第三章超短脉冲技术

第三章超短脉冲技术第一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四第三章超短脉冲技术锁模的原理和输出特性锁模的方法:主动锁模，被动锁模测量锁模脉冲光的方法第二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四3.1锁模原理锁模的目的一般多模激光器的输出特性多模激光器纵模锁定的输出特性第三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四一.目的

压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际应用需要更窄的脉冲.例:1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好.2.激光高速摄影.为了拍照高速运动的物体,提高照片的清晰度,也要压缩脉宽.3.对一些超快过程的研究,激光核聚变,激光光谱,荧光寿命的测定,非线性光学的研究等需窄的脉宽.第四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四二.多模激光器的输出特性.

未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。多纵横，主要讨论各模之间的关系，把每一模式的光波做为一束光来处理。纵模频率频率间隔

式中L－光学长度q－纵模序数

假定在激光器工作物质净增益线宽内超过阈值的纵模－即在腔内振荡的模式有2N＋1个。纵模表示式

式中和分别是第q模的角频率和相位，－第q模的电场振幅，q－激光器内2N＋1个振荡模中第q个纵模数，而不是纵模序数。第五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四1.激光器输出特性①各振荡模的振幅和相位无规则分布

---中心频率处的振幅大，远离中心小，且它们之间变化无规律。

---各模的初相位，在之间分布，或 常数。对于不同的时间，每个模的振幅和相位也有变化，随时间漂移。第六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四图3.1-2非锁模和理想锁模激光器的信号结构模,(a)-非锁模,(b)-理想锁模第七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四②输出的光强是各个纵模无规叠加。输出的光强是各纵模光强的无规叠加，接收到的光强是时间的平均值。第八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。

相位分布对输出光强有影响的，不同，各模不相干。 假定在一般激光器中设法使相邻两纵模间的位相固定。相位有规律。 常数由于各相邻模之间的频率间隔是固定的，<纵模条件>各模的振动方向（偏振光）或振动方式（自然光）对于一定激光器是相同的。各振荡模具备了上述三个条件，各模光波变成相干波。因此输出的光波可能是一序列的脉冲形式。对于每一脉冲来说，脉宽窄了，峰值功率大大增加，锁相激光器－锁模。第九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四2.锁模要使各模变成时间相干波，需要具备三个条件，而各纵模频率间隔相等并固定 ，各模振动方向或方式相同--激光器固有性质，只要使各相邻模之间具有固定的相位关系即： 常数锁模：即是使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间相干波。注意：每一模式看成一束光波。 对于多模激光器，包括多个纵模，横模，模式不同类型不同。第十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四3.锁模的类型（激光器纵模横模）(1)纵模锁定指同一横模中不同纵模之间的锁定，一般采用基横模中不同的纵模， ，q是纵模序数，这种纵模锁定理论成熟，应用广。经过纵模锁定后，激光器输出的是脉宽在ps或更窄飞秒量级的一序列脉冲。(2)横模锁定指的是同一纵模不同横模锁定。在中，q--固定值，m、n是变化的。如果是圆对称横模，输出的光束是一个其横向强度分布图是高斯型的基横模的形状，但光束半径周期性变化。(3)纵横模同时锁定 对于，m、n、q变化。输出的光束，无论在轴向或横向，光都被限制在一个小的空间范围内，这一光点将在激光腔内按照几何光学的路程来回扫描，因此输出的脉冲以激光输出镜的不同位置来出现。

第十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

（2）、（3）种目前理论上尚不成熟，实现起来难度大，而目前不如第一种应用广泛，因此主要讨论第一种情况。三．多模激光器纵模锁定的输出特性1．锁模激光产生的频域和时域：（锁模原理） 设法使腔内光场的分布状态逐渐集中到一很窄的局部，分为时域和频域来描述。 频域：在激光振荡中使各频率在相位上实现锁定，形成极窄的时间包络，在形成过程中不断被放大。 时域：在激光形成过程中，对腔内的光场在时间上不断进行周期性选切，在此过程中不断被放大。

2．相位锁定后的总电场 假定振荡的纵模电场表示式第十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四q不是纵模序数 而是腔内振荡纵模个数①定义处于增益曲线中心频率的纵模q＝0，因此在腔内参与振荡的模式个数共2N＋1个，

