激光技术第三章2015

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1、激光技术-第五讲主动锁模锁模基本原理第七章超短脉冲技术被动锁模同步泵浦锁模锁模新技术与进展10ps激光与35ns调Q激光加工质量的比较20ps激光对半导体逻辑器件的加工100fs激光对熔融石英和不锈钢的加工100fs激光对聚甲基丙烯酸甲酯的加工FemtosecondStroboscopy第一节锁模基本原理超短脉冲激光的脉宽在ps到fs量级，通过锁模技术产生，是对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，并在激光加工领域有重要应用。7.1.1多模激光器的输出特性先讨论未经锁模的多纵模自由运转激光器

2、的输出特性。对腔长为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阈值的纵模，由于模式竞争和环境的扰动，这些模的振幅及相位都不固定，它们无规则叠加的结果，使得激光输出功率随时间变化，输出功率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+1个纵模，激光器输出的光波电场是N+1个纵模电场的和。在一般情况下，由于环境的扰动和激光器自身的噪声，这N+1个纵模的相位q之间是无关的，各纵模之间不相干。某一瞬时的输出光强为：接收到的光强是在一段比激光周期大得多的时间内平

3、均值，其平均光强为：结论：平均光强是各个纵模光强之和。7.1.2锁模的基本原理采用适当的措施，使相邻纵模的相位差为，纵模频率间隔固定。设超过阈值的纵模数为2N+1，为运算方便，设所有振荡模的振幅均为E0，处在增益曲线中心的纵模的角频率为0，初位相为0，模序数为0。第q个振荡模的电场可表示为纵模间隔激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果2N+1个纵模锁相以后，总的光场变为频率为0的调幅波。振幅是一随时间变化的周期函数，光强I(t)正比于A2(t)，光强也受到了调制。为讨论方便，假定=0（对

4、比物理光学中的多缝衍射）A(t)为周期函数，从周期、极值、零点的角度讨论其变化规律：①A(t)的周期为2L/c，在一个周期内有2N个零值点，以及2N+1个极值点；②在t=0和t=2L/c时，A(t)取得极大值，振幅为(2N+1)E0;③A2(t)在一个周期内有2N-1个次级大，各极大值之间的间隔相等。作业：用MATLAB画出A(t)和A2(t)，取N=3，E0=1，L=100mm。两个主脉冲的间隔恰好是一个光脉冲在腔内往返一周的时间，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。主脉冲次脉冲

5、多个纵模锁模的结果，出现了下列有意义的现象：①激光器的输出是间隔为=2L/c的规则脉冲序列；②每个脉冲的宽度即近似等于振荡线宽的倒数；增益线宽越宽，可能得到的锁模脉宽越窄；③输出脉冲的峰值功率正比于E02(2N+1)2，而自由运转的激光器的平均功率正比于E02(2N+1)；④多模激光器相位锁定后，输出一个峰值功率高、脉冲宽度窄的脉冲序列，各振荡模发生功率耦合而不再独立，每个脉冲的功率应看成是所有振荡模提供的。主脉冲次脉冲7.1.3锁模的方法除了锁纵模以外，还可以锁横模，或纵横模同时锁定。其中锁纵模

6、是主流，本章主要讨论以下几种锁模方式主动锁模周期性调制谐振腔的参量，当振幅（或相位）调制频率与纵模间隔相等时，所有的模达到同步，形成锁模系列脉冲。被动锁模由于可饱和吸收体的非线性吸收特性，强度最大的激光脉冲经受最小的损耗，从而得到很强的锁模脉冲。自锁模利用激活介质本身的非线性效应，保持确定的纵模间隔和初位相关系，实现纵模锁定。同步泵浦锁模通过周期性调制谐振腔的增益来实现锁模。第二节主动锁模主动锁模是在腔内插入一个调制器，使振幅（或相位）调制频率应精确的等于纵模间隔。7.2.1振幅调制锁模利用声光或

7、电光调制器均可实现振幅调制锁模，形成损耗调制的频率为c/2L，调制周期正好是光脉冲在腔内来回一周的时间。将调制器放在腔的一端。①设在某时刻t1通过调制器的光信号受到的损耗为(t1)，在脉冲往返一周时，该信号受到同样的调制，若损耗大于腔内的增益，这部分光波最终消失。②在损耗(t1)=0时刻通过调制器的光，每次都能无损耗的通过，不断得到放大。③如果腔内的损耗及增益控制得当，将形成脉宽很窄、周期为2L/c的脉冲序列输出。以最简单的正弦调制为例，从频率特性来讨论振幅调制的基本原理。设调制信号为调制信号为

8、零时，腔内损耗最小，而调制信号等于正负最大时，腔内损耗均为最大值。所以损耗变化的频率为调制信号频率的两倍，损耗率调制器的透过率未加调制信号时，调制器的损耗未加调制信号时，调制器的透过率调制前腔内的光场为受到调制后的光场为对上式展开载频上边频下边频三个频率的光的相位均相同。锁模过程如下：处于增益谱线中心的纵模角频率为0，其增益最高，首先开始振荡调制的结果产生了两个边频分量0±m，当损耗调制频率与纵模间隔相等时由调制激发的边频即为与0相邻的两个纵模频率，且与0具