第七章激光短脉冲和limin

第七章、激光超短脉冲和稳频技术激光调Q技术激光锁模技术光脉冲压缩技术超短光脉冲的测量技术激光稳频技术1、激光调Q技术调Q技术的关键是把激光能量压缩在宽度极窄的脉冲中发射，它可以使激光光源的单色亮度提高几个数量级调Q技术实现了高峰值功率窄脉宽的激光巨脉冲输出它使激光强光光学现象研究得以发展，同时推动了激光测距、激光雷达、激光加工等应用的发展一般固体脉冲激光器的输出特性在毫秒量级泵光激励下产生弛豫振荡弛豫振荡现象，是由于腔内泵浦造成的粒子反转数的增加和激光振荡造成的粒子反转数减少，交替占有优势造成的。如果在泵浦开始时阻止激光振荡，在上能级积累了大量粒子时，突然建立激光振荡，在一个很短的时间内将泵浦到上能级的粒子充分利用，就可能获得一个峰值功率非常高的巨脉冲输出tI激光荧光腔内损耗一般包括5种=1+2+3+4+5其中1为反射镜损耗，2为吸收损耗；3为衍射损耗；4为散射损耗；5为输出损耗用不同技术控制不同损耗就形成了不同的调Q技术。本章主要讨论应用广泛的电光调Q、声光调Q和可饱和染料吸收调Q，最后简单介绍其他调Q技术。激光器Q值的定义Q=20腔内储存的激光能量每秒损耗的激光能量激光调Q技术的基本理论

用一个简单二能级系统作为基础模型进行分析。如图p为泵浦速率；12=21=i

为每个粒子的受激跃迁几率；为自发辐射几率。

n1+n2=N为工作粒子数密度

n2-n1=n为粒子反转数密度 表示腔内光子数密度，由此可得E2E1p1221sdn2/dt=n1p+n1i-n2i-n2s

=n1p-n2s-ni同理可得dn1/dt=-n1p+n2s+ni两式相减得dn/dt=2n1p-2n2s-2ni腔内光子密度随时间的变化d/dt=-n1i

+n2i

+n2s’-式中第三项代表自发辐射产生的沿光轴方向的光子密度，可以忽略，得到连立微分方程组dn/dt=2(n1p-n2s-ni)d/dt=(n

i-){nt3t2t1t1t2t3tt00下面两个图分别给出了损耗在t1时刻突然下降后，n和的变化情况。结果显示了一个巨脉冲输出。电光晶体调Q起偏器检偏器电光晶体工作原理是，在开始泵浦时，电光晶体加/2电压，检偏器和起偏器同向放置，沿轴向传播的光不能通过，所以腔内损耗很大。在泵浦一段时间后，突然撤掉电光晶体的半波电压，腔内损耗突然下降，达到调Q目的，激光振荡迅速建立并加强，获得调Q巨脉冲输出。单检偏器Q开关起偏器检偏器电光晶体电光晶体/4电压，偏振器与晶体x’和y’轴成45º角，通过晶体后成为圆偏振光，经全反镜反射后再通过晶体，沿x’和y’振动的光的相位差了，光束不能通过。在t1时刻撤掉晶体电压，就可以实现调Q，获得巨脉冲输出双折射偏离法电光Q开关双折射晶体电光晶体光束经过双折射晶体，分为o光和e光，电光晶体不加电压时，经反射镜反射，偏振方向不变，再经过双折射晶体，按原路返回，合成非偏振光。在电光晶体加/4电压后，返回光偏振面转90º，出射光偏离激光介质，不能形成激光振荡。全反镜激光介质双45º电光Q开关电光Q开关开启时的光路及光束偏振方向示意图zyx非均匀介质反射 n1sin

