激光特性的控制

1.未锁模多纵模激光器的输出特性

设激光器有2N＋1个纵模振荡，则其输出的光波电场为：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。2.锁模的基本原理设腔内有等（2N＋1）个模式振荡：且满足相位锁定条件：（2N＋1）个纵模的合成电场强度：输出光强：峰值功率周期（相邻脉冲峰值间隔）等于光在腔内来回一次所需的时间

脉冲宽度

荧光线宽9个纵模锁模有2N-1个次脉冲。次脉冲的个数为2N-1，参与锁模的纵模数越多，次脉冲的幅度越低；被动锁模主动锁模1.主动锁模在激光谐振腔内插入一个受外部信号限制的调制器，用确定调制频率周期性地变更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）采用电光调制器振幅调制锁模（损耗调制锁模）采用声光调制器主动锁模自锁模7.4.2锁模方法损耗调制频率：（角频率）设时刻：损耗为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次无损耗通过时刻：损耗为则①时域角度分析(1)振幅调制锁模调制信号波形腔内损耗波形调制器透过率波形调制前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损耗变更频率是信号频率的2倍光波通过调制器，产生了两个边频分量它们与具有相同的相位，从而使与相邻的两个纵模开始振荡。的光通过调制器时，出现的振荡模。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。②频域角度分析余弦调制后的电场强度为：接受声光调制器实现，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而周期性变更时，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，即可得到频率的变更量。相位调制函数：经调制器后的纵模电场：振荡角频率：相位随时间变更(2)相位调制锁模当调制相位周期与光在腔内运行周期一样，光信号每经过调制器一次都经受频移，最终移到增益曲线之外，这部分光波从腔内消逝。只有与相位变更极值点（极大或微小）相对应的时刻通过调制器的光信号，不发生频移，能在腔内保存下来。接受电光调制器，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。在谐振腔内插入可饱和吸取体来调整腔内损耗。可饱和吸取体必需具备以下几个条件：第一，染料的吸取线应和激光波长很接近；其次，吸取线的线宽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来回一次的时间，否则就成为被动调Q激光器了。2.被动锁模快饱和吸取体：复原时间小于脉冲宽度；慢饱和吸取体：复原时间大于脉冲宽度，小于脉冲周期。染料的可饱和吸取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，其强弱信号的强度相对值就变更一次，在腔内循环多次后，极大值与微小值之差会越来越大。结果是腔脉冲形成振荡，弱脉冲消逝；同时强脉冲的前后沿也被吸取，强脉冲越来越窄。由于吸取体的吸取频率与增益曲线频率一样，经吸取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，使全部模式参与振荡。

(2)接受晶体或半导体纳米材料被动锁模PowermeterOSCGaAsNd:YAGPIN(1)接受有机染料被动锁模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。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或是其整数倍。同步泵浦锁模获得的锁模脉冲宽度比泵浦脉冲窄。3.同步泵浦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：（1）自振幅调制光脉冲通过介质时产生自聚焦，其焦距为：4.自锁模从脉冲包络的时域看，前后沿的光强小于中部光强，所以脉冲中部对应的类透镜焦距小于前后沿对应的焦距。当脉冲通过介质时，脉冲在时间上的光强变更在空间上反映出来。假如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，相当于可饱和吸取体，这种效应成为自振幅调制。由于自聚焦效应与光阑的存在，使激光受到一个与光强有关的调制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，并利用锁模器件自身的非线性效应使脉冲前后沿的净增益小于1，而脉冲中间部分的净增益大于1。脉冲在腔内来回传播的过程，即是被整形放大的过程，直至脉宽被压窄，实现稳定锁模。（2)自相位调制与频率啁啾光脉冲通过介质时，折射率的非线性引起的附加相位和附加频率为：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，称为频率啁啾。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；脉冲中部频率不变。啁啾脉冲假如通过负色散介质（频率大，折射率小，速度快），脉冲前沿传输慢，脉冲前沿传输快，即脉冲压缩。啁啾脉冲假如通过正色散介质（频率大，折射率大，速度慢），脉冲前沿传输快，脉冲前沿传输慢，即脉冲展宽。（3）脉冲压缩引入负色散介质，对光脉冲进行腔内压缩，使之成为飞秒激光。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。增益介质是正色散介质。飞秒脉冲序列5.超短脉冲测量接受快速响应的光电二极管（几十皮秒）和高速示波器（5G)可以测量皮秒脉冲。但是，当脉冲宽度为几皮秒或以下，必需接受相关测量。（1）双光子荧光法某种物质原子能同时吸取二个光子从基态跃迁到较高激发态，称为双光子吸取。原子弛豫到较低激发态后，发出荧光。例如，若丹明6G丙酮溶液在强光作用下吸取二个1064nm光子产生550nm的双光子荧光。利用这种特性可以对皮秒脉冲的时间宽度进行测量。被测光脉冲分成强度相等的二个脉冲，经过反射镜的反射，反向通过染料溶液。在溶液中单脉冲通过的地方发出匀整的弱光，但在两脉冲重叠处，则发生双光子吸取而发出很强的荧光。假如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，就可依据底片上的光密度空间分布求出脉冲宽度。测量装置染料辐射的荧光强度为：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献，其次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：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。所以最大和最小之比为3比1。作出F与z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（2）二次谐波法当频率为的基频光通过非线性晶体时，若满足相位匹配条件，能产生倍频光（二次谐波），倍频光强度与基频光强度平方成正比。利用这一原理，可构成相干检测装置。原理：当两个脉冲完全分别时，轴向倍频光为0；当两个脉冲完全重合时，轴向倍频光最大（设为1）；当两个脉冲部分重合时，轴向倍频光强度介于0和1之间。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。当干涉仪长度变更0.15mm时，相当于时间延迟1ps。二次谐波法特殊适合连续泵浦自锁模激光器飞秒脉冲的测量（使臂长振动）。通过改变一个臂的臂长，使光程差为，以改变两个脉冲的相对时间延迟，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，由曲线的半高全宽得到脉冲时间宽度。测试题1.激光选模技术分哪几类？2.简述气体光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。5.氦氖激光器放电管长l=0.5m，直径d=1.5mm，两镜反射率分别为100%，98%，其他单程损耗率为0.015，荧光线宽=1500MHz。求满足阈值条件的本征模式数。（已知）3．在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红