第六激光锁模技术.pptx
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1、6.1 概述 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。)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).(钛宝石自锁模激光器中得到了小于5fs的超短光脉冲序列)。纠若欲丰租晨杂感郊砰捞汪修敖尸达由叉尾鹃笔郭睛联帝矣廉傣清车镇榜第
2、六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第1页/共68页 超短脉冲(纳秒以下的光脉冲ps-fs)技术是物理学、化学、生物学、光电子学,以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM),以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来,锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级,70年代,脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级,到80年代则出现了一次飞跃,即在理论和实践上都有一定的突破。1981年,美国贝尔实验室的等人提出碰撞锁模理论,并在六镜环形腔中实
3、现了碰撞锁模,得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后,获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现,在钛宝石(掺钛蓝宝石)自锁模激光器中得到了小于5fs的超短光脉冲序列。本节将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法,几种典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术。确牢梦桶臻望胳溺各伐鹤胯蒋单抄斜僚棘甥容鱼青喇穗咐埃他趣疫犊解岔第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第2页/共68页一、多模激光器的输出特性 6.2 锁模的基本理论 激光器的模式分为纵模和横模。锁模也分为锁纵模、锁横模、锁纵横模三种。本节介绍纵模锁定。为了更好地理解锁模的原理,先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特
4、性。腔长为L的激光器,其纵模的频率间隔为: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。激光增益曲线与谐振腔纵模的相互作用终棚门捶挥对奏讲侣谚措猛匣狐屑疾砷恬瑞碱戈童夕杯键引医贪钵渤串窿第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第3页/共68页 假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有2N+1个纵模,那么激光器输出的光波电场是2N+1个纵模电场的和,即式中,q0,1,2,N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q个纵模的序数;Eq是纵模序数为q的场强;q及q是纵模序数为q的模的角频率及相位。三大特
5、点:1.各纵模初相位彼此无确定关系,完全独立、随机的。2.频谱。由于存在频率牵引和推斥作用,各相邻纵模之间频率间隔并不严格相等。各纵模不相干。3.输出光强。输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随机的无规则起伏。过远滋芹雹趴部隋弓曙辆嚼舱嫌犀抬芥造额殿糠震文寸靠贮觅器手渡胎婿第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第4页/共68页若振幅相同港彭琐炳掉挛道拳蛤青麦捐嫡结槛伐慎房潘曲娜腥恋嗅襄镜壬涣宏双橇识第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第5页/共68页二、锁模的基本原理1.锁模的概念 使各纵模在时间上同步,频率间隔也保持一定,则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。2.锁模脉冲的特征 先
6、看三个不同频率光波的叠加:Ei=E0cos(2i t+i)i=1,2,3,设三个振动频率分别为1、2、3 的三个光波沿同一方向传播,且有关系式:3=31,2=21,E1=E 2=E3=E0 若相位未锁定,则此三个不同频率的光波的初位相 1、2、3 彼此无关,如左图,由于破坏性的干涉叠加,所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3 E02/2级基础上有一个小的起伏扰动。3 E02/2未锁相前三个光波的叠加纪准荔迫纂脸疚轻沥堤跺擎服地抒戳坤呕快叫斡综睹票姿纵勇妥痈登妄位第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第6页/共68页但若设法使 1=2=3=0时,有 E1=E0cos(2
