调Q激光器基本理论

调Q激光器基本理论

Q突变过程中Dn和N的变化脉冲峰值功率、脉冲宽度锁模原理锁模脉冲特性

峰值功率、脉冲间隔，脉宽、锁模方法

主动锁模：振幅调制、相位调制被动锁模：染料锁模

均匀加宽激光器主动锁模的自洽理论第11

讲三、调Q激光器的基本理论

用速率方程方法讨论调Q脉冲形成，研究Q突变过程中Dn和N的变化规律，脉冲峰值功率(Pm)及脉冲宽度(Dt)与Dn的关联性

特点:

Q开关时间极短几ns量级

讨论前提：三能级系统激光器（为什么？）

L＝l,hF=1,f1=f2

及各模式振幅相等

Dni0t0NNi1.调Q速率方程及其解

理想阶跃开关；忽略泵浦及自发辐射引起的Dn的变化两式相除积分Ni－

t=0时光子数密度Dni－t=0时反转粒子数密度(7-3-5)四能级系统在Q开关时间(ns)内E1E0的粒子数很少，n1不能忽略（习题7-9）2.脉冲峰值功率(Pm)当两反射镜透过率分别为T和0，光束截面＝工作物质截面(S)调Q激光器输出峰值功率Dni0tPNi(7.3.5)(L=l)习题7-6荧光寿命红宝石钕玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20ns~ns工作介质其中Q开关插入损耗小

Q开关“关死”结论：－开关比;如何使大（1）（2）（3）相同泵浦功率下为什么？3.调Q脉冲能量（E）

前提：hF=1腔内脉冲总能量E’输出脉冲能量能量利用率Ei－储藏在工作物质中可以转变为调Q脉冲的初始能量Ef－巨脉冲熄灭后剩余的能量（通过自发辐射逐渐消耗）注意公式条件

P.174腔内一光子往返一周因输出而损耗的能量百分数腔内一光子往返一周损耗能量的百分数思考：如果R2也较小，上式应如何修正？结论：熄灭时调Q激光器能量利用率能量利用率4.调Q脉冲宽度DtrDte积分(7-3-5)代入上升沿下降沿(7-3-4)＋Dt＝理论计算与实际测量脉宽产生误差的原因：Dn分布不均匀(泵浦、激励不均匀，中心大，边缘小)

脉冲建立时间不同(中心部分先建立，边缘后建立）输出脉冲为从中心到边缘多个脉冲的叠加的结果，故变宽。

Q开关时间（非理想阶跃）

Pm的粗略估算数值求解(1)脉宽变窄,且前沿更陡

(2)调Q激光器设计,L和T要折衷考虑§7-6锁模(ModeLocking)－超短脉冲(ps-fs)一、引言

自由运转（非锁模）多模激光器的输出特性

每个纵模的电场表达式相邻纵模间的频率间隔

总输出tE二、锁模原理多纵模相位锁定锁模物理机制：采取措施使腔内各个纵模的初始相位保持一致或各纵模间有确定的相位关系,输出为等间隔短脉冲序列各纵模建立时间不同，Eq,wq,jq不同，输出为多个纵模无规叠加的结果举例:

三个纵模锁定后的光波叠加n1,n2,n3n2=2n1,n3=3n1

E1=E2=E3=E0

,j1=j2=j3=0（振幅相等）（初始相位为0）n11/3n12/3n10E(t)0极大值极大值极小值极小值I(t)引伸:

假设2N+1个模振荡,振幅相同

(E0)相邻纵模间相位差相邻纵模角频率间隔锁定时............振幅调制包络振幅三、锁模脉冲特性

(1)峰值功率Im(光强极大值)

有极大值

锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的（2N＋1）倍模式个数多有利于锁模脉冲峰值功率的提高振荡模式增多的途径：模式个数未锁定时(2)锁模脉冲间隔－相邻脉冲极大值之间间隔(T0)Lq