（各模间隔相同）如果相邻两纵模之间的相位差恒定 ＝常数在 处相位＝0②并设各纵模的振幅相等 （实际上不等）则激光器输出的总光波场是2N＋1个纵模相干的结果第十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四第十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四（a）2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为 的单色调幅波，振幅A(t)－即总光波场受到振幅调制。(b)光强 是时间的函数。(c)光波电场调幅波按傅立叶分析是由2N+1个纵模频率 组成，因此光波的脉冲包括2N+1个纵模的光波。第十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四3.A(t)的变化规律 假定 并不影响讨论的结果 分子分母均为周期函数，A(t)是周期函数，找出它的周期极值点、0点，得到A(t)的规律。0点： 当分子为0，分母不为0，则是A(t)的0点。分子＝0

所以t=0 、 、 是一周期

第十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四所以在一周期内有2N个0值点： （分子为零、分母不为零的点）极值点：求出A’(t)=0的解，即是A(t)的极值点当分子为0,A’(t)=0第十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四把方程化简：此方程t一般解只能采用作图法或数值法对于几个特殊解可以解： 方程两边＝0解t=0t=2L/c

方程两边→∞解t=L/c

然后找出使方程两边相等的不为0的解。只能采用作图法，求出两边方程的图形交点，即为方程的解。例如第十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四2N+1=5时，对于 对于各极值点是否极大或极小，则用A”(t)的值判定。 当A”(t)<0时，则A(t)在取得极大值。 当A”(t)>0时，则A(t)在取得极小值。在0～ 2L/c周期内有2N+1个极值点，极值点在两零点之间把极值代入A(t)的表示式可以求得A(t)的大小。在t=0,t=2L/c时，取得极大值中最大值，（因分子分母为0利用罗必塔法则）第十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四其他点t=L/c取得极小值中最小值，（直接代入 ） 当N是偶数时， 当N是奇数时， 除了 以外的其他极值点介于 和 之间。第二十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四总之A(t)的变化规律a.周期是2L/c，在一周期内当t=0,2L/c时极大值，

t=L/c，极小值 ， 和 差值很大，差2N倍，（2N＋1）是腔中振荡的纵模数，大约个 （非均匀，对均匀加宽的固体模式少），有2N－2个介于最大和最小之间的极值点：b．在一周期内共有2N个0点：c．I(t)的变化规律同于A(t)。极值点 一个周期2N+10点第二十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

图3.1-5第二十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四4.锁模激光器的输出特性：①激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。

2L/c－光在腔内往返一次的时间,等于在腔内只有一个脉冲在振荡－锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数。②脉冲宽度 按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值和0点之间的时间来表示。

t=0极大值 －第一个0点第二十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四所以 式中2N+1是激光器中被锁定的纵模个数。 在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出的脉宽最小为2L/c，而锁模激光器脉宽， 比它窄2N＋1倍。被锁定的纵模数越多2N＋1↑↓当腔内所有超过阈值的纵模数都被锁定则 －增益线宽 ↑↓例如，固体激光器：钕玻璃大， 脉冲

He-Ne=气体激光器有的 小，因而不能得到 的脉冲，对这样的激光器进行锁模没有什么意义。第二十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四③脉冲的峰值功率 输出脉冲的峰值功率注意这是峰值功率，平均功率比自由运转低。自由运转的激光器输出的平均功率 纵模锁定以后，输出脉冲的峰值功率提高了(2N+1)倍，如在固体激光器中，一般振荡模可以达 个，峰值功率很高。④在锁模过程中，各模之间发生功率耦合，不再独立。 锁模的结果是输出序列的脉冲，脉宽窄，峰值功率高，脉冲的能量是所有相位固定的纵模提供的，从下一节锁模方法中也可以看出纵模之间的功率耦合。第二十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四锁模的方法主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法，即在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。被动锁模把可饱和吸收体放在激光谐振腔内实现的。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的，当光场较弱时对光吸收很强，因此光透过率很低；随着激光强度增加吸收减少，当达到一特性值时吸收饱和，光透过率达100%，使强度最大的激光脉冲受到最小的损耗，从而得到很强的锁模脉冲。当激活介质本身的非线性效应能够保持各个纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位光系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。第二十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四3.2主动锁模 纵模锁定的方法主要有主动锁模，被动锁模，自锁三种，主要讲前两种。 根据锁模激光器的输出特性 输出的光波振幅和光强受到调制，利用调制方法可以进行锁模。结构示意图如下

