激光過程動力學概要PPT課件

1、第六章 激光過程動力學在第五章中，我們認為激光的產(chǎn)生是一個穩(wěn)態(tài)的過程；由于非穩(wěn)態(tài)泵浦、諧振腔的參數(shù)及激活介質(zhì)參數(shù)的可控或不可控的非穩(wěn)定性、激光器的多模運轉(zhuǎn)等可能導致激光器運轉(zhuǎn)呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)。激光器的穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)只不過是理想化達到狀態(tài)而已，穩(wěn)態(tài)理論只能在某種近似下描述特殊的激光器。第1頁/共75頁p激光振蕩的建立p脈沖激光器的尖峰振蕩效應p激光器調(diào)Q技術原理p激光器鎖模技術p激光器半經(jīng)典理論概述第六章 激光過程動力學為了對激光振蕩的基本原理有更深入和精確地描述，必須分析激光器的動力學過程。第2頁/共75頁p激光振蕩的建立分析將激光器泵浦接通并使激活介質(zhì)中的集居數(shù)密度反轉(zhuǎn)瞬間達到足夠大的數(shù)值時，激光器從自

2、發(fā)輻射噪聲到建立穩(wěn)態(tài)的相干激光振蕩所需的時間；激光振蕩建立的閾值區(qū)域從自發(fā)輻射熒光到激光的突變的過程。第3頁/共75頁p激光穩(wěn)態(tài)振蕩的建立在t=0時刻，激光器內(nèi)光子總數(shù)的速率方程：RRanBVdtd1( )maRtV Bn1RR表示激光器工作物質(zhì)中受激躍遷所引起的振蕩模光子數(shù)的瞬時相對增長速率表示腔損耗所導致的振蕩模光子數(shù)的瞬時相對衰減速率( )mRdtdt第4頁/共75頁p激光穩(wěn)態(tài)振蕩的建立腔內(nèi)光強正比于振蕩模光子數(shù) ：( )mRdtdt振蕩模光強的變化速率方程：( )( )mRdItI tdt第5頁/共75頁p激光穩(wěn)態(tài)振蕩的建立穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間 ： 腔內(nèi)光強從最初(t=0)的噪聲

3、信號 至達到穩(wěn)態(tài)振蕩值 所需的時間，記為：0IssIBT1。不計飽和相應的分析2?？紤]到飽和相應的更精確分析第6頁/共75頁1.不計飽和效應的穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間 由腔內(nèi)光強隨時間變化的速率方程激光器介質(zhì)中的光強較弱，不計介質(zhì)中的原子集居數(shù)密度反轉(zhuǎn)或增益的飽和相應，腔內(nèi)光強的增長速率近似為常數(shù)，記為： 得到，腔內(nèi)光強隨時間變化規(guī)律：( )( )mRdItI tdt0m00( )exp ()mRI tIt第7頁/共75頁1.不計飽和效應的穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間 為激光器的泵浦超閾度。腔內(nèi)光強隨時間變化規(guī)律：0/mRr00( )exp ()mRI tIt改寫為：)1exp()(0trIt

4、IR第8頁/共75頁1.不計飽和效應穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間 01exp()ssBRrIIT達到穩(wěn)態(tài)振蕩光強Iss所需的時間可以由下式近似求得：)ln(10IIrTssRB可見，穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間TB與激光器的泵浦超閾度r有關。即：穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立的過程示意圖第9頁/共75頁2.考慮飽和效應穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間0( )( )1mmstI tI腔內(nèi)振蕩模光強的增長速率可以表示為：( )( )mRdItI tdt代入腔內(nèi)光強隨時間變化的速率方程得到，腔內(nèi)光強隨時間變化規(guī)律：002()(/)mRmsdIII Idt第10頁/共75頁2.考慮飽和效應穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間激光器振蕩

5、模光強的未飽和凈增長速率飽和系數(shù)腔內(nèi)光強隨時間變化規(guī)律：2dIIIdt002()(/)mRmsdIII Idt0/msI0mR第11頁/共75頁2.考慮飽和效應穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間振蕩模的穩(wěn)態(tài)腔內(nèi)光強令 得到：2dIIIdt0dIdt0(1)RsssmII解方程得到) 1()(00rtssrtsseIIeIItI令( )ssI tKI腔內(nèi)光強達到穩(wěn)態(tài)值的K倍所需的時間為)1ln(100IIIKKTssBK第12頁/共75頁2.考慮飽和效應穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間這就意味著，由于飽和效應的存在腔內(nèi)光強要經(jīng)過很長時間才能達到其穩(wěn)態(tài)值。腔內(nèi)光強達到穩(wěn)態(tài)值的K倍所需的時間為)1ln(100II

6、IKKTssBK當 ，即 時， 。1KBKTssItI)(第13頁/共75頁2.考慮飽和效應穩(wěn)態(tài)激光振蕩建立所需的時間0001ln()ln()1ssssRBIIITIrI將 所需的時間視為激光振蕩建立所需的時間1( )2ssI tI) 1()(00rtssrtsseIIeIItI求解得到P352給出典型的氦氖激光器穩(wěn)態(tài)振蕩建立過程的實驗曲線第14頁/共75頁p激光振蕩的建立分析將激光器泵浦接通并使激活介質(zhì)中的集居數(shù)密度反轉(zhuǎn)瞬間達到足夠大的數(shù)值時，激光器從自發(fā)輻射噪聲到建立穩(wěn)態(tài)的相干激光振蕩所需的時間；激光振蕩建立的閾值區(qū)域從自發(fā)輻射熒光到激光的突變的過程。第15頁/共75頁 下面將對考慮到自發(fā)

