47激光锁模技术-激光原理课件.ppt
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- 47 激光 技术 原理 课件
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1、 调调Q 技术:调技术:调Q激光脉宽激光脉宽百百ns-ns量级,量级,峰值功率峰值功率 W 锁模技术:锁模激光脉宽锁模技术:锁模激光脉宽ps或或fs量级,量级,峰值功率峰值功率 W6101210目的:目的:压缩脉冲宽度压缩脉冲宽度,高峰值功率高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级量级,如果再压缩脉宽如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力开关激光器已经无能为力,但但有很多实际应用需要更窄的脉冲有很多实际应用需要更窄的脉冲.(1964年后发展了锁模年后发展了锁模技术,可将脉冲压缩到技术,可将脉冲压缩到10-1110-14s(ps)量级量级)应用:应用:1
2、.激光测距,为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好。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。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命的测定、非线性光学的研究等需窄的脉宽(掺钛蓝宝石自掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列的超短光脉冲序列)。4.7 4.7 激光激光锁模技术锁模技术4.7.1 4.7.1 锁模原理锁
3、模原理一、多模激光器的输出特性一、多模激光器的输出特性 自由运转激光器的输出一自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模,般包含若干个超过阀值的纵模,如图所示。这些模的振幅及相如图所示。这些模的振幅及相位都不固定,激光输出随时间位都不固定,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。果,是一种时间平均的统计值。假设在激光工作物质的净假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有增益线宽内包含有N个纵模,个纵模,每个纵模输出的电场分量可用每个纵模输出的电场分量可用下式表示下式表示:)()(qqtiqqeEtEqtiqqqeEtE)()(那么激光器输
4、出的光波电场那么激光器输出的光波电场是是N个纵模电场的和,即个纵模电场的和,即)()(qqtiqqeEtEqtiqqqeEtE)()(Eq、q、q为第为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅Eq、初位、初位q均无确定关系均无确定关系,各个模式互不相干各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输输出强度随时间无规则起伏。出强度随时间无规则起伏。假设有三个光波,频率分别为假设有三个光波,频率分别为v1 v2 和和 v3,沿相同方向传播,并且有如下沿相同方向传播,并且有如下关系:关系:,在未锁定时,初
5、相彼此无关。,在未锁定时,初相彼此无关。032113123 ,2EEEEvvvv1v2v3v由于由于“相消相消”的干涉,形成的光波的干涉,形成的光波没有一个地方有突出的加强,输出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的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。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,即按关系即按关系 锁定,锁定,此时此时三个光波的方程为三个光波的方程为01qq)2cos()2cos()2cos(303202101tvEEtvEEtvEE202032193EEEEEEE当当
6、t=0时时0321EEEE当当 时时131vt 由于由于“相长相长”的干涉叠加,的干涉叠加,形成的光波就周期性地出现形成的光波就周期性地出现极大值。极大值。图图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模非锁模,(b)理想锁模理想锁模二、锁模的基本原理二、锁模的基本原理1.锁模基本概念锁模基本概念 锁模技术锁模技术让让谐振腔中可能存在的纵模谐振腔中可能存在的纵模同步同步振荡:让各模的频率间隔振荡:让各模的频率间隔保持保持相等相等并使各模的并使各模的初位相初位相保持为保持为常数常数。2.输出光强输出光强(1)(1)定义处于增益曲线中心频率的纵模定义处于增益曲
7、线中心频率的纵模 q0,设腔内参与振荡的模式,设腔内参与振荡的模式q=-N,-(N-1)0(N-1),N,共,共2N1个个Lcqq 12qcL22qcL00qqqq常数常数 它们的初位相始终相等它们的初位相始终相等,并有并有q=q-1=0。(2)(2)假设各模振幅相等假设各模振幅相等 ,光强相等光强相等 I Iq q=I=Iq-1 q-1=I=I0 00qEE激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。(2)(2)假设各模振幅相等假设各模振幅相等 ,光强相等光强相等 I Iq q=I=Iq-1 q-1=I=I0 00qEE则激光器输出的总光波场是
8、则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干的结果个纵模相干的结果.则第则第q个模式的电场强度为个模式的电场强度为)()(qqtiqqeEtE(2N+1)个模式合成之电场强度个模式合成之电场强度NNqqtqiEtE)(exp)(0Eq=E0,q=q-1=0 NNtitiqeeEtE0)()(0按指数形式展开,再用三角函数按指数形式展开,再用三角函数可得:可得:tiNNtitiqettNEeeEtE00)(21sin)12(21sin)()(00振幅随时振幅随时间而变化间而变化输出光强输出光强2202sin(21)2()sin2tNI tEt光强随时间光强随时间而变化而变化titiNNtitiqet