F（荧光线宽宽）(3)脉冲宽度(t)通过DnF可估算锁模脉宽钕玻璃DnF

＝7.5×1012~ps钛宝石(900nm)~1014fs四、锁模方法

主动锁模(Activelymodelocked)*

腔内插入调制元件，强迫各纵模初相位相同

*振幅调制相位调制

被动锁模(Passivemodelocking)

腔内放入可饱和吸收体，吸收系数

与光强有关使各纵模相位锁定损耗调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)(1)振幅调制(AM)法锁模（损耗调制锁模）从时域角度解释AM锁模损耗调制频率损耗调制周期

周期为T0,宽度极窄的光开关t1时刻光信号可无损通过，经t1＋nT0，此信号将再次无损通过；t2时刻光信号每次经过调制器则损失一部分能量；结果：的光信号,能形成光振荡,其余光信号损耗调制器（光开关）工作物质从频域角度......脉冲在时域上被压窄的同时，在频域上被加宽其中(调幅系数)(2)相位调制锁模

(频率调制)－h随外加电压变化相位调制函数－相位调制幅度频率偏移相位调制器工作物质t=t0,t1,t2,t3

….t=t0,t1,t2,t3..每经过调制器一次会产生频移,使频移增大，最终导致光频移出增益曲线外，不再被放大。相位调制器的作用类似损耗调制器，纵模锁定机制与幅度调制时相似。（3）可饱和吸收体被动锁模Saturableabsorber脉冲压缩机制：脉冲两翼较脉冲中部经历更多损耗，足够强的脉冲中部光强可使吸收饱和最终使两翼光强越来越低，脉冲顶部越来越高，脉冲被压窄1102I/IsT0.40.60.81.0吸收体上能级寿命上能级寿命饱和吸收体－自启动光开关（强光打开，弱光关闭）强光尖峰脉冲－透过率大，损耗小，形成稳定振荡弱光信号－透过率小，损耗大，衰减殆尽(开关速度)问题1：最初的光尖峰脉冲如何形成？问题2：如何自启动(self-starting)？问题3：实际应用的快速饱和吸收体(<1ps)

有机染料：若丹明6G，隐化青等半导体吸收介质：单层或许多量子阱层堆叠；超晶格结构；饱和Bragg光栅；半导体光放大器光纤或半导体材料的非线性光学效应问题4：被动锁模激光器输出脉冲周期（或频率）？Saturableabsorber问题5：锁模激光器中的关键器件？orLiNbO3主动锁模光纤环形激光器SOA—半导体光放大器EAM－电吸收调制器腔长－20米输出脉冲宽度：10ps

利用法拉第偏振旋转效应的被动锁模光纤环形激光器腔长：几十米输出脉冲宽度：几十飞秒(fs)orEDFA考察短脉冲在腔内经

增益介质

损耗调制器

反射镜

反射后回到起始点是否正好能映射自身五、均匀加宽激光器主动锁模(AM)自洽理论自洽理论要点：考察腔内某一点的光脉冲，在腔内往返一周后能自再现,即E1(t)=E3(t)

损耗调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2物理意义？

光脉冲：高斯形a－决定高斯脉冲包络形状

b－锁模系统的线性啁啾

啁啾频率光脉冲E(t)

增益介质E(w)

反射镜损耗调制器E(t)

(Self-consistenttheory)高斯脉冲频谱：

调制器

反射镜反射系数

(调制深度）

均匀加宽工作物质：振幅调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2高斯脉冲1.B点频谱两次经过增益介质，由反射镜1反射2.C点时域特性经反射镜2反射，并两次通过振幅调制器？（小信号情况）振幅调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2

对进行处理傅立叶变换得(高斯脉冲频谱)式中代入1.B点频谱两次经过增益介质，由反射镜1反射对损耗调制器作些处理：T(t)自洽条件：2.C点时域特性经反射镜2反射，并两次通过调制器损耗调制锁模的自洽条件，即b＝0，系统无啁啾(ch