c4.7激光锁模技术课件.ppt

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1、§4.4激光调制技术§4.3激光束的变换§4.1激光器输出的选模1§4.5激光偏转技术第四章激光的基本技术§4.6激光调Q技术§4.2激光器的稳频§4.7激光锁模技术一、目的压缩脉冲宽度，提高峰值功率。Q开关激光器一般脉宽达10-7s～10-9s量级，峰值功率为千兆瓦，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。如激光高速摄影，对一些超快过程的研究。锁模技术则可产生出10-12～10-15秒量级的超短光脉冲，峰值功率达到T瓦量级。§4.7激光锁模技术首先回顾一下自由运转多模激光器的输出特性非均匀

2、增宽激光器通常包含有多个纵模，纵模频率为假设每个纵模的电场表示为则自由运转多模激光器总的输出为由于自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相干叠加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即输出光强随时间无规则起伏。4.7.1锁模原理4.7.1锁模原理核心思想：锁模技术让谐振腔中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。设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设

3、相邻模式的角频率之差，则如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0（或初相位之差恒定，称为同步），则振幅随时间变化4.7.1锁模原理图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。图4-30锁模光强脉冲当时，m=0，1，2……光强最大锁模后脉冲峰值功率比未锁模时I∝(2N+1)E02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。4.7.1锁模原理图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。图4-30锁模光强脉冲当时，m=0，1

4、，2……光强最大相邻脉冲峰值间的时间间隔脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为锁模激光器的线宽可见锁模脉冲的周期T等于光在腔内来回往返一次所需的时间。因此，我们可以把锁模激光器的工作过程形象地看作有一个脉冲在腔内往返运动，每当此脉冲行进到输出反射镜时，便有一个锁模脉冲输出。式中Δν为锁模激光的线宽，它显然不可能超过工作物质的增益线宽，这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器增益线宽较小，其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器增益线宽较大，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

5、钕玻璃激光器的增益线宽达25~35nm，其锁模脉冲宽度可达10-13s。脉冲宽度4.7.1锁模原理图4-30锁模光强脉冲脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于τ。实现锁模的方法主动锁模被动锁模自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。在自由运转的激光器谐振腔中加入受外界信号控制的调制器，对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫作主动锁模。1.振幅

6、调制（损耗内调制锁模）4.7.2主动锁模如图(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)锁模调制示意图此，调制器的损耗，损耗的周期为，所以，以后这束光波每次通过调制器时损耗相同。若损耗大于增益，这部分光波终将消失，而在损耗等于零时通过的光每次都能无损耗的通过，会不断被放大，满足阈值条件形成振荡，如果腔内损耗和增益控制得当，最终将形成脉宽很窄，周期为T的脉冲序列输出。锁模过程的理解（时域）：由于损耗变化的周期正好是光波在腔内来回一次需要的时间2L/c，当把调

7、制器放到腔的一端时，假设一束光波通过调制器时损耗为，当它第二次通过调制器时经历了2L/c的时间，因损耗内调制锁模图(4-31)锁模调制示意图从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：图(4-32)中心频率及两边频调制后腔内传播的不仅为原有的频率，还包括频率为的两个边频。这两个边带频率与中心频率的间隔恰好等于激光器的纵模间隔。即在激光器中，一旦形成的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图（4－32）。由于边带与中心频率的振荡同相位，所以使得新激发起来的纵模与中心频率的

8、振荡也同相位。损耗内调制锁模损耗内调制锁模这两个边带(纵模)通过调制器的作用，还将继续激发起另外相邻的两个边带(纵模)…。这样继续下去，可将多模激光器的所有纵模都激发成有相同相位的纵模振荡。由于各纵模的相位锁定，输出光能量相干叠加，从而形成超短脉冲。图(4-32)中心频率及两边频在非均匀加