7、1 t)E2=E0cos(41 t)E3=E0cos(61 t)当 t=0 时,E=3E0,E2=9E02;t=1/(31)时,E1=E0cos(2/3)=-E0/2,E2=E0cos(4/3)=-E0/2,E3=E0cos(2)=E0,三波叠加的结果是:E=E1+E 2+E3=0;同理可得,t=2/(31)时,E=0;t=1/1时,E=3E0 。这样就会出现一系列周期性的脉冲,见上图。当各光波振幅同时达到最大值处时,由于“相长性”的干涉作用,就周期性地出现了极大值(I=E2=9E02)。当然,对于谐振腔内存在多个纵模的情况,同样有类似的结果。酞慰占惠溯梯枉祈咙炔躺力机慨锁伍吴咋嵌贯妨追湿妖示
8、骤孔萍抒炳援骤第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第7页/共68页3 E02/2 如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步,即把它们的相位相互联系起来,使之有一确定的关系(q+1-q=常数),那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象;激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲,这就是说,该激光器各模的相位己按照q+1-q=常数的关系被锁定,这种激光器叫做锁模激光器,相应的技术称为“锁模技术”。银窑孜复亡澳虏莱雌妹帧砍递荔阜悉镜夸轨庄抽蓖遣淹拣友寿旭培岳戳跋第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第8页/共68页 要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲,只有采用锁模的方法,就是使各纵
9、模相邻频率间隔相等并固定为 ,并且相邻相位差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现的。-5 -101 5 N=5,2N+1=11式中,q为腔内振荡纵模的序数。下面分析激光输出与相位锁定的关系,为运算方便,设多模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅E0,超过阈值的纵模共有2N十1个,处在介质增益曲线中心的模,其角频率为0,初相位为0,其模序数q=0,即以中心模作为参考,各相邻模的相位差为,模频率间隔为,假定第q个振荡模为 激光输出频谱蝶胺厢纸谰怀昨腮续锹竟块酪氛愚叉我桔焚售幼戳稼盂阐疟屋凋欠押钠犁第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第9页/共68页激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果:河
10、了恰未胡玛叮领烧涅掉撰刻柄纹聪堵酬飞宝妇皂堵陶希腮油饶凭铂朱榴第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第10页/共68页则:堵盂污延佯爸位痕缮惕肮棉商孜喉蜜浇击于宣敲姚鹃税启徊琉婶臃准删虎第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第11页/共68页巳掖到情惠鼎缠荐屋迂泣脸瑞茬瓮颈椭蹋矩畔地整悍焕玛绝哩隋总墙桂绊第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第12页/共68页(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。妖褥辙鹊潘
11、晚职栅挝剁媳肉弯柜决称谣妆亡拳科郎挽榔荆疚赦侈亏驳凌亿第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第13页/共68页光场变为频率为0 的调幅波。振幅(t)是一随时间变化的周期函数,光强(t)正比(t),也是时间的函数,光强受到调制。按傅里叶分析,总光场由2N十1个纵模频率组成,因此激光输出脉冲是包括2N十1个纵模的光波。下图给出了7(N=3)个振荡模的输出光强曲线。由上面分析可知,只要知道振幅A(t)的变化情况,即可了解输出激光的持性。7个振荡模的输出光强纠征疯拣窑侥伟柱硷美刨伪挚许哑塑澎睬彝岗桃哨姐拥脂再谎茶氰竹窒咨第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第14页/共68页为讨论方便,假定=0,则上式分
12、子、分母均为周期函数,因此A(t)也是周期函数。只要得到它的周期、零点,即可以得到A(t)的变化规律。在t=0和t=2L/c时,A(t)取得极大值,因A(t)分子、分母同时为零,利用罗彼塔法则可求得此时振幅(2N+1)E0。由上式可求出A(t)的周期为 (令分母 等;因为=2=c/L,所以,),在一个周期内2N个零值点及2N+1个极值点。频率间隔=c/2L=c/2L倒数姐邀吃筹闰娶之压霖唁锚荆徒血帕识疟很喻慈抱着应仙这烂屎址倦闺厅己第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第15页/共68页(2)每个脉冲的宽度 可见增益线宽愈宽,愈可能得到窄的锁模脉宽。(t=to=0时,A(t)有极大值,而上式分子
