第三章 超短脉冲技术

只有与相位变化的极值点 （极大或极小）相对应的时 刻才能在腔内保存下来，不 断被放大，成为周期为2L/c 的脉冲序列。
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。
m
c 2L
② 相位调制的结果，使各纵模相位固定。源自q1 --q满足0 锁模条件
③ 输出的光波是间隔为 2的L 脉冲序列，具有
c
锁模激光器特性。
④ 脉冲位置不稳定。
3.2.3主动锁模激光器的结构及其设计要点
调制器可以是声光损耗（驻波场）、电光相位、电光损耗。 主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q激光更加 严格，端面的反射率必须控制在最小，各元件的反射端面应 切成布儒斯特角，倾斜放置或镀增透膜，反射镜做成锲形。 调制器应尽量放在腔内靠近反射镜处。 调制尺寸在通光方向的尺寸应尽量小。
关系通过选择 可控制。它m们相干叠加的结果使激光器得到锁
模序列光脉冲输出。
相位调制锁模原理
激光腔内插入一个电光调制器，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，有不同的相位延迟。
调制前光场：
Ec t Ac cosct
经过调制后，腔内光场变为：
E t Ac cos ct m cosmt
无锁模激光器的输出功率与时间
瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出 功率随时间无规则起伏。
经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔 保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输 出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁 模技术。
➢锁模的基本原理
通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个 模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是 互不相干的。
超短脉冲技术
福建师范大学光电学院 2014.11.17
3.1 概述
调Q技术是压缩激光脉宽、提高峰值功率的有
效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限制，利用
调Q技术只能获得脉宽为毫、微秒量级的激光脉冲。
利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉
冲。
1ms 103s 1ps 1012s 1fs 1015s
目前正进入as 1018 s
➢多模激光的输出特性
未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。
纵模频率
vq
qc 2L
频率间隔 c
2L
假定在在腔内振荡的模式有
2N＋1个。纵模表示式
Eq (t) Eq cos(qt q )
理锁 模 技 术 的 基 本 原
无锁模激光器的输出功率与频率
呈现多个纵模同时振荡，各个模式的振幅、初始 位相无确定关系且互不相关。
振幅调制原理
设调制信号为：
at
Am
sin
1 2
mt
调制前光场：
E t Ec sin ct c
经过调制后，腔内光场变为：
调制系数
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c )
设激光器中增益曲线中心频率处的纵模首先振荡， 加入调制后，其电场强度为：
E（t) Ac[1 m cos(wmt)]sin(wct c ) 展开上式：
4.实现了 q1 常q 数 ，输出了一个峰值功率 高、脉冲宽度窄的序列脉冲。
➢实现锁模的方法
❖ 主动锁模：调制器的调制特性人为主动可控。
振幅调制锁模 相位调制锁模
❖ 被动锁模：其过程非人为可以控制。
❖ 同步泵浦锁模：主动锁模激光器泵浦另一激光器
❖ 自锁模
3.2主动锁模
如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相 位调制器，适当控制调制频率和调制深度可以实 现激光器的纵模锁定。
正驱动振荡频率或校正腔长。
3.3 被动锁模
在激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节 腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系 列的锁模脉冲。
被动锁模分为： 固体激光器的被动锁模、燃料激光器的被动锁模
固体激光器的被动锁模
E（t)=
Ac
sin(wc
t
c
)
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
1 2
mAc
sin[(wc
wm
)t
c
]
初始相位保持不变，频率等于无源谐振腔中的相邻两个纵模 的频率
腔损耗正弦调制的结果，是使频率为 的0 纵模又产生了频率分
别式为纵模0有 相2，cL同的初0初始 始2位cL位相相，不保变持化恒的定两的个频边率频差带。，振各幅模调的c制振锁幅模 2L
学导轨，与外界绝热、隔震。
fm
q
c 2L
c 2 L2
L
L
2L2 c
fm
fm
q
L
对于光学腔长为1米的Nd：YAG锁模激光器，其调制频率f
只
m
允许少于1KHz的偏差，相当于腔长L的变化量必须少于7m。
采用电子反馈、实时跟踪、闭环控制、伺服装置。
其基本思路是利用激光输出信号变化所产生的误差信号来校
锁模调制器的频率必须非常严格调谐到fsAM q /2 c/4L
振幅调制锁模或者fsPM q c/2L相位调制锁模。
稳定性措施
提高泵浦源的稳定度，消除冷却液的非匀速流动和温度波动。 最好采用半导体泵浦和精密的半导体致冷以及风冷散热方式。
采用热不灵敏腔型，用热膨胀系数小的殷钢或大理石作为光
1995年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs 1996年，西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs的超短激光 脉冲
1996年，毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全 固态腔倒空压缩后4. 5 fs的记录 1998年,西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 fs的 脉冲产生了强白光连续谱, 将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔 外压缩,得了4 fs的最佳结果。 这些都是当时的国际最高指标。
假设第q个振荡模为：
Eq (t) Eq cos(qt q )
由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为 诸模光强的简单和
I Iq
q
合成光场的光强为：
sin[1 (2N 1)(t )]
I (t) A2 (t) E02[
2
sin 1 (t )
]2
2
t=0和t=2L/c时，峰值平均光强为：
Imax （2N 1）2I0
➢纵模锁定激光器的输出特性分析
1.两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内往 返一次的时间： T 2L
c
2.两个锁模主脉冲之间有2N个零点,2N-1个次极大
值。主脉冲宽度为 ：（2 N1
1 1）q
，
min
1 vg
增益曲线越宽，越可能得到窄的锁模脉冲。
3.锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了 2N+1倍。