第7章2：激光特性的控制.ppt

利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各纵模利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各纵模之间有确定的相位关系，从而发生相干叠加，形成窄脉冲之间有确定的相位关系，从而发生相干叠加，形成窄脉冲1. 未锁模多纵模激光器的输出特性未锁模多纵模激光器的输出特性 N个个模式互不相干，完全独立，模式互不相干，完全独立，位相差不是常数位相差不是常数激光输出的总光场是各个不同频率光场的无规则激光输出的总光场是各个不同频率光场的无规则叠加的结果，叠加的结果，平均光强是各个纵模光强之和平均光强是各个纵模光强之和2. 锁模基本原理锁模基本原理采取适当措施，使各纵模频率等间隔，采取适当措施，使各纵模频率等间隔，位相差为常数位相差为常数7.4.1 7.4.1 锁锁 模模 原原 理理1. 未锁模多纵模激光器的输出特性未锁模多纵模激光器的输出特性 设激光器有设激光器有2N＋＋1个纵模振荡，则其输出的光波电场为：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. 锁模的基本原理锁模的基本原理 设腔内有设腔内有等（等（2N＋＋1））个模式振荡：个模式振荡：且满足相位锁定条件：且满足相位锁定条件：（（2N＋＋1））个纵模的合成电场强度：个纵模的合成电场强度：输出光强：输出光强：Ø 峰值功率峰值功率Ø 周期（相邻脉冲峰值间隔）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等于光在腔内来回一次所需的时间 Ø 脉冲宽度脉冲宽度 荧光线宽荧光线宽 9 9个纵模锁模个纵模锁模有有2N-12N-1个次脉冲。

次脉冲的个数为个次脉冲次脉冲的个数为2N-12N-1，参与锁模的纵模，参与锁模的纵模数越多，次脉冲的幅度越低；数越多，次脉冲的幅度越低；被动锁模被动锁模主动锁模主动锁模1. 主动锁模主动锁模 在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位一定调制频率周期性地改变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）相位调制锁模（频率调制锁模）采用电光调制器采用电光调制器振幅调制锁模（损耗调制锁模）振幅调制锁模（损耗调制锁模）采用声光调制器采用声光调制器主动锁模主动锁模自锁模自锁模7.4.2 7.4.2 锁模方法锁模方法损耗调制频率：损耗调制频率：（角频率（角频率 ））设设 时刻：时刻： 损耗为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往返一次就受到一次损耗这部分光信号每次无损耗通过这部分光信号每次无损耗通过时刻：时刻： 损耗为损耗为则则①①时域角度分析时域角度分析 (1) (1) 振幅调制锁模振幅调制锁模调制信号波形调制信号波形 腔内损耗波形腔内损耗波形 调制器透过率波形调制器透过率波形 调制前腔内光波电场调制前腔内光波电场 调制后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激光器输出的锁模光脉冲 损耗变化频率是信号频率的损耗变化频率是信号频率的2倍倍 光波通过调制器，产生光波通过调制器，产生了两个边频分量了两个边频分量它们与它们与 具有相同的相位，具有相同的相位，从而使与从而使与 相邻的两个纵模开相邻的两个纵模开始振荡。

始振荡的光的光通过调制器时，出现通过调制器时，出现 的振荡模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，从而达到锁模目的各模具有相同初位相，且频率等间隔，从而达到锁模目的②②频域角度分析频域角度分析 余弦调制后的电场强度为：余弦调制后的电场强度为： 采用声光调制器实现，对调制频率要求很高采用声光调制器实现，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改变时，光波在不同的时刻通过介质，便有而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，便有不同的相不同的相位延迟位延迟由相位延迟对时间的微分，即可得到频率的变化量由相位延迟对时间的微分，即可得到频率的变化量 相位调制函数：相位调制函数： 经调制器后的经调制器后的纵模电场：纵模电场：振荡角频率：振荡角频率：相位随时间变化(2) (2) 相位调制锁模相位调制锁模Ø当当调调制制相相位位周周期期与与光光在在腔腔内内运运行行周周期期一一致致，，光光信信号号每每经经过过调调制制器器一一次次都都经经受受频频移移，，最最后后移移到到增增益益曲曲线线之之外外，，这这部部分分光光波波从腔内消失。