第二十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四在自由运转的激光器中加入调制器。调制器①振幅调制（AM）－强度调制→损耗调制易实现。声光、电光。②相位调制（FM）－输出脉宽窄，实现难（电光）加小孔栏的目的，选出单一基横模－纵模锁定。1.振幅调制 以声光调制器为例。 声光调制，一般采用驻波式，布拉格衍射。 布拉格产生两级光 ,在锁模中以0级光做为输出光。则1级光做为损耗光第二十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四 设光波电场： ，调制信号：受到调制的光波电场为：光波受到振幅调制的频谱。 光波的频率与其边频 之间的相位差为0。这几个频率的光波被锁定。同样，当 的光波被调制时,又激发边频 它们之间的相位差为0，又被固定。依次类推，如果这些模是激光器中的纵模,则被锁定。设在调制器上加一交变信号a(t)。第二十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四在a(t)变化的一周期中，分析一下腔内损耗变化的情况。输出光损耗光a(t)=0 最大＝0,损耗最小a(t)=Am

最小最大,损耗 最大a(t)=0 最大＝0,损耗最小a(t)=－Am

最小最大,损耗最大 因此，损耗变化的频率为调制频率的2倍，损耗变化率为损耗率透过率式中－平均损耗率,－损耗变化的幅值,－平均透过率,

－透过率变化的振幅。注：假定损耗和透过率的变化和调制信号成线性关系，实际上根据前面调制公式，不是线性关系，但这样的假定不影响讨论。第三十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四声光介质的折射率：

式中：调制前： －调制器的吸收散射，反射等损耗设加调制器前光波电场为（即光波在进入调制器前）

所以光波的电场变为第三十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四式中 －振幅的平均值，调制系数 ，－振幅变化幅值。第三十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四频域：如果使，这时 --是腔内的相邻纵模。第一章已经分析了振幅调制以后的频谱：调制以后的光波频率为 。三光波的相位为，因此满足相位固定的条件： 结论：当一束频率为的光波受到振幅调制以后，又产生了两个频率为 的光波（边频）并且三个光波的相位相同，满足相位固定的锁模条件。锁模过程： 假设处于增益曲线中心的频率为，由于它的增益最大，首先开始振荡第三十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四当此光波通过腔内的调制器时受到调制注意：－腔内损耗变化的角频率，是调制信号角频率的两倍。调制的结果产生了两个边频分量 ，当损耗变化的频率和腔内纵模的频率间隔相等调制信号的频率＝ 则 调制激发的边频实际上是和相邻的两个纵模频率，这样中心频率调制的结果，使与它相邻的两个纵模振荡。 通过激光介质被放大，当它们通过调制器时，这两个模又受到调制，调制的结果又激发了新的边频 和第三十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四这个过程继续下去，直到在激光线宽内所有纵模振荡为止。这些模式的相位相同－符合锁模条件 可见，锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。调制信号的频率对锁模的过程可以理解为（时域） 由于损耗变化的周期正好是光波在腔内来回一次需要的时间，当把调制器放到腔的一端时，假设一束光波通过调制器时损耗为，当它第二次通过调制器时经历了 的时间，因第三十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四此，调制器的损耗 ，损耗的周期为 。所以 ，以后这束光波每次通过调制器时损耗相同。腔内工作物质的增益一定，适当的控制调制度，使只有在调制器损耗最小时通过的光波满足阈值条件 形成振荡。 可以说：在损耗最小时通过调制器的模式形成振荡，激发新的模式，这样把所有的模式耦合在一起，这个光波两次通过调制器的时间是 ，所以输出的脉冲间隔是 。在光波两次通过激活介质的间隔，工作物质可以有 的时间由光泵浦建立反转粒子数，因此当光波通过激活介质时，会得到更大的能量－峰值功率高。第三十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四振幅调制锁模的特点：①调制器的信号频率为，损耗变化的频率为②调制的结果，使各纵模之间的相位固定③输出的光波的间隔为 的脉冲序列，具有锁模激光器的输出特性。第三十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四２.相位调制只能利用电光相位调制。使光波的相位按调制信号的规律变化。选用的晶体KDP纵向运用LN横向运用。以LN横向运用为例说明：

在LN晶体中，沿z向加电场时，晶体的折射率变为

调制系数：第三十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

如果晶体上加调制信号为：则 式中d－z间加场的厚度光波通过晶体以后的附加相位为：l－x方向通光晶体的长度可见附加相位按调制信号的规律变化，光波的相位受到调制。相位变化－总相位变化→频率变化→对微分得到：第三十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四设光波场为：调制后的光波电场： 式中相位调制系数：图形如下（时域）可见：调制信号，附加相位，频率变化的频率相同。第四十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

在晶体上加一调制信号，引起晶体的折射率变化，晶体相当于改变了谐振腔的光学长度。相位变－频率变，但不同时刻频率变化不同，即频率变化是时间的函数，因此相位调制器相当于一个移频器，光波通过调制器一次，发生一次频率移动，经过几次频率移动，移到增益曲线以外，不能振荡。如果使（调制信号的频率）＝，频率变化的周期和光在腔内传播的时间相同。 假定光波第一次通过调制器时频率变化，经过时间第二次通过时频率变化→多次移动→移出去。只有在t=0,t1,t2时通过的光波频率不发生变化，被保存下来－能振荡，相位调制的结果，产生边频当调制器的频率 即 时，所有模式功率耦合。锁模过程和振幅调制相同。

第四十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

锁模过程（频域）：首先，中心频率增益大先振荡。相位调制的结果产生边频：

注意：在每个周期内频率变化曲线上存在两个频变为0的点，这样增加了输出脉冲位置的不稳定性。当， 处脉冲输出时， 的脉冲不能形成，但当条件变化时，有可能从上一脉冲序列跳到， ·····脉冲列，实际中加以克服。相位调制的特点：①调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同。②相位调制的结果，使各纵模相位固定。 －满足锁模条件③输出的光波是间隔为的脉冲序列，具有锁模激光器特性。④脉冲位置不稳定－必须采取一定的措施。第四十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四主动锁模激光器的结构和设计要点（1）主动锁模激光器中的所有光学元件的要求比调Q器件要求严格，端面的反射率必须控制的最小，否则由于标准具效应会减少纵模个数，破坏锁模的效果。各元件的反射面应切成布儒斯特角，倾斜放置或镀增透膜，反射膜作成楔形。（2）调制器应放在腔内尽量靠近反射镜处，以便得到最大的纵模之间的耦合效果。此外，调制器在通光方向的尺寸应尽量小，这时锁模效果最好。（光波通过调制器时需要一定的时间，在这段时间内，调制器的损耗并不全为零，但通过调制的光只要增益大于损耗就能振荡，因而脉宽会加宽。）（3）锁模调制器的频率必须严格调谐到(相位调制），或（振幅调制），否则会使激光器工作越出锁模区，而进入猝灭区或调频区，从而破坏锁模。第四十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四3.3被动锁模一、固体激光器的被动锁模:

在腔内放一个装有机染料的染料合，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。1.和Q开关的区别第四十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四①染料的激发态寿命不同（很短ps量级，在ns量级）在锁模中要求染料的激发态寿命<，光在往返一次的周期内，染料对光的吸收具有周期性，因而光波的变化具有周期性。周期均为 ，相当于腔内纵模变化的频率 。②染料合紧靠全反镜一般把染料的一面做成全反即合为一体，使光通过染料合间隔 。第四十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

2.被动锁模的动力学过程，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A(v)大－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，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即 常数，第四十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四而 和 是时间函数，、随时间变化缓慢，在 内，可视为常数。由于相位无规，故总场是不同相位的正弦波的叠加，－总场的强度是涨落的。在一周期 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。第四十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四 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。第四十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四（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ⅰ）强脉冲的强度能使染料饱和－损耗少（相对值小）。小的弱脉冲不能使染料饱和－吸收的多－在I未达到I5，工作物质中线性放大的少。结果脉冲个数减少到1－2个（频谱窄）。ⅱ）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。ⅲ）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。第四十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四（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。

第五十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四被动锁模固体激光器的结构：主要包括谐振腔、激光棒、染料盒、小孔光阑注意：（1）为了消除标准具效应，应将光学元件表面切成布儒斯特角，镀一增透膜及倾斜放置等，全反镜的后表面应磨成楔形。（2）用于锁模的可饱和染料必须具备：i、染料的吸收谱线与激光波长相匹配ii、其吸收线的线宽大于或等于激光线宽iii、其驰豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间（3）泵浦功率略高于激光阈值为宜。较高的泵浦功率会引起双脉冲的产生。第五十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四二、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。 当在碰撞锁模激光器中，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。使窄了3－4倍。2.装置示意图如下第五十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四三、自锁 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，但稳定性差。四、锁模激光器的设计考虑 锁模激光器实现的难度比调Q激光器大，从结构到各元件要求是比较严格的，现讨论几个主要的问题。1.标准具效应①标准具效应:标准具是由一平行的不镀膜的平板构成，由于光束的多次反射，使标准具的透过率是频率的函数。第五十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四 当把标准具放入谐振腔内，选纵模的结果是使腔内的纵模数减少，同时一般标准具的透射线宽比介质的增益线宽小的多，标准具改变了谐振腔的带宽，并引起一定相位漂移。 由于脉冲的峰值功率，脉宽都和纵模个数有直接关系。 （2N＋1）↑即模多P↑

（2N＋1）↑即模多↓腔内存在标准效应时，使输出脉冲的峰值功率下降，脉宽增加。在锁模激光器中严格避免标准具效应。②造成标准具效应的因素在谐振腔中任何平行于腔反射镜的光学表面之间形成－标准具。第五十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四③消除的办法 对腔内各光学元件，除了两端面反射镜之外，都不能做成平面和入射光束垂直。一般切成布儒斯特角或切成1～角均可。如果平面和入射光垂直，这时平面镀增透膜。两反射镜作成楔形的，可以防止末端元件的反射而进入腔内。被动锁模的染料合作成楔形的。第五十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四2.调制器和染料合的位置及尺寸 调制器应放在腔内尽量靠近全反射镜的地方。这样可以得到最大的纵模之间的耦合效果。 对于染料合，一般染料合和全反镜做成一体。①调制器离反射镜越远，锁模的效果越差，第五十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四②调制器的尺寸越短，锁模效果越好。 光在损耗最小时通过调制器，振幅最大，光在调制器中通过时需要一定的时间，影响脉冲峰值功率。尺寸大－峰值小，－尺寸小－峰值高。 但主动锁模中，晶体不能太小，这对加工以及加压都不利。因此脉宽的压缩受到限制。 被动锁模，染料合可以做得更小，故输出比主动锁模脉冲窄。第五十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四1.失谐问题 调制器的频率必须严格符合下面条件： 振幅调制频率： ，即损耗变化频率 相位调制频率： 只有满足上述条件，才能使腔内纵模产生最大的耦合。

(1)失谐：不满足上述条件即 或 时称失谐，的效果差。（2）失谐的原因：调制器的频率不稳定－调制器频率变化变，实际中采用稳定度很高的调制器。腔长L受温度、振动等影响变化。 变，振荡器一般稳定度 。当两者之一有变化，产生失谐，主要由L变化引起。第五十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四设 式中－纵模角频率间隔－调制角频率－纵模角频率与调制角频率之差 的大小反映失谐的程度。当 满足上述条件，理想的锁模状态。 －正失谐 负失谐以相位调制器为例，实验测得的失谐曲线如下第五十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四可见在锁模区：当 时，锁模输出的功率最大－理想，耦合的纵模数最多。 ，输出的功率下降，偏离 越多，输出功率下降的多，直至输出功率为0。进入淬灭区－不能锁模。③引起L变化的因素。a.泵浦灯、工作物质、激光腔等的热效应，外界环境温度的变化。使腔长热胀冷缩改变。b.外界机械振动的影响。④稳定锁模的方法： 为了减少失谐的程度，必须采取一定措施，稳定腔长不变。一般调制器采用稳定度高 认为频率不变。a.对激光器进行冷却，防止由于热效应，引起腔光学长度的变化。b.尽量采用线膨胀系数小的殷钢或石英作支撑反射镜的底座。采取一定恒温措施，以减小L的变化。c.采用防震设备，减少外界振动对L的影响。d.采用电子反馈电路以随时补偿失谐。第六十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四常用的电子反馈电路有两种方法：一种方法，改变腔长即补偿腔长的变化（在稳频技术中讲）∵当L变 变 不变当L小L大输出功率下降 采取一套电路系统和其他装置使L变小时，转为L大－小→0原理：L变,变化，通过探测输出功率的变化及变化的方向，采取电路的反馈系统，使→0，稳定输出功率。第六十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四装置：在一端反射镜上放一压电陶瓷，当压电陶瓷的内外表面加电压的极性不同，压电陶瓷伸缩不同，因此L长短变化。 首先在压电陶瓷上加一低频调制信号－输出的光强－低频调制。目的－利用此信号判定光强变化的频率和相位以便知L的变化方向。当＝0－理想，L不变，输出光强2f－不能通过选频器，

>0，输出光强f相位和调制信号相位相反正→大→f小

<0，输出光强f和调制信号相位相同。用光电接受装置接收到－经过调制的光强，光强的变化：dI（误差讯号）大小表明偏离的多少，相位表明偏离的方向经过一套电路系统将误差讯号变为直流电压加到压电陶瓷上，控制腔长，即补偿腔长的变化，使＝0。失谐的范围在5－10KHz第六十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四 第二种方法，改变调制频率适应腔长的变化，减少失谐。此方法用于相位调制器，因为在相位调制器中存在脉冲位置的跳变。装置如下 图3.3-16，图3.3-17在调制器上加二种调制信号基波f，二次谐波2f，相位差，振幅2∶1第六十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四 叠加后的波形不对称，因此调制度不同，边频的增益不同，正方的增益高，优先振荡，因此只可能在两个极值处得到脉冲－克服跳变。 一般对锁模激光器先从实验中测出失谐曲线，再选择一定的电子反馈电路，改进锁模效果。第六十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四3.4单一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，书中介绍了三种选取脉冲法，前两种都是利用电光Q开关，这部分在Q开关的其他应用中已经讲过。对腔内选取法，由于增加腔内的损耗，阈值提高，一般不采用。1．腔外选单一脉冲法 工作过程：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。第六十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四2．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。第六十六页，共八十三页，编辑于2023年，星期四二、超短脉冲的测量 由于锁模激光器输出的脉宽一般几ps-fs量级，而光电接收装置如一般光电二极管和光电倍增管响应时间一般在

s，因此响应时间大于 s，因此无法测量 s-s

脉冲。目前测量锁模的脉冲宽度有两种类型：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1－2ps。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。第六十七页，共八十三页，编辑于2023年，星期四2.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－强度为I(t)的2光束的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。用高阶相关函数。n阶单延迟相关函数（只能给出脉冲宽度的上限） 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。第六十八页，共八十三页，编辑于2023年，星期四如果接收时间比较长则可能是多个脉冲的平均结果。（对n阶当n→∞则 → 则对于一般的锁模激光器，比较容易实现二阶相关测试(2)二阶相关测试 利用相关函数得到一宽度，要从此宽度得到脉冲的宽度，首先必须确定实际脉冲的形状，然后进行换算。目前对脉冲形状主要提出四脉冲形式：高斯形（对称，前后沿均是双边高斯形，否则单边）、双曲正割形（单，双）、洛仑兹形和指数形。它们的相关函数解析式已求出。只要把实际测试值与这些脉冲的相关函数曲线（理论）进行比较，精度要求10-3，即可确定实际脉冲的波形。当然注意锁模脉冲并不是十分规则，只能利用与理论相关曲线接近的程度来判断脉冲大概属于何种形状。第六十九页，共八十三页，编辑于2023年，星期四例双边高斯形当 ＝1<双边高斯>当＝0<单边>双边洛仑兹形第七十页，共八十三页，编辑于2023年，星期四

可以反映出脉冲的不对称，但是即使一个极度不对称的单边形脉冲，但在的曲线上也仅呈现不大的对称性。 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。①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，当基态的粒子吸收两光子跃迁到高能态③，然后无辐射跃迁到能级②，最后由能级②自发辐射跃迁到能级①发出荧光，其频率等于入射光频率的2倍。－双光子效应。第七十一页，共八十三页，编辑于2023年，星期四实验装置如下：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，激光脉冲是否完全锁模。 荧光强度与入射光强度平方成正比－非线性。设两束光的电场强度

第七十二页，共八十三页，编辑于2023年，星期四则 －瞬时荧光强度但在实际测量时，接受元件的响应时间长，所以实际测得的不是荧光瞬时强度而是积分强度当光电接收对相位项不能及时响应时，则第七十三页，共八十三页，编辑于2023年，星期四式中右边第①项是第1束光的荧光积分强度,第②项是第2束光的荧光积分强度，第3项是两束光重叠部分的荧光积分强度。 因两束光的强度相等，则两束光的荧光积分强度相等，设

F’一束光荧光积分强度则

式中

--为归一化的二次相关函数 主要由两束光的相干强度决定：两束光的重合程度各模的相位是否固定：第七十四页，共八十三页，编辑于2023年，星期四a.当＝0两束光完全重合b.如果入射光完全锁定则如 ，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－染料的折射率第七十五页，共八十三页，编辑于2023年，星期四c.如果