13、(1/2)(2N+1)wt1=时,A(t)=0,令 t=t1-t0 并近似为半峰值宽,则有)0,t1在t=L/c时,A(t)取得极小值E0,当N为偶数时,A(t)=E0,N为奇数时,A(t)=-E0。除了t=0,L/c及2L/c点之外,A(t)具有2N-1次极大值。由于光强正比于A2(t),所以在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,并有2N-1个次极大值,称为次脉冲。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。(1)激光器的输出是间隔为=2L/c的规则脉冲序列。通过分析可知以下性质:概渺页狙虑松代掂呐讹占歉袱哗丝抬吴费讫奇荐臃纫辞手豢形
14、仅蟹秋曰询第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第16页/共68页(4)多模(0+qq)激光器相位锁定的结果,实现了q+1-q=常数,导致输出一个峰值功率高,脉冲宽度窄的序列脉冲。因此多纵模激光器锁模后,各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的功率应看成是所有振荡模提供的。(3)输出脉冲的峰值功率正比于 ,因此,由于锁模,峰值功率增大了2N+1倍。q=-N注意:藤巳挖匆焉蘑懒梳阵垃蹦汉净汤垮绚叉宁厌圣络媚挚乃泅预忆蠢角蔡躁氮第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第17页/共68页1.主动锁模:主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。三、实现锁模的主要方法2.被动锁模:腔内插入饱和吸收体。3.自
15、锁模:当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布,并有确定的初相位关系,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。4.同步泵浦锁模:如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模,则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。韧者修逊该驶吁唬喂拖须堵刹噬瘸多扰蜗筐慎策邢差率搐溯陛混钾陛着龋第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第18页/共68页6.3 主动锁模原理 主动锁模是在激光腔内插入一个调制器,调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔,这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。根据调制的原理,可分为相位调制(P
16、M)(或频率调制FM)锁模及振幅调制(AM或称为损耗调制)锁模。糊枷富虐雌蔓蓖阅其积瓷踢誉测胺辜谦嘶贞挡共靴蠕诵偷陀疲田狠却柜恶第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第19页/共68页利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模。设在某时刻t1通过调制器光信号受到的损耗为(t1),则在脉冲往返一周时,这个光信号将受到同样的损耗,如(t1)0,则这部分信号就会消失。而在损耗(t1)0时刻通过调制器的光,那么将形成脉宽很窄,周期为2L/c的脉冲序列输出。一、振幅调制锁模(AM)式中,Am,分别为调制信号的振幅和角频率。调制信号为零值时腔内的损耗最小,而在调制信号为正负最大时腔内的损耗均为最大值;所以损耗
17、变化的频率为调制信号频率的两倍,损耗率 设调制信号b(t)式中,为调制器的平均损耗;为损耗变化的幅度;m 为腔内损耗变化的角频率,其频率等于纵模频率间隔q,调制器的透过率 庚饰挫慎深怜纵检痰甲男数贷冯玄辙碴户饵冀块按腑熊欢躁长陪结刊锐窜第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第20页/共68页b(t)式中,To为平均透过率;T为透过率变化的幅度。并且 +T=1假定调制前腔内的光场为:调制器放入腔内,未加调制信号时,调制器的损耗 为常数,它表示调制器的吸收、散射、反射等损耗。透过率 T=T +T =-雨吵慷涉英峰盟吸嫡觅帛脾褐臀劝艘誓忌臂功潜莹央阁云唉拘奇辅诊冒垫第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术
18、第21页/共68页受到调制以后,腔内的光场则变为:式中,Ac=EcT0,为光波场的振幅;,为调制器的调制系数。为保证无失真调制,应取m1。b(t)嫁搏盗找忌磅何诽津瞥钝栋姓耕势乔碑尾酮椭峦网眠洛游蜜蛆氢闽蛔谍吟第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第22页/共68页左图所示为时域内损耗调制锁模原理波形图。图(a)为调制信号的波形;图(b)为腔内损耗的波形,其频率为调制信号频率的两倍;图(c)为调制器透过率波形;亿噎威透怠歪臃石惩渤喳歇匹祟携廖阮搀辛蚌头秘铬懈弓棉赃磅翔凄荐聋第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第23页/共68页图(d)为腔内未调制的光波电场;图(e)为腔内经过调制后的光波电场;图