从腔内消失 Ø只只有有与与相相位位变变化化极极值值点点（（极极大大或或极极小小））相相对对应应的的时时刻刻通通过过调调制制器器的的光光信信号号，，不不发发生生频频移移，，能能在在腔内保存下来腔内保存下来 采用电光调制器，不同时刻通过的光波具有不同的相位延迟采用电光调制器，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让一列优先运行在在谐振腔内插入谐振腔内插入可饱和吸收体可饱和吸收体来调节腔内损耗来调节腔内损耗Ø可可饱饱和和吸吸收收体体必必须须具具备备以以下下几几个个条条件件：：第第一一，，染染料料的的吸吸收收线线应应和和激激光光波波长长很很接接近近；；第第二二，，吸吸收收线线的的线线宽宽要要大大于于或或等等于于激激光光线线宽宽；；第第三三，，其其驰驰豫豫时时间间应应短短于于脉脉冲冲在在腔腔内内往往返返一一次次的的时时间间，，否则就成为被动调否则就成为被动调Q Q激光器了激光器了。

2. 被动锁模被动锁模快饱和吸收体：快饱和吸收体：恢复时间恢复时间小于脉冲宽度；小于脉冲宽度；慢饱和吸收体：慢饱和吸收体：恢复时间恢复时间大于脉冲宽度，小于脉冲大于脉冲宽度，小于脉冲周期 染染料料的的可可饱饱和和吸吸收收系系数数随随光光强强的的增增加加而而下下降降，，所所以以弱弱信信号号损损耗耗大大，，强强信信号号损损耗耗小小，，光光脉脉冲冲每每经经过过染染料料和和工工作作物物质质一一次次，，其其强强弱弱信信号号的的强强度度相相对对值值就就改改变变一一次次，，在在腔腔内内循循环环多多次次后后，，极极大大值值与与极极小小值值之之差差会会越越来来越越大大结结果果是是腔腔脉脉冲冲形形成成振振荡荡，，弱弱脉脉冲消失；同时强脉冲的前后沿也被吸收，强脉冲越来越窄冲消失；同时强脉冲的前后沿也被吸收，强脉冲越来越窄 由由于于吸吸收收体体的的吸吸收收频频率率与与增增益益曲曲线线频频率率一一致致，，经经吸吸收收后后只只剩剩谱谱线线中中心心频频率率及及其其边边频频，，边边频频又又激激发发新新的的边边频频，，如如此此进进行行，，使所有模式参与振荡使所有模式参与振荡 (2) (2) 采用晶体或半导体纳米材料被动锁模采用晶体或半导体纳米材料被动锁模Power meterOSCGaAsNd:YAGPIN(1) (1) 采用有机染料被动锁模采用有机染料被动锁模通过调制谐振腔内的增益来实现。

通过调制谐振腔内的增益来实现 Ø 用用一一台台锁锁模模激激光光器器输输出出的的锁锁模模脉脉冲冲序序列列作作为为种种子子脉脉冲冲，，去去泵浦另一台激光器并实现锁模泵浦另一台激光器并实现锁模 Ø 要求被泵浦激光器与泵浦激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光器二者之间谐振腔长度相等或是其整数倍或是其整数倍 Ø 同步泵浦锁模获得的锁模同步泵浦锁模获得的锁模脉冲宽度比泵浦脉冲窄脉冲宽度比泵浦脉冲窄 3. 同同 步步 泵泵 浦浦 锁锁 模模利用增益介质自身的非线性效应实现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：在强光作用下，增益介质的非线性效应为：（（1）自振幅调制）自振幅调制光脉冲通过介质时产生自聚焦，其焦距为：光脉冲通过介质时产生自聚焦，其焦距为：4. 4. 自自 锁锁 模模 从从脉脉冲冲包包络络的的时时域域看看，，前前后后沿沿的的光光强强小小于于中中部部光光强强，，所所以以脉脉冲冲中中部部对对应应的的类类透透镜镜焦焦距距小小于于前前后后沿沿对对应应的的焦焦距距当当脉脉冲冲通通过过介介质质时时，，脉脉冲冲在在时时间间上上的的光光强强变变化化在在空空间间上上反反映映出出来来。