1=n2sin

2LN中 no=2.233 ne=2.154反射后

=45º-42º54'=2º6'1

2双45º电光晶体加半波电压后，光路和光束偏振方向示意图zyx非均匀介质反射n1sin1=n2sin2 LN中 no=2.233ne=2.154 反射后=45º-42º54'=2º6’ =47º12'''12单45º晶体电光Q开关YAG.zyxV=Vz电光Q开关镀增透膜@1064nm

波前畸变<λ/4@633nm

光损伤阈值＞700MW/cm2

尺寸φ(35~39)×55mm

Q开关主要参数

四分之一波电压4000-4200V@1064nm有效孔径10mm消光比大于3000:1磷酸二氢钾（KH2PO4，简称KDP）和磷酸二氘钾(KD2PO4，简称DKDP)晶体用于电光调制和频率转换。声光调Q利用声光介质中超声场产生衍射使损耗增加,不能形成激光振荡当粒子反转数积累达到饱和时，突然撤掉超声场，激光振荡迅速建立，获得巨脉冲输出声光调Q器件声光调制器通常包括换能器声光介质吸声介质驱动器可饱和吸收体调Q利用有机染料的可饱和吸收特性Q开关的时间特性由染料浓度决定由二能级系统可得对频率为的激光的受激吸收几率染料二能级结构染料三能级结构推导可得()=——hCB12()———————————s+[B12()+B21()]ue-ptp100T%u(mw/cm2)上式中：u为激光辐射能量密度P=[B12()+B21()]u+s染料调Q激光器及其特性染料吸收峰应与激光输出波长吻合染料应有适当的饱和光强值染料配成溶液后应有较长的保存期影响染料调Q输出特性的因素染料浓度的影响输入能量的影响染料盒的影响谐振腔输出镜反射率的影响YAG染料紫外滤光片反射镜YAG染料反射镜染料盒增益开关通过对泵浦的调制实现短脉冲输出光脉冲泵浦也是增益开关在第二个张弛振荡开始前结束泵浦一般用于半导体激光器阈值载流子浓度载流子浓度光子密度2、激光锁模技术

根据实现锁模的方式的不同，可分为:主动锁模被动锁模自锁模锁模技术是用来产生激光超短脉冲的技术锁模技术所产生的激光超短脉冲已经达到飞秒量级锁模激光器发射的是一个具有固定周期的脉冲列超短光脉冲在受控核聚变、遥测、通信，以及物理、化学、生物等很多领域中都有广泛应用多模激光器的输出特性一般情况下多模激光器形成振荡的各模式之间相位是无关的，频率间隔为C/2nL激光输出是无规的光脉冲光强t光强当我们测量激光的输出功率时，接收到的光强是所有满足域值条件振荡的纵模光强的叠加：结果显示，此种情况相当于多个模式毫无关联的振荡，输出平均光强则是各个纵模光强之和假如振荡的各模式之间存在一定的相位关系，情况会怎样呢？相位相关的作用多模激光器模式锁定特性如图设3个波1、2、32=21

3=31且三个波振幅相等设t=0时三个波相位相同得到的将是一列周期脉冲IEtt对于腔长为L的平行平面腔，忽略非线性色散效应2

q=2C/2L=C/L总场强E(t)=E0cos[(0+q)t+q]E0为各模式统一光强，为相邻模式之间的相位差。设腔内共有2N+1个模式E(t)=A(t)cos0t最后可得E(t)=E0cos0tsin[1/2(2N+1)(qt+)]/sin[1/2(qt+)]光强I=E02[sin2(N’qt)/2]/[sin2(qt)/2]-NN锁模脉冲的产生It2L/C锁模激光器输出一个以2L/C为周期的系列脉冲可产生的最小脉冲宽度 tmin=(2L/C)•(1/N’)=1/ftI=E02[sin2(N’

