3.2 主动锁模.ppt

3.2主动锁模主动锁模在自由运转的激光器中加入调制器,光波的振幅或相位受到调制，利用调制方法可以进行锁模。振幅调制（AM）强度调制损耗调制易实现。声光、电光。相位调制（FM）输出脉宽窄，实现难（电光）加小孔栏的目的，选出单一基横模纵模锁定。,结构示意图如下,在a(t)变化的一周期中，分析一下腔内损耗变化的情况。a(t)=0输出光最大,损耗最小a(t)=Am输出光最小,损耗最大a(t)=0输出光最大,损耗最小a(t)=Am输出光最小,损耗最大因此，损耗变化的频率为调制频率的2倍，损耗变化率为损耗率透过率式中平均损耗率,损耗变化的幅值,平均透过率,透过率变化的振幅。,3.2.1振幅调制设在调制器上加一交变信号a(t)。,式中：振幅的平均值，调制系数振幅变化幅值。,调制前：调制器的吸收散射，反射等损耗设加调制器前光波电场为（即光波在进入调制器前）所以光波的电场变为,光波受到振幅调制的频谱。光波的频率与其边频之间的相位差为0。这几个频率的光波被锁定。同样，当的光波被调制时,又激发边频它们之间的相位差为0，又被固定。依次类推，如果这些模是激光器中的纵模,则被锁定。,当此光波通过腔内的调制器时受到调制,调制的结果产生了两个边频分量注意：腔内损耗变化的角频率，是调制信号角频率的两倍。当损耗变化的频率和腔内纵模的频率间隔相等调制信号的频率则调制激发的边频实际上是相邻的两个纵模频率，这样中心频率调制的结果，使与它相邻的两个纵模振荡。,锁模过程：假设处于增益曲线中心的频率为，由于它的增益最大，首先开始振荡,通过激光介质被放大，当它们通过调制器时，这两个模又受到调制，调制的结果又激发了新的边频,这个过程继续下去，直到在激光线宽内所有纵模振荡为止,振幅调制锁模的特点：调制器的信号频率为，损耗变化的频率为调制的结果，使各纵模之间的相位固定输出的光波的间隔为的脉冲序列，具有锁模激光器的输出特性。,3.2.2相位调制只能利用电光相位调制。使光波的相位按调制信号的规律变化。选用的晶体KDP纵向运用LN横向运用。以LN横向运用为例说明：在LN晶体中，沿z向加电场时，晶体的折射率变为调制系数：,如果晶体上加调制信号为：则光波通过晶体以后的附加相位变化为：l：x方向通光晶体的长度可见附加相位按调制信号的规律变化，光波的相位受到调制。相位变化总相位变化频率变化对微分得到：,设光波场为：调制后的光波电场：式中相位调制系数：（时域）可见：调制信号，附加相位，频率变化的频率相同。,时相位调制的特点调制信号的频率和相邻纵模频率的间隔相同。相位调制的结果，使各纵模相位固定。满足锁模条件输出的光波是间隔为的脉冲序列，具有锁模激光器特性。脉冲位置不稳定必须采取一定的措施。,3.2.3主动锁模激光器的结构及设计要点锁模激光器实现的难度比调Q激光器大，结构、元件要求更严格。1）标准具效应标准具是由一平行的不镀膜的平板构成，由于光束的多次反射，使标准具的透过率是频率的函数。当把标准具放入谐振腔内，选纵模的结果是使腔内的纵模数减少，同时一般标准具的透射线宽比介质的增益线宽小的多，标准具改变了谐振腔的带宽，并引起一定相位漂移。,由于脉冲的峰值功率，脉宽都和纵模个数有直接关系。（2N1）即模多P（2N1）即模多腔内存在标准效应时，使输出脉冲的峰值功率下降，脉宽增加。在锁模激光器中严格避免标准具效应。造成标准具效应的因素在谐振腔中任何平行于腔反射镜的光学表面之间形成标准具。,消除的办法对腔内各光学元件，除了两端面反射镜之外，都不能做成平面和入射光束垂直。一般切成布儒斯特角或切成斜角均可。如果平面和入射光垂直，这时平面镀增透膜。两反射镜作成楔形的，可以防止末端元件的反射而进入腔内。,2）调制器的位置及尺寸调制器应放在腔内尽量靠近全反射镜的地方。这样可以得到最大的纵模之间的耦合效果。调制器离反射镜越远，锁模的效果越差调制器的尺寸越短，锁模效果越好。3）锁模调制器的频率必须严格调谐到,3.2.4无失谐时的锁模脉宽及稳频系统锁模脉宽FM调制AM调制,失谐问题调制器的频率必须严格符合下面条件：振幅调制频率：，即损耗变化频率相位调制频率：只有满足上述条件，才能使腔内纵模产生最大的耦合。1）失谐：不满足上述条件即或时称失谐2）失谐的原因：调制器的频率不稳定调制器频率变化，实际中采用稳定度很高的调制器。腔长L受温度、振动等影响变化。变，振荡器一般稳定度10-510-6。当两者之一有变化，产生失谐，主要由L变化引起。,设式中纵模角频率间隔调制角频率纵模角频率与调制角频率之差，的大小反映失谐的程度。当理想的锁模状态。正失谐负失谐以相位调制器为例，实验测得的失谐曲线如下,3）失谐对激光器输出特性的影响失谐对激光输出功率及频谱的影响失谐对输出脉冲宽度的影响4）锁模与峰值相位延迟的关系,稳定锁模的方法：为了减少失谐的程度，必须采取一定措施，稳定腔长不变。a.提高泵涌电源的稳定度(如要求电流的稳定度在5以上)b.加强对泵浦灯及工作物质的冷却，保证冷却水的流量均匀、稳定.c.设计热稳定胺，尽员采用线膨胀系数小的段钢或石英来作文承反射镜的底座，并采用恒温措施.d.减少外界振动及冲击的影响，采用隔震设备.e.采用电子反馈线路，以随时补偿失谐.,自动补偿系统工作模式一工作模式二,3.3被动锁模3.3.1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开关的区别染料的激发态寿命不同染料盒紧靠全反镜,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。（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，随着的增加，当G时，产生激光，激光强度波形涨落形式，腔内总电场可表为各模式电场之和。各模之间的相位无规则分布.,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。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）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12个（频谱窄）。）从时间域看，脉冲的宽度变窄，对脉冲的前后沿有压缩，当驰豫时间即染料的上能级脉宽时，脉冲的前后沿吸收也不同。）从频谱加宽频谱脉冲经过染料，激光介质时，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。,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。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,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。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,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