锁模现象

利用声光调制再生启动 利用饱和吸收体 利用量子阱反射器 利用振动镜启动
掺钛蓝宝石自锁模激光器示意图
• 激光器的基本组成
▫ 谐振腔
反射镜,可以选择激射波长
▫ 工作介质 ▫ 泵浦源
H M2 L2
M1 L1
C
F
P1 P2
M3 M4
• 工作介质,掺钛蓝宝石
• 物理特性
▫ 掺单钛晶,蓝属宝六石角晶晶体系是掺钛的Al2O3 ▫ 物化性质与红宝石相似,稳定性
▫ (3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦能量 和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。反之，随着 泵浦能量和反射率的增大．脉冲逐渐呈不对称型。泵 浦能量保持不变而脉冲宽度改变，对激光脉冲的参数 影响不大。
• 相位调制脉冲
同步泵浦锁模激光器的结构
▫ 泵浦激光器 ▫ 染料激光器
同步泵浦染料激光器的示意
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
ⅲ）染从料频的谱上能加级宽频b ≤谱脉－宽脉时冲，经脉过冲染的料前，后激沿光吸介收质也时不，同可。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 。
（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
二、超短脉冲的测量
目前测量锁模的脉冲宽度主要有直接测量和相关测量两种类型：
2.装置示意图
• 碰撞锁模激光器装置
▫ 在碰撞锁模激光器中存在可饱和增益,可饱和吸收,自 相位调制和色散四种主要物理机制,四者的平衡是获 得窄脉冲稳定锁模的关键.
碰撞锁模环形激光器
同步泵浦锁模
▫ 是采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器， 通过调制腔内增益的方法获得锁模
• 实现同步泵浦锁模的关键是使被泵浦激光器的谐振腔长 度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍
t 2 t2
t
12
2
2 t 2
[I (0,t)G(t)]
2{ [I (0,t)G(t)]}2 t
2 I (0,t)G(t)
G(t) {exp[32
t
(
I
(0,
t
)
I
p
(0,
t
))
dt
]}
[
(
L
t
)]1
R
(c
d
)[(1
RFP
)
R 1 FP
2
(L ,t) 1 32
t
[I
(0,
t
)
I
p
(0,
t
)
exp(14
nL
)]dt
t
exp{32 [I (0, t) I p (0, t)]dt}
• 稳定的脉冲状态（锁模区）
▫ (1)泵浦能量越大或反射率越大，则脉冲能量越大而脉 宽越窄。在反射率或泵浦能量比较小的情况下，脉冲 宽度倒数和脉冲能量显示出单调的特性。
▫ (2)泵浦能量和反射率不同，产生的最窄脉冲的时延也 不同。
• 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义
同步泵浦锁模原理 1）增益阶段 2）脉冲压缩阶段
同步泵浦染料激光器的特性
• 同步泵浦锁模激光器的理论分析
同步泵浦激光器的谐振腔示意图 M1为100%的反射镜;M2为反射率 为R的输出镜;0,1,2,3,4表示循 环周期中脉冲的各个位置
I (z,t) z
32n3 I (z, t),
好 ▫ 热导率是Nd:YAG的3倍 ▫ 熔点2050℃硬度大(9级),折射
率为1.76
掺钛蓝宝石晶体的结构
• Ti3+的能级结构
▫ Ti3+的电子态1s22s22p63s23p63d1
▫ 角量子数为l=2,自旋量子数s=±1/2,因此电子轨道有5种 取向,能级为5重简并
能级分裂情况
钛宝石晶体的光学吸收 和发射过程示意图
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。
从形成过程看，被动锁模是由很多脉冲相互竞争的结果。 脉冲的出现是随机的，造成每一次输出不同。受染料的浓 度，泵浦光源，谐振腔的结构，调整误差影响。
当Tr具有比τp长得多得弛豫时间
n(t,t) n(t) exp[ (t t) Tr ]
t
n(t) n2 I (t) exp[ (t t) Tr ]dt
(t) t
t
n2 I (t) exp[ (t t) Tr ]dt
(t) cI (t)
c(t) c I (t) t
超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应
大多数认为,自锁模现象与掺钛蓝宝石增益介质的克尔效 应引起的光束自聚焦效应有关
n n0 n2 • I (t)
fm
m2
4nm L
nm n2 • I m (t) 0 • I (t)
• 自锁模脉冲的形成
▫ 初始脉冲的形成
必须首先在腔内引入一个瞬间扰动
▫ 稳定锁模脉冲的形成 ▫ 附加启动措施
LD
T02 2
• 自锁模脉冲的压缩
▫ 产生负群速度色散的方法 有衍射光栅等多种,目前 最广泛应用的是在激光腔 内插入两块高色散的棱镜
d 2P d2
4l
d 2n d2
2n
1 n3
dn d
2
sin
2
dn d
2
cos
d 2 3 d 2 P d 2 2c2 d2
d 3P
d 3n 4l(
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。
• 光栅对
❖激光腔内插入负色散元件
i
A z
1 2
2
2A T 2
U
(
z,
)
U
(0,
)
exp(
i 2
Biblioteka Baidu
2
2
z)
U (z,t) 1
2
U
(0,
)
exp(
i 2
2
2
z
iT
)d
U
(0,T
)
exp(
T2 2T02
)
U (z,T ) T02 exp[
T2
]
T02 i2 z
2(T02 i2 z)
T1 T0[1 (z LD )2 ]1 2
腔外选单一脉冲法
• 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V/2 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。
( z, t )
z
32 2
32n3 A(z, t)
n3 t
14 IP n1
32n3I (z,t),
n1 n3 n
I p z
14n1I p ,
I (4,t) I (0,t h)
I (0,t) h I (0,t) h2 2 I (0,t) I (0,t)G(t) 4 [I (0,t)G(t)]
▫ 稳定区范围非常敏感地依赖于在谐振腔内的周期 与弛豫时间之比 T T31
锁模染料激光器的光学元件
• 连续光泵浦被动锁模染料激光器的结构
• 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。 当在被动锁模激光器中，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。
s in
6
dn
d 2n
cos )
d3
d3
d d3
d 3 4 (3 d 2 P d 3 P )
d 3 4 2c3 d2
d3
D
d (1)
d vg
l
d 2 d 2
cl
d 2P d2
P l • cos
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. 1．脉冲透射法 缺点:工作阈值高,腔内元件容易损坏,而且腔内元件多,容易产生标 准具效应,且漏光严重,稳定性差
锁模脉冲的形成 ta－线性阶段开始，tb－非线性阶段开始，tc －非线性放大，
增益饱和。td－增益降至阈值，到达最大光强，脉冲的包络振 幅，由饱和光强和反射镜的透过率决定。
被动锁模在脉冲激光器中进行，输出的脉冲序列包络和被动Q 开关脉冲相似。 被动锁模的过程
(1)频谱：宽频谱－窄－宽 (2)光强：光的随机起伏－光有规律－形成一个脉冲。 (3)相位－由相位随机－相位固定。 特点： 优点：被动锁模的结构简单，不需要人为的控制。
在一周期2L/c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2L/c 。
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。
• 吸收光谱,荧光光谱
• 品质因素
FOM m r
掺钛蓝宝石晶体的吸收光谱
掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱
• 泵浦源
▫ 氩离子(Ar+)激光器 ▫ 倍频YAG激光器
• 锁模
▫ 自锁模原理,自聚焦效应与光阑 ▫ 色散补偿 ▫ 自锁模激光器的自启动
• 超短脉冲压缩技术
▫ 超短光脉冲传输过程 中的非线性效应
缺点：稳定性差。输出的强度不稳定。
• 被动锁模固体激光器的结构
▫ 为了消除标准具效应，应格光学元件表面切成布儒斯特角 ▫ 用于锁模的可饱和染料必须具备如下条件(a)染料的吸收诺
线与激光波长相匹配(b)其吸收线的线宽大于或等于激光线 宽。(c)其弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间 ▫ 泵浦功率以略高于激光阈值为宜
• 能产生非常稳定的超短脉冲的装置示意图
▫ 快速控制回路 ▫ 慢速控制回路
采用两种控制回路的同步泵浦染科激光器
自锁模
• 自锁模技术的发展
• 自锁模技术的优点
▫ 自锁模技术才有可能得到最窄脉冲 ▫ 噪声低,稳定性好
自锁模机理
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。
（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
的场增可加表，为当各模G>式电时场，之产和生。激各光模，之激间光的强相度位波无形规涨则落分形布式. ，腔内总电
▫ 介质中的色散效应
介质的色散 D 2 d 2n
d2
n(t) n n0 n2 I (t)
当n2的弛豫时间Tr远远比脉冲宽度τp快
n(t) n2 I (t)
(t) KLn(t) KLn2 I (t)
(t) 0 (t) (t)
(t)
t
(t)
t
[KLn2
I
(t)]
(t) 2 c(t) t t 2 [KLn2 I (t)]
• 染料激光器的被动锁模
▫ 被动锁模染料激光器的结构 ▫ 被动锁模染料激光器的工作原理 ▫ 与固体染料激光器的不同之处
用闪光灯泵浦的染料激光器的谐振腔结构
• 染料激光器腔内参数对锁模的影响
▫ 锁模的稳定区范围与吸收损耗和增益的大小成正 比。较大的吸收损耗产生较宽的稳定区，这时需 要提高泵浦功率。
第七章 锁模现象
被动锁模
固体激光器的被动锁模: 在腔内放一个装有机染料的染料盒，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。
时域的分析 频域的分析
•和Q开关的区别 ① 染料的激发态寿命不同 ② 染料盒紧靠全反镜
• 被动锁模的物理过程
•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。
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。
（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）。弱脉冲不能使染料 饱和－吸收的多－在I未达到Is，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）。