9、AettNEeeEtE000)()(21sin)12(21sin)()(00例例:下图为下图为(2N+1)=7时时I(t)随时间变化的示意图。随时间变化的示意图。T由上面分析可知,只要知道振幅由上面分析可知,只要知道振幅A(t)的变化规律,即可了解输出的变化规律,即可了解输出激光的持性。激光的持性。找出它的周期、极值点、找出它的周期、极值点、0点点。)(21sin)12(21sin)(0ttNEtAA(t)的变化规律:的变化规律:1.当分子为当分子为0,分母不为,分母不为0,则是,则是 A(t)的的0 点点:0)12(21sintN.3,2,1,0 ,)12(21mmtNLc 所以 t=0 ,
10、是 A(t)的0 点.1221LNc2221LNc2Lc2.分母为分母为0 的的 点点:021sint.3,2,1,0 ,21mmt2420,LLL ntccc3.3.因因A A(t t)的分子、分母同时为零,利用罗彼塔法则可求得此时的分子、分母同时为零,利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值的最大值,在两个在两个最大值之间有最大值之间有2N个极小值个极小值.002 max)12()(21sin)12(21sin)(limENttNEtAmtmax0(21)ANE三、锁模激光器工作特性三、锁模激光器工作特性2202)12()()(NEtAtI1.输出脉冲的峰值输出脉冲的峰值(最大光强最大光强
11、)注意:注意:如果各模式相位未被锁定如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之输出功率为各模功率之和和,即即I(2N+1)E02。由此可见。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长倍。腔长越长,荧光线宽越大荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率锁模脉冲的峰值功率就越大。就越大。2.周期周期 (T)相邻脉冲峰值间的时间间隔相邻脉冲峰值间的时间间隔 cLT2 激光器的输出是脉冲间隔激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。固定的规则脉冲序列。2L
12、/c 光在腔内往返一次的时间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等于在腔内只有一个脉冲在振荡锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数锁模的特点。一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和和t=2L/c时的极大值,称为主脉冲。在时的极大值,称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间,共有两个相邻主脉冲之间,共有2N个零点。所个零点。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲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。在腔内来回传播。3.脉冲的宽度脉冲的宽度()(光脉冲持续时间的一半光脉冲持续时间的一半)按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度,在这里可以按照
13、定义脉宽应是两半极大值之间的宽度,在这里可以近似近似用极大值用极大值和和0点之间的时间来表示。点之间的时间来表示。1221211NTcLNt所以所以t=0 为为极大值极大值 ,第一个第一个0点点:1221LtNcv1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)1221LNc21(21)21TNN脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于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因而可以认为脉冲宽度等于等于。上式中。上式中v为锁模激光的带宽为锁模激光的带宽,它显然不可能超过工作物质它显然不可能超过
14、工作物质的增益带宽的增益带宽,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其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度较大较大,在适当的条件下可得到脉冲宽度为在适当的条件下可得到脉冲宽度为1010-12-12s s量级的皮秒脉冲。量级的皮秒脉冲。特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达252535nm,35nm,其锁模脉冲宽度可达其锁模脉冲宽度可达1010-13-13s s。4.7.2 4.7.2 主动主动锁模锁模 在一般激光器中在一般激光器中,各纵模振荡互
15、不相关各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确定的关系。并且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到锁模超短脉冲,须采取措施须采取措施强制强制各纵模初位相保持确定关系各纵模初位相保持确定关系,并使相邻模频率间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。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、主动式锁模一、主动式锁模1、定义、定义 在腔内插入一个受外界信号控制的调制器,周期性改变振荡模式的某在腔内插入一个受外
16、界信号控制的调制器,周期性改变振荡模式的某个参量而实现锁模的方法个参量而实现锁模的方法图(4-31)锁模调制示意图2、振幅、振幅(损耗损耗)内调制锁模:声光锁模内调制锁模:声光锁模(1)概念概念使用声光调制器调制谐振腔损耗,损耗的调制频率为使用声光调制器调制谐振腔损耗,损耗的调制频率为vm=c/2L时时,损耗调制周期损耗调制周期为为Tm=2/=2L/c,可获重复频率也为,可获重复频率也为vm的激光脉冲系列的激光脉冲系列 设光信号在设光信号在t1时刻通过调制器时刻通过调制器,并且并且(t1)=0,则在则在(t1+Tm)时刻此信号将再次无时刻此信号将再次无损地通过调制器。对于损地通过调制器。对于t
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