能量和反射率不同，产生的最窄脉冲的时延也不同。 (3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦能量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。反之，随着泵浦能量和反射率的增大脉冲逐渐呈不对称型。泵浦能量保持不变而脉冲宽度改变，对激光脉冲的参数影响不大。 相位调制脉冲同步泵浦锁模激光器的结构 泵浦激光器 染料激光器同步泵浦染料激光器的示意 能产生非常稳定的超短脉

10、冲的装置示意图 快速控制回路 慢速控制回路采用两种控制回路的同步泵浦染科激光器 自锁模技术的发展 自锁模技术的优点 自锁模技术才有可能得到最窄脉冲 噪声低,稳定性好自锁模自锁模机理定义：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。钛宝石激光器中的自锁取得成功。 大多数认为,自锁模现象与掺钛蓝宝石增益介质的克尔效应引起的光束自聚焦效应有关)(20tInnnLnfmmm42)(2tInnmm)(0tI 自锁模脉冲的形成 初始脉冲的形成 必须首先在腔内引入一个瞬间扰动 稳定锁模脉冲的形成 附加启动措施 利用声光调制再

11、生启动 利用饱和吸收体 利用量子阱反射器 利用振动镜启动掺钛蓝宝石自锁模激光器示意图 激光器的基本组成 谐振腔反射镜,可以选择激射波长 工作介质 泵浦源M1M2M3M4CFP2P1L1L2H 工作介质,掺钛蓝宝石 物理特性 掺钛蓝宝石晶体是掺钛的Al2O3单晶,属六角晶系 物化性质与红宝石相似,稳定性好 热导率是Nd:YAG的3倍 熔点2050硬度大(9级),折射率为1.76掺钛蓝宝石晶体的结构 Ti3+的能级结构 Ti3+的电子态1s22s22p63s23p63d1 角量子数为l=2,自旋量子数s=1/2,因此电子轨道有5种取向,能级为5重简并能级分裂情况钛宝石晶体的光学吸收和发射过程示意图

12、 吸收光谱,荧光光谱 品质因素掺钛蓝宝石晶体的吸收光谱掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱rmFOM 泵浦源 氩离子(Ar+)激光器 倍频YAG激光器 锁模 自锁模原理,自聚焦效应与光阑 色散补偿 自锁模激光器的自启动 超短脉冲压缩技术 超短光脉冲传输过程中的非线性效应 介质中的色散效应当n2的弛豫时间Tr远远比脉冲宽度p快当Tr具有比p长得多得弛豫时间介质的色散)()(20tInnntn)()(2tIntn)()()(2tIKLntnKLt)()()(0ttt)()()(2tIKLntttt)()()(222tIKLnttttc)(exp)(),(rTtttnttntrt dTtttIntn)(exp)

13、()(2t dTtttInttrt)(exp)()(2)()(tIct)()(tItctc222dndD 超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应 光栅对v激光腔内插入负色散元件22221TAzAi)2exp(), 0(),(22ziUzUdTiziUtzU)2exp(), 0(21),(22)2exp(), 0(202TTTU)(2exp),(220222020ziTTziTTTzU21201)(1 DLzTT220TLD 自锁模脉冲的压缩 产生负群速度色散的方法有衍射光栅等多种,目前最广泛应用的是在激光腔内插入两块高色散的棱镜cos2sin1242232222ddnddnnndndldPd2

14、223222dPdcdd)cos6sin(4323333dndddndndldPd)3(4332232433dPddPdcdd2222)1(dPdclddlvddDgcos lP单一单一脉冲的选取及超短脉冲测量技术脉冲的选取及超短脉冲测量技术一、单一脉冲的选取锁模激光器输出的是一序列脉冲，在实际应用中往往需要单一脉冲，因此必须从多脉冲中选取一个脉冲.1脉冲透射法 缺点:工作阈值高,腔内元件容易损坏,而且腔内元件多,容易产生标准具效应,且漏光严重,稳定性差 腔外选单一脉冲法 在两个正交的偏振棱镜P1 和P2之间放一个电光Q开关，当锁模脉冲经过时，被检偏器反射，经透镜聚焦，击穿火花隙，将半波电压矩

15、形脉冲加到电光开关上，在下一个脉冲通过电光开关时，偏振方向旋转90度，恰好通过检偏器，只要加压时间 2L/c ，得单一脉冲。至于选哪一个脉冲，可通过调整火花隙击穿功率和由火花隙到电光开关的延迟时间来实现。一般选能量最大的脉冲。/2V 闸流管触发电路工作过程：首先在电光Q开关加电压。由激光器输出的脉冲通过Q开关时偏振方向旋转90度，不能通过偏振器而被反射。当光电二极管接收到的光信号电讯号去触发闸流管使之导通，这时电光晶体上的电压通过闸流管放电，退去晶体上的电压。这时光束通过晶体时不旋转90度，光可以通过偏振器，只要退压时间，得单一脉冲。二、超短脉冲的测量目前测量锁模的脉冲宽度主要有直接测量和相关

