锁模技术-激光原理-课件-北京工业大学-10说课材料

1、锁模技术-激光原理-课件-北京工业大学-10eeeeeee Einaa1)(niia0iiaa1)(niina0)e(1eeeeEe1e1eEiai1)ai(n-inai0ia1)ia(2nina02a2a 2a2Na02a210ii)ai(n)a-i(n0EanEeeeeE2a2a2121sinsinsinsin输出功率输出功率(t)AE(t)P(t)22 2a22Na20Psinsin三、锁模激光器工作特性三、锁模激光器工作特性1、峰值功率、峰值功率Pm=N2P02、重复周期与重复频率、重复周期与重复频率cL2T证证02 aP(N=4)a=0、2 、4 时时P达最大达最大 212a2a2N

2、2Na2Na0a02a22Na200am22PPPcossincossinlimsinsinlim0220000coscoslimsinsinlimPNaNaNPaNaNPaaa=2 /N、4 /N时时P=0光在腔内往返一周所用时间光在腔内往返一周所用时间(1)重复周期重复周期 22220sinsinaNaPP3、脉宽、脉宽(光脉冲持续时间的一半光脉冲持续时间的一半)TNT1a1=t1+a2=t2+a2 a1 =(t2-t1)= T=2证证cL2cL22TqLcf2(2)重复频率重复频率证证N2aa12NTN2qTNqT1TTqq11另有另有1 2 3 4 5 6 7 8 9(N=4)1234

3、56987例例1 He-Ne激光器的谐振腔长激光器的谐振腔长L=1.5m, 截面积截面积S=1 mm2,输出镜透过率为输出镜透过率为T0.01, 激活介质的多普勒激活介质的多普勒线宽为线宽为950MHz, 饱和参数为饱和参数为Is=50 w/mm2,现将此现将此激光器激活，激发参数激光器激活，激发参数 =2, ,求求: :满足起振条件的满足起振条件的模式数模式数总输出功率总输出功率( (无模式竞争无模式竞争, ,各模式输出功各模式输出功率均按中心频率输出功率计率均按中心频率输出功率计) )锁模后的光脉冲峰锁模后的光脉冲峰值功率、重复周期、脉宽。值功率、重复周期、脉宽。 解解MHz9509502

4、22FTlnlnlnlnMHz100512103L2c8q.1011009501qqTPm=N2P0=1000.75=75ws10103512cL2T88.s101010NT98222s150w/mm1)-(250) 1(II0w7501500101STIP210210.w5775010PqP0.sT961005. 11095011或或一、主动式锁模一、主动式锁模2 锁模激光器锁模激光器1、定义、定义在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期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性改变振荡模式的某个参量而实现锁模的方法2、振幅、振幅(损耗损耗)调制锁

5、模：声光锁模调制锁模：声光锁模(1)概念概念使用声光调制器调制谐振腔损耗，当电调制频率使用声光调制器调制谐振腔损耗，当电调制频率为为f =c/4L 时时,损耗调制频率为损耗调制频率为f=c/2L ，可获重复，可获重复频率也为频率也为f的激光脉冲系列的激光脉冲系列激光介质激光介质声光器件声光器件全反镜全反镜输出镜输出镜激光激光(2)装置装置(3)时域原理时域原理外加电调制信号外加电调制信号tUtU21sin)(0腔损耗率腔损耗率 o:腔平均损耗率腔平均损耗率, :损耗率变化幅度损耗率变化幅度, :损耗频率损耗频率ttcos)(0U0:调制电压幅度，调制电压幅度， :调制频率调制频率21调制电信号

6、为零时，损耗最小，调制电信号为极调制电信号为零时，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值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍Lcf2调制器透过率调制器透过率tTTtTcos)(0To:平均透过率，平均透过率， T：透过率变化的幅度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损耗最小时透过率最大，损耗最大时透过率最小透过率最大时，输出光脉冲，输出光脉冲的透过率最大时，输出光脉冲，输出光脉冲的重复频率与重复周期为重复频率与重复周期为Lcfq2cLT2tU(t) (t)T(t)tttI(t)cL4cL20U(t):驱动声光器件的驱动声光器件的外加调制电

7、信号外加调制电信号 (t):腔损耗率腔损耗率T(t):调制器透过率调制器透过率I(t):锁模激光输出波形锁模激光输出波形(4)调制曲线调制曲线 0T0 T(5)频域原理频域原理增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为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，光场振幅， 0:频率频率, 0:初位相初位相声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场为为)t(coscosE)tT(t)cos()(0000000tTTEtE)t(cos)cos1 (A00tM:调幅系数调幅系数, A=E0T0:调制后的光场振幅调制后的光场

8、振幅 00TTM调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率为为 0 的两个边模的两个边模)tt)cos(Mcos(1)(00 AtE)tt)cos(Mcos()tAcos(0000A)tcos(t)tMcos(21)tAcos(000000tAt )-AMcos(21)tMcos(21)tAcos(000000A两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有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纵模都被耦合形成脉冲系列输出。 0 0+ 0- 3、相位、相位(频率频率)调制模锁调制模锁:电光锁模电光锁模(1)概念概念使用电光晶体折射率

9、随外加电压的变化对激光进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，调制频率为行相位调制，调制频率为f=c/2L 时，可以获重复时，可以获重复频率也为频率也为f的激光脉冲系列的激光脉冲系列激光介质激光介质 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜起偏镜起偏镜检偏镜检偏镜LNxzy Uz(2)装置装置tdnUEntneecos221)(3330333(3)时域原理时域原理外加电调制信号外加电调制信号电光晶体中的电场电光晶体中的电场U0:调制电压幅度调制电压幅度, : 调制频率调制频率tUtUcos)(0tdUtEcos)(0d:晶体沿电场方向的长度晶体沿电场方向的长度折射率变化量折射率变化量

10、33:LN晶体有效电光系数晶体有效电光系数Lcf2tdnlUtnltecos)(2)(3330相移相移l:晶体沿通光方向的长度晶体沿通光方向的长度tdnlUdttdtesin)()(33300t0tdtd)(光光的的频频移为移为相位相位相移相移频移频移频频移为零时，光信号可输出形成光脉冲，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，移出增益曲移不为零时，光信号经频移积累，移出增益曲线而熄灭线而熄灭证证存在两组无关的脉冲系列，对应于相移波形的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极大值与极小值，随机输出其中任意一组cL20tU(t),

11、 n(t),(t)tI(t)t(t)U(t):驱动电光器件的驱动电光器件的调制电信号调制电信号 n(t)、(t):电光效电光效应引起折射率变化应引起折射率变化和相移的波形和相移的波形I(t):锁模激光输出波形锁模激光输出波形(t):光的频移波形光的频移波形(4)调制曲线调制曲线cL(5)频域原理频域原理增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为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，光场振幅， 0:频率频率, 0:初位相初位相电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场为为cos)tcos()(tcos)(0000

12、00tMEtEtE:调相系数调相系数dnlUMe3330调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率为为 0 的两个边模的两个边模)tsin(t)tMsin(21)tcos(E00000000tEt )-Msin(E21)tMsin(21)tcos(E000000000E两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有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(000000tMtMEM11)coscos(tMtMtMcos)cossin(tEtEcos)tMsin(E-)tcos()(000000二、被动式锁模二、被动式锁模(染料锁模染料锁模)激光介质激光介质染料盒染料盒 全反镜全反镜输出镜输出镜激光激光1、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸、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，、非线性吸收：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉冲被