4.7激光锁模技术2015
34页1、调Q 技术:调Q激光脉宽百ns-ns量级, 峰值功率 W 锁模技术:锁模激光脉宽ps或fs量级, 峰值功率 W,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.(1964年后发展了锁模技术,可将脉冲压缩到10-1110-14s(ps)量级) 应用: 激光测距,为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好。 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。 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(掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列)。,4.7 激光锁模技术,4.7.1 锁模原理,一、多模激光器的输出特性,自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模,如图所示。这些模的振幅及相位都不固定,激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果,是一种时间平均的统计值。,假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模,每个纵模输出的电场分量可用下式表示:,那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和,即,Eq、q
2、、q为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅Eq、初位q均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。,假设有三个光波,频率分别为v1 v2 和 v3,沿相同方向传播,并且有如下关系: ,在未锁定时,初相彼此无关。,由于“相消”的干涉,形成的光波没有一个地方有突出的加强,输出的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。,如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系,例如1 =2 =3, 即按关系 锁定, 此时三个光波的方程为,当t=0时,当 时,由于“相长”的干涉叠加,形成的光波就周期性地出现极大值。,图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构, (a) 非锁模,(b)理想锁模,二、锁模的基本原理,1.锁模基本概念,锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡:让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数。,2.输出光强,(1)定义处于增益曲线中心频率的纵模 q0,设腔内参与振荡的模式q=-N,-(N-1)0(N-1),N,共2N1个,常数,它们的初位相始终相等,并有q=q-1=0。,(2) 假设各模振幅相等 ,光强相等 Iq =
3、 Iq-1 = I0,激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。,(2) 假设各模振幅相等 ,光强相等 Iq = Iq-1 = I0,则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干的结果.,则第q个模式的电场强度为,(2N+1)个模式合成之电场强度, Eq=E0 , q=q-1=0 ,按指数形式展开,再用三角函数可得:,振幅随时间而变化,输出光强,光强随时间而变化,例:下图为(2N+1)=7时I(t)随时间变化的示意图。,T,由上面分析可知,只要知道振幅A(t)的变化规律,即可了解输出激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。,* 讨论的问题,A(t)的变化规律:,1.当分子为0,分母不为0 ,则是 A(t)的0 点:,所以 t=0 , , , 是 A(t)的0 点.,2. 分母为0 的 点:,3.因A(t)的分子、分母同时为零,利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值, 在两个最大值之间有2N个极小值.,三、锁模激光器工作特性,1.输出脉冲的峰值(最大光强),注意:如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之和,即I(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未
4、锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。,2.周期 (T),相邻脉冲峰值间的时间间隔,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,图4-30 锁模光强脉冲(2N+1=9),t=0和t=2L/c时的极大值,称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间,共有2N个零点。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。,3.脉冲的宽度 () (光脉冲持续时间的一半),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。,所以,t=0 为极大值 , 第一个0点:,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 2N1倍。被锁定的纵模数越多(2N1) ,脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于,因而可以认为脉冲宽度等于。上式中v为锁模激光的带宽,它显然不可能超过工作物质的增益带宽,这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱线宽度较小,其锁模脉冲宽度
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