2022-2023学年高二物理竞赛课件：被动锁模

被动锁模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。（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）。ⅱ）从时间域看，脉冲的宽度变窄，对脉冲的前后沿有压缩，当驰豫时间即染料的上能级≤脉宽时，脉冲的前后沿吸收也不同。ⅲ）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