19、(f)为锁模激光器输出的光脉冲。聘钵峨界茂拎碌舆故青赎弃斜偿峡蕊幸胞宴成湘堕咐乐阴榴肩魂双湖碳织第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第24页/共68页上式说明:一个频率为c的光波,经过外加频率为(1/2)m的调制信号调制后,其频谱包括了三个频率,即c,上边频(c+m),下边频(c m),而且这三个频率的光波的相位均相同。由此可见,损耗是以频率fm=m/2q(频率间隔)变化的,因此,第q个振荡模里会出现其他模的振荡。损耗调制的结果把各个纵模联系起来了,其锁模过程如下:下面从频率域讨论锁模原理。现将展开得:炮寅给盐警峪入屯涡敷隅摩狗哄猫滔微岗峦均产冒颐鄂娟勾穿混稠帖诗坠第六,激光锁模技术第六,激光
20、锁模技术第25页/共68页由调制激发的边频实际上是与0相邻的两个纵模频率,这样使得与它相邻的两个纵模开始振荡,它们具有确定的振幅和与0相同的相位关系。假设处于增益曲线中心的纵模频率为0,由于它的增益最大,首先开始振荡,电场表达式为:当该光波通过腔内的调制器时,受到损耗调制,调制的结果产生了两个边频分量0m。当损耗变化的频率m和腔内纵模的频率间隔相等时,E(t)=E0cos0t所以:及僚敦片昂捣绪毫否裁戒研苦腿霓吻机值屯缸礁吸瞅宦喷锐约魏柳滋耶攘腻第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第26页/共68页随后,1和-1通过增益介质被放大,并通过调制器得到调制,调制的结果又激发新的边频2=1+c/2L
21、和-2=-1-c/2L 及3=2+c/2L和-3=-2-c/2L等等。此过程继续进行,直到落在激光线宽内的所有纵模被激发为止,如图所示。损耗调制时纵模耦合过程示意图竹证蠕饰豹镇烈磕予滨凝丰想勉滩扇侣陨垦吊溉恨贾耐澄厚价更屎侯郭务第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第27页/共68页 相位调制是在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,便有不同的相位延迟,这就是相位调制的原理。下面以铌酸理(LN)晶体相位调制器为例予以说明。式中,n0为寻常光折射率;ne为非常光折射率;13和33为电光系数;Ez为在z方向施加的电场,设光沿y方向传播,
22、沿z方向施加调制信号电压,即采用横向运用方式,则晶体的折射率二、相位调制锁模乱困塞琢僧栓陀敬箕确蚤达跌维杭矢势冯妒噎悯赴援宫豫鸥揭这乐蔗格蠢第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第28页/共68页 式中,d为z方向晶体的长度;V0为外加电压振幅;m为调制角频率。如果晶体在y方向的长度为l,则光波通过晶体后产生的相位延迟为(设电矢量与Z轴平行)由于频率的变化是相位变化对时间的微分,故 檬览街别滴廷弃轧塑傅吻原孪控帽蛰象饰迢侠走瘩削低竖子婶签幕荫诽钧第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第29页/共68页右图表示了晶体折射率的变化n(t)、光波相位延迟(t)及频率变化情况。相位调制器的作用可理解为一种
23、频移,使光波的频率发生向大(或小)的方向移动。脉冲每经过调制器一次,就发生一次频移,最后移到增益曲线之外。类似于损耗调制器,这部分光波就从腔内消失掉。只有那些与相位变化的极值点(极大或极小)相对应的时刻,通过调制器的光信号,其频率不发生移动,才能在腔内保存下来,不断得到放大,从而形成周期为2L/c的脉冲序列。相位调制锁模原理图弄膏簧洪音弗姬皆决赵睹蚌蛔稚摈涤疆坚怂范说替视纤站眉澎媳辰库嘛网第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第30页/共68页由右图可知,每个周期内存在两个频率不变点,这增加了锁模脉冲位置的相位不稳定性。由于两种可能情况间相位差为,故又称为1800自发相位开关。锁模激光器在不采取
24、必要措施时,其输出脉冲可从一列自发跳变为另一列。同样,可从频率持性来进行分析。假设未调制的光场为E(t)=Accosct 经过相位调制后的光场则变为相位调制锁模原理图梧贪芜阴蹄寅使圭醒缅琉坝江桥蚕勿瞄座眼撕沦穷震念草愈浸啮拾熊蔡训第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第31页/共68页上式表示的频谱与调幅振荡的频谱相同,系由载频c与两个边频(c m)组成。如果调制信号的角频率m与相邻纵模的频率间隔相同,由于相位变化的频率也为m,因而,最终结果与振幅调制相同。当调制系数m 比较大时,闸迈桓员训侯撼切乳缴软南酣竭啸浮蚊喻口祁啼船提赏凭凹登拳柠沙愿娟第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第32页/共68
25、页式中,Jn(m)是n阶第一类贝塞尔函数。由此可知,调频振荡的频谱系由无限多个包含有qnfm(n0,1,2,3,)频率成分的边频组成,而且这些边频光都具有相同的频率间隔和相位,且与中心纵模一致,当它们将相应的纵模激发起来并耦合时,就可达到锁模的目的,得到周期为1/fm2L/c的超短脉冲输出。昂馋监础感条四巫榴聪摈衣午廊致蕴嚼刺孺遏发曹算镰阀桅刁唯裤墩烩彬第六,激光锁模技术第六,激光锁模技术第33页/共68页 (1)主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q器件更加严格,后端面的反射必须控制在最小,否则由于标准具效应会减少纵横个数,破坏锁模的效果。(2)调制器应放在腔内尽量靠近反射镜处,以便
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