16、测量两种类型：1.直接观察法直接测量脉冲的实际宽度。例：条纹照相机：主要由结构复杂的条纹管构成。它可把光脉冲直接记录在照相底片上，通过光密度分析获得脉冲形状和宽度。近来出现的新型条纹管，利用了光纤，可以直接给出光脉冲强度I(t)的数字记录，分辨力可以测到12ps。缺点：结构复杂，价格昂贵，不适用连续锁模激光器，需取出一脉冲。不能测飞秒脉冲。2.相关测量法应用较广，间接测量。利用相关函数的测试，测出的相关函数曲线不是脉冲的实际宽度，要通过换算，才能得到脉宽的近似值。(1)相关函数2阶强度相关函数为二阶相关函数测得的脉冲波形对称。因 ，如果实际波形不对称，此法测不出。高阶相关函数。n阶单延迟相关函

17、数由上式看出，相关测试把对脉冲的瞬时测试变成了对具有相对延迟的两个脉冲乘积的时间积分进行测试，这样大大减少了对于测试仪器和接收元件时间响应的要求。 目前比较成熟的二阶相关函数测量法是双光子荧光法和二次谐波法。(2)(2)( )()GG)()()()()()()(42222tEtEtEtItItIG)()()()(),(11121tItItItIGnnnn双光子荧光法是利用激光脉冲激发染料的荧光，分析荧光的强度即可获得激光脉冲二阶相关函数的宽度。a.结构简单。b.适合脉冲激光器。c.但要求调整精度高。d.对各种不同波长的激光要选用不同的染料。e.灵敏度低，分析周期长。例如若丹明6G丙酮溶液，当基

18、态的粒子吸收两光子跃迁到高能态，然后无辐射跃迁到能级，最后由能级自发辐射跃迁到能级发出荧光，其频率等于入射光频率的2倍。双光子效应。 实验装置如下： M3分束镜，把入射光分成相等的两束光，M1M2全反镜由激光器输出的激光进入双光子荧光测试系统。在系统中，把一束光分成两束光，沿相反方向进入染料中，得到的荧光强度与两束光重合的程度有关。重合的少，荧光弱，光全重合，荧光最强。1( )( ) cos( )E tE ttt2()() cos ()()E tE ttt412( )()fIE tE t412( )( )()fFAI dtAE tE tdt 44224FAEt dtEtdtEt Etdt442

19、()( )FEtdtEt dt22( )24( )()FAFE tE tdt22(2)( )21( )()1 2( )2FAE tE tdtGAFF(2)222( ) ()1( )()( )( )I t I tdtGE tE t dtFIt dta.当 0 两束光完全重合 b. 两束光完全不重叠： 产生的背景光是两束光分别产生的荧光强度。完全重叠与完全不重叠的荧光强度之比3 1在实验中测得了荧光波形的宽度 （或 宽度），是荧光波形实际空间距离，然后换算成脉冲宽度。经验证，设脉宽则 光脉冲的波形系数，方波： ，高斯形： ，洛仑兹形： n染料的折射率2(2)2( )( )1( )It dtGIt

20、dt ( )(0)FF(0)32FAF(2)( )0G( )2FAFp(2)( )Gpznc pz nc 而1221特点：1.结构简单，适合脉冲激光器。 2.底片的感光度的非线性给测量带来误差分辨力底。 3.存在背景光，测量的波形不能反映实际的波形。 4.要求实际调整精度高，分析周期长，灵敏度低。二次谐波法根据非线性光学原理，当两束光频率为的光通过非线性晶体时，如果满足一定的相位匹配条件，产生频率为2 的倍频光，产生的倍频光的强度与入射光的强度的平方成正比，因此通过一定的装置（迈克尔逊干涉仪）把光分成相等的两束光，使之改变两束光的重合程度，从而接收到不同强度的倍频光相关测量。设两束光的电场强度

21、光电探测器接收到的不是瞬时光强，而是积分强度。 11( )cosE tE tt22( )cosEtE tt2212( )( )()EtK E tEt而 背景光当移动全反棱镜时，则第二束光到达倍频晶体的时间在改变，在变24212( )( )( )()SEtdtK E tE tdt2( )( )132SG )(21 2)2(2GKWdttEdttEW)()(2442 在 之间变化时，在13之间变化。因此移动全反棱镜I2，则输出的倍频光不同，把输出送到函数记录仪中，同时测出 ，通过多点测量可以大致确定I(t)的形状和脉宽，因此把对时间的测量转变成对长度的测量。脉宽 ， 波形函数与 同特点：测量的精度高,分辨力高,处理数据方便，结构复杂并需逐点测量。上述的倍频即第一类角度相位匹配（共线）存在背景光造成测量误差。如果采用第二类共线匹配 o+ee这时无背景光 非共线匹配第类可以实现无背景光，只要改变入射两光相交的角度，即可对多种波长进行测试。0 T2( )2S2( )2S0lpTT02plTc而02 lTc(2)( )pTG 几种典型的锁模激光器 掺钛蓝宝石自锁模激光器 半导体锁模激光器 增益开关 主动锁