如如果果在在适适当当位位置置有有一一光光阑阑，，脉脉冲冲前前后后沿沿通通过过时时的的损损耗耗大大，，脉脉冲冲中中部部通通过过时时的的损损耗耗小小，，相相当当于于可可饱饱和和吸吸收收体体，，这这种种效效应应成成为为自振幅调制自振幅调制 由由于于自自聚聚焦焦效效应应与与光光阑阑的的存存在在，，使使激激光光受受到到一一个个与与光光强强有关的调制有关的调制 在在带带有有被被动动性性质质的的锁锁模模激激光光器器中中，，腔腔内内存存在在具具有有下下列列性性质质的的元元件件：：能能够够从从噪噪声声中中选选择择出出强强度度比比较较大大的的脉脉冲冲，，并并利利用用锁锁模模器器件件自自身身的的非非线线性性效效应应使使脉脉冲冲前前后后沿沿的的净净增增益益小小于于1 1，，而而脉脉冲冲中中间间部部分分的的净净增增益益大大于于1 1脉脉冲冲在在腔腔内内往往返返传传播播的的过过程程，，即即是被整形放大的过程，直至脉宽被压窄，实现稳定锁模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：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（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部位的频率 不同，不同，称为称为频率啁啾频率啁啾。

由由图图可可见见，，脉脉冲冲前前沿沿频频率率减减小小，，称称负负啁啁啾啾或或红红移移；；脉脉冲冲后后沿沿频频率率增增大大，，称称正正啁啁啾啾或或蓝蓝移移；；脉脉冲中部频率不变冲中部频率不变啁啁啾啾脉脉冲冲如如果果通通过过负负色色散散介介质质（（频频率率大大，，折折射射率率小小，，速速度度快快）），，脉脉冲冲前前沿沿传传输输慢慢，，脉脉冲冲前前沿沿传输快，即脉冲压缩传输快，即脉冲压缩啁啁啾啾脉脉冲冲如如果果通通过过正正色色散散介介质质（（频频率率大大，，折折射射率率大大，，速速度度慢慢）），，脉脉冲冲前前沿沿传传输输快快，，脉脉冲冲前前沿沿传输慢，即脉冲展宽传输慢，即脉冲展宽（（3）脉冲压缩）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，传输快脉冲压缩脉冲压缩增益介质是正色散介质增益介质是正色散介质飞秒脉冲序列飞秒脉冲序列5. 5. 超短脉冲测量超短脉冲测量 采用快速响应的光电二极管（几十皮秒）和高速示波器采用快速响应的光电二极管（几十皮秒）和高速示波器（（5G)5G)可以测量皮秒脉冲。

但是，当脉冲宽度为几皮秒或以下，可以测量皮秒脉冲但是，当脉冲宽度为几皮秒或以下，必须采用相关测量必须采用相关测量1 1）双光子荧光法）双光子荧光法 某某种种物物质质原原子子能能同同时时吸吸收收二二个个光光子子从从基基态态跃跃迁迁到到较较高高激激发发态态，，称称为为双双光光子子吸吸收收原原子子弛弛豫豫到到较较低低激激发发态态后后，，发发出出荧荧光光例例如如，，若若丹丹明明6G6G丙丙酮酮溶溶液液在在强强光光作作用用下下吸吸收收二二个个1064nm1064nm光光子子产产生生550nm550nm的的双双光光子子荧荧光光利利用用这这种种特特性性可可以以对对皮皮秒秒脉脉冲冲的的时时间间宽宽度度进进行行测测量 被被测测光光脉脉冲冲分分成成强强度度相相等等的的二二个个脉脉冲冲，，经经过过反反射射镜镜的的反反射射，，反反向向通通过过染染料料溶溶液液在在溶溶液液中中单单脉脉冲冲通通过过的的地地方方发发出出均均匀匀的的弱弱光光，，但但在在两两脉脉冲冲重重叠叠处处，，则则发发生生双双光光子子吸吸收收而而发发出出很很强强的的荧荧光光如如果果用用高高感感光光度度的的胶胶卷卷拍拍下下荧荧光光强强度度的的空空间间分分布布，，置置曝曝光光底底片片于于显显微微密密度度计计上上，，就就可可根根据据底底片片上上的的光光密密度度空空间间分分布布求求出出脉脉冲冲宽度。