qt)/2]/[sin2(

qt)/2]峰值功率正比于E02(2N+1)2，比连续输出的功率高(2N+1)倍。锁模脉冲主动锁模原理在激光谐振腔内加入一个调制器对谐振腔内部损耗进行调制令调制频率等于C/2L00+0-域值主动锁模激光器举例调制器激光介质起偏器移相器放大器探测器调制器可采用电光或声光调制提高谐振腔参数的稳定性用反馈系统对调制信号的误差进行补偿同步泵浦锁模激光器泵浦激光染料凹面反射镜准直镜干涉滤光片输出镜2L/C泵浦光源为锁模激光器调整激光器腔长令2L/C等于泵浦激光的脉冲周期被动锁模原理tttttt工作物质染料被动锁模激光器举例工作物质染料高反镜凹面工作物质对撞锁模激光器YAG半反镜全反镜全反镜非谐振环染料光脉冲半反镜将光脉冲分成相反方向前进的两个光脉冲两个强度相同的光脉冲在染料中对撞对撞锁模原理abce饱和吸收光强脉冲自锁模原理自锁模主要应用于钛宝石锁模激光器。利用Kerr效应，激光晶体在强光作用下折射率随光强变化产生自聚焦，

nE2再通过泵浦光聚焦产生中心小范围高增益区，这一过程对越强的光脉冲增益越高。过程相当于进行自相位调制，最后将选出锁模脉冲列。Kerreffect将在电场作用下介质折射率的变化做展开

n(E)=n+a1E+1/2a2E2+······式中第一项为无电场作用时的折射率第二项与电场强度的一次方成正比，为线性电光效应（Pockelseffect)第三项与电场强度的平方成正比，这就是Kerr效应，它的特点是仅与电场强度有关，而与电场方向无关增益区泵浦光强分布KERR效应导致的折射率分布激光介质Kerr效应产生自聚焦进而实现自锁模轴对称渐变分布折射率导致自聚焦软光栏效应Ti：Sapphire自锁模激光器3、激光脉冲压缩技术压缩光脉冲主要是补偿光脉冲的啁啾现象1、利用色散光栅对压缩光脉冲。同理也可使用棱镜对抵消啁啾，压缩光脉冲。啁啾光脉冲的放大和补偿1.Prismpair2.GratingPairMakeacomb-Dealwithdispersion,e.g.upchirpedincompressedout2、压缩光脉冲利用啁啾光纤光栅3、色散补偿光纤压缩光脉冲负色散光纤啁啾光栅跟锁模技术直接相关的诺贝尔奖CombStabilizationPhase-lockedLoopPhase-lockedLoopMFSbasedCombOFSbasedCombScottDiddams

检查分子的指纹4、激光超短脉冲的测量技术1、双光子荧光法1.06m双光子550nm荧光无辐射跃迁E3E2E1若丹明6G丙酮溶液双光子荧光能级半反镜全反镜全反镜染料双光子荧光法测量的结果，是与脉冲宽度相关的。但并不一定相等。由于脉冲形状的不同，需要乘以不同的系数；矩形脉冲 1/2洛仑兹形 1高斯形双曲正割形 0.652、自相关法测量超短脉冲倍频晶体滤光片探测器二次谐波法测量装置示意图双曲正割形脉冲测量结果须乘以系数0.65一般结果一般须将理论值与实际测量结果比较，以证明脉冲形状与假设吻合。5、激光稳频技术兰姆凹陷稳频技术域值G

0

0增益曲线烧孔效应兰姆凹陷I兰姆凹陷稳频原理I0选频放大器相敏检波器振荡器直流放大器压电陶瓷光电探测兰姆凹陷稳频原理图兰姆凹陷稳频装置图赛曼效应稳频G0原谱线右旋光左旋光塞曼效应在激光传输方向加一纵向磁场，光谱线将发生赛曼分裂；沿磁场方向观察，一条谱线将对称地分为频率为0+

的左旋园偏振光和频率为

0-的右旋园偏振光；二者强度相等且总强度等于原谱线强度。赛曼效应吸收稳频调协放大器相敏检波器矩形波发生器直流放大器压电陶瓷