激光技术4.7激光锁模技术

1、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).(掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列)。,4.7 激光锁模技术,4.7.1 锁模原理,一、多模激光器的输出

2、特性,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。,假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:,那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即,Eq、q、q为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅Eq、初位q均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。,假设有三个光波，频率分别为v1 v2 和 v3，沿相同方向传播，并且有如下关系： ，在未锁定时，初相彼此无关。,由于“破坏性”的干涉

3、叠加，形成的光波没有一个地方有突出的加强，输出的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。,如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如1 =2 =3， 即按关系 锁定， 此时三个光波的方程为,由于“建设性”的干涉叠加，形成的光波就周期性地出现极大值。,当t=0时,当 时,图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构, (a) 非锁模,（b)理想锁模,二、锁模的基本原理,锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。,1.定义处于增益曲线中心频率的纵模 q0，因此在腔内参与振荡的模式个数共2N1个,常

4、数,它们的初位相始终相等,并有q=q-1=0。,2. 假设各模振幅相等 ,光强相等 Iq = Iq-1 = I0,则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干的结果.,则第q个模式的电场强度为,(2N+1)个模式合成之电场强度,Eq=E0, q=q-1=0 ,按指数形式展开，再用三角函数可得：,振幅随时间而变化,输出光强,光强随时间而变化,下图为(2N+1)=7时I(t)随时间变化的示意图。,T,由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输出激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。 .,* 讨论的问题,A(t)的变化规律：,1.当分子为0，分母不为0 ，则是 A(t)的0 点:,所以

5、 t=0 , , , 是 A(t)的0 点.,2. 分母为0 的 点:,3.因A(t)的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值,* 结论,1.输出脉冲的峰值(最大光强),注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之和,即I(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。,2.周期 (T),相邻脉冲峰值间的时间间隔,激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。 2L/c 光在腔内往返一次的时间,等于在腔内只有一个脉冲在振荡锁模的特点。一

6、个脉冲中包含锁定的纵模数,图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9),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。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。,3.脉冲的宽度 (),按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值和0点之间的时间来表示。,所以,t=0 为极大值 , 第一个0点:,在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出 的脉宽最小为2L/c，而锁模激光器脉宽，比它窄 2N1倍。被锁定的纵模数越多(2N1) ,脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于,因而可以认为脉冲宽度等于。上式中v为锁模激光的带宽,它显然不

7、可能超过工作物质的增益带宽,这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱线宽度较小,其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度较大,在适当的条件下可得到脉冲宽度为10-12s量级的皮秒脉冲。特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达2535nm,其锁模脉冲宽度可达10-13s。,4.7.2 主动锁模,在一般激光器中,各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确定的关系。并且,由于频率牵引和频率推斥效应,相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到锁模超短脉冲,须采取措施强制各纵模初位相保持确定关系,并使相邻模频率间隔相等。目前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类。,一、主动锁模 主动锁模又可分为振幅调

8、制锁模和相位调制锁模。,1. 损耗内调制锁模,如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调制周期为 ，调制频率 (恰为纵模频率间隔),图(4-31) 锁模调制示意图,由于损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需的时间T0 ,因而调制器的损耗(t)是一周期为T0 的函数,设光信号在t1时刻通过调制器,并且(t1)=0,则在(t1+T0)时刻此信号将再次无损地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而言,若(t2)0,则每次经过调制器时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信号能形成振荡,而光信号的其余部分因损耗大而被抑制,因此形成周期为2

9、L/c的窄脉冲输出。,从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。,上图中损耗调制器M为一电光调制器或声光调制器,加以适当的调制电压,使腔的损耗发生角频率为的周期性变化(=2vm)。由于损耗的改变,每个模式的振幅也发生周期性变化。如果激光器中增益曲线中心频率 处的纵模首先振荡,其电场强度为,式中M=Em/E0 称调幅系数,它的大小决定于调制信号的大小。将上式展开得,可见,调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有角频率v0的成分,还含有角频率为(v0vm),初位相不变的两个边带,其频谱如下图所示。因调制频率vm正好等于相邻两纵模模频率。这就是说,在激光器中,一旦在增益曲线的某个角频率v0 形成振荡,将

10、同时激起两个相邻模式的振荡。并且,这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新的边频,因而激起角频率为(v02vm)模式的振荡,如此继续下去,直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止。,图(4-32) 中心频v0vm率及两边频,2. 相位内调制锁模,如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的目的。设光振幅不变，位相以频率 变化，即,位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。,4.7.3被动锁模,被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的“盒”即可,染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；第三，其驰豫

11、时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动调Q激光器了。,信息（2004）： 中科院上海光学精密机械研究所在其建所40周年之际宣布：上海小型化超短超强激光功率成功突破100太瓦（1太瓦1012瓦）大关，输出峰值功率达到120太瓦/36飞秒，这标志着上海在这一领域已进入了国际同类研究的前沿，目前，国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100太瓦。 在1000万亿分之36秒（3610-15秒）的超短瞬间，上海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。,超短超强激光所能提供极端物理条件，自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。上海光机所在实验室用人工手段获得这一极端条件，为物理学、材料学、生命科学等众多学科的研究打开了一扇“具有美丽风景的窗户”。 超短超强激光及其相关技术有望使细胞手术成为可能，不久的将来，医生也许只要