宽度测量装置测量装置染料辐射的染料辐射的荧光强度荧光强度为：为：以溶液中心为以溶液中心为z=0式中第一项为单个脉冲作用发出荧光的贡式中第一项为单个脉冲作用发出荧光的贡献，第二项为两个脉冲共同作用发出荧光的贡献由上式，引献，第二项为两个脉冲共同作用发出荧光的贡献由上式，引入入相关函数：相关函数：在溶液中心，两个脉冲重合，荧光最强；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所以最大和最小之比为3 3比比1 1作出F F与与z z的关系曲线，得到的关系曲线，得到半高全宽的空间距离半高全宽的空间距离，再求出脉冲时间宽度，再求出脉冲时间宽度（（2）二次谐波法）二次谐波法 当当频频率率为为 的的基基频频光光通通过过非非线线性性晶晶体体时时，，若若满满足足相相位位匹匹配配条条件件，，能能产产生生倍倍频频光光（（二二次次谐谐波波）），，倍倍频频光光强强度度与与基基频频光光强度平方成正比利用这一原理，可构成相干检测装置强度平方成正比利用这一原理，可构成相干检测装置原原理理：：当当两两个个脉脉冲冲完完全全分分离离时时，，轴轴向向倍倍频频光光为为0；；当当两两个个脉脉冲冲完完全全重重合合时时，，轴轴向向倍倍频频光光最最大大（（设设为为1））；；当当两两个个脉脉冲冲部部分分重重合合时时，，轴轴向向倍倍频频光光强强度度介介于于0和和1之间。

之间 二二次次谐谐波波测测量量实实质质上上是是把把时时间间的的测测量量转转换换成成长长度度或或空空间间的测量的测量当干涉仪长度变化当干涉仪长度变化0.15mm0.15mm时，相当于时间延迟时，相当于时间延迟1ps1ps 二二次次谐谐波波法法特特别别适适合合连连续续泵泵浦浦自自锁锁模模激激光光器器飞飞秒秒脉脉冲冲的的测量（使臂长振动）测量（使臂长振动） 通通过过改改变变一一个个臂臂的的臂臂长长，，使使光光程程差差为为 ，，以以改改变变两两个个脉脉冲冲的的相相对对时时间间延延迟迟 ，，测测量量相相应应的的倍倍频频光光强强度度，，作作出出倍倍频频光光强强度度与与延延迟迟时时间间的的关关系系曲曲线线，，由由曲曲线线的的半半高高全全宽宽得得到到脉冲时间宽度脉冲时间宽度测试题测试题1. 1. 激光选模技术分哪几类？激光选模技术分哪几类？2. 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. 5. 氦氖激光器放电管长氦氖激光器放电管长l=0.5ml=0.5m，直径，直径d=1.5mmd=1.5mm，两镜反射率分别为，两镜反射率分别为100%100%，，98%98%，其他单程损耗率为，其他单程损耗率为0.0150.015，荧光线宽，荧光线宽 =1500MHz=1500MHz。

求满足阈值条件的本征模式数已知求满足阈值条件的本征模式数已知 ））3 3．．在在红红宝宝石石Q Q调调制制激激光光器器中中，，有有可可能能将将全全部部Cr3Cr3＋＋( (铬铬离离子子) )激激发发到到激激光光上上能能 级级 并并 产产 生生 巨巨 脉脉 冲冲 设设 红红 宝宝 石石 直直 径径 0.8cm0.8cm，， 长长 8cm8cm，， 铬铬 离离 子子 浓浓 度度 为为 ，，巨巨脉脉冲冲宽宽度度为为10ns10ns求求：：输输出出0.69430.6943 m m激激光光的的最最大大能能量量和和脉脉冲冲平平均均功功率4 4．．(1) (1) 一一质质地地均均匀匀的的材材料料对对光光的的吸吸收收为为 、、光光通通过过10cm10cm长长的的该该材材料料后后，，出出射射光光强强为为入入射射光光强强的的百百分分之之几几? ? (2) (2) ——光光束束通通过过长长度度为为1m1m的的均均匀匀激激活活的的工工作作物物质质，，如如果果出出射射光光强强是是入入射射光光强强的的两两倍倍，，试试求求该该物物质质的的增增益益系数。