7、輻射后激光器閾值區(qū)域的特性作進一步的分析。通過激光器振蕩模腔內(nèi)光子數(shù)對泵浦速率的變化說明激光器在閾值區(qū)域激光形成時從自發(fā)輻射熒光到激光的突變過程p激光振蕩的建立第16頁/共75頁采用如下的激光系統(tǒng)模型：單模均勻加寬激光器，二能級系統(tǒng)，腔內(nèi)光子總數(shù)為 ，上能級原子總數(shù)為N2（t），平均壽命為 ，能級衰減率為 ，并具有穩(wěn)定可調(diào)的泵浦速率 RP，原子離開下能級的弛豫速率很快，使得該能級的總原子數(shù) ，介質(zhì)中總的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)數(shù) ，諧振腔損耗所致 的衰減速率為 。該系統(tǒng)的速率方程可簡單表示成)(t222/10)(1tN)()(2tNtN)(tRNNBBdtNdNBdtdRPRR2) 1(p激光振蕩的建立21

8、/RradBAPPP為激光腔體和躍遷線寬內(nèi)的自發(fā)輻射總模數(shù)第17頁/共75頁令 ， 可求得速率方程的穩(wěn)態(tài)解0dtd0dtNd1.低于閾值時的穩(wěn)態(tài)解2.高于閾值時的穩(wěn)態(tài)解第18頁/共75頁1. 低于閾值時的穩(wěn)態(tài)解PrRBRNNNNBNsradPsRPsstsRRss2221111式中 表示不計自發(fā)輻射貢獻時激光器的閾值集居數(shù)反轉(zhuǎn)(/)RtRradRNPBtsNN第19頁/共75頁從以上兩式可看出：（1）當?shù)陀陂撝?，?時， 值通常很小約為零；tsNNs（2）當?shù)陀陂撝担灰?，式中飽和項可忽略， 就正比于泵浦速率RP，即PssN2PsRN 2221111ssRtsRsPsPradsRsNNNBN

9、RNRrBP第20頁/共75頁2.高于閾值時的穩(wěn)態(tài)解22(1)11PsradtsRssssRstRssRNNPrBNNNNBp激光振蕩的建立1s第21頁/共75頁由以上兩式可知：（1）高于閾值，即 時， （或精確地說是略低于 ）。（2）高于閾值，即 且 時，腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)總光子數(shù)可見， 值隨高于閾值的泵浦速率線性增大，并且與腔內(nèi)總的自發(fā)輻射模數(shù)P具有同一數(shù)量級，即約為 量級。1stsNNtN1rtsNN) 1()(2rPradss108101022(1)11PsradtsRssssRstRssRNNPrBNNNNB第22頁/共75頁3.閾值區(qū)域的精確結果為簡化計而假設 ，其結果為rad224) 1(

10、) 1(2PPrrrs第23頁/共75頁第24頁/共75頁單模激光器在閾值區(qū)域具有以下特點：1. 振蕩模的腔內(nèi)光子數(shù)突然大幅度提高并達到自發(fā)輻射總模數(shù)數(shù)量級。2. 激活介質(zhì)內(nèi)激光躍遷上、下能級間的原子集居數(shù)先隨泵浦強度線性增大，直至被限制于閾值水平。3. 光譜迅速變窄，使輸出信號的頻寬突然從寬帶的自發(fā)輻射頻寬壓縮到一個（或幾個）激光模的單色輻射。4. 輸出光束的空間方向性突然改善。5. 輸出光束統(tǒng)計特性的變化：從基本上是高斯無規(guī)則噪聲到相干振幅穩(wěn)定的振蕩?？傊?，在泵浦的閾值區(qū)域，激光器腔內(nèi)光場經(jīng)歷了從自發(fā)輻射熒光到相干激光振蕩的急劇變化第25頁/共75頁p脈沖激光器的尖峰振蕩效應“尖峰”現(xiàn)象利

11、用快速響應的光電檢測器和脈沖示波器，可以發(fā)現(xiàn)典型的脈沖紅寶石激光器自由振蕩的輸出脈沖是由一系列無規(guī)則尖峰組成的；四能級系統(tǒng)的激光器也存在類似的尖峰開啟特性。第26頁/共75頁p脈沖激光器的尖峰振蕩效應激光器剛開啟時所發(fā)生的不連續(xù)，尖銳的、大振幅脈沖為“尖峰”激光連續(xù)運轉(zhuǎn)時發(fā)生在穩(wěn)態(tài)振蕩附近的小振幅、準正弦阻尼振蕩為“弛豫振蕩”“尖峰”現(xiàn)象的初步描述第27頁/共75頁激光尖峰形成的物理過程的初步描述可以分以下幾個階段：泵浦開始工作，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度開始增加，但未到達閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)沒有光輸出，腔內(nèi)光子數(shù)目可以忽略；1t01tn在 時刻， 達到閾值，產(chǎn)生激光，光子數(shù)目急劇增大；同時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的增

12、加速率開始減小，但反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度仍在增加；2t1t第28頁/共75頁2t直到 時刻，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度飽和效應開始，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度開始衰減，但仍大于閾值，因此光子數(shù)目繼續(xù)增加；在 時刻， ，光子數(shù)目達到最大值；tnn3t3t2t由于 ，增益小于損耗，光子數(shù)目開始急劇減少； 繼續(xù)下降；在 時刻，受激輻射使 減小的速率等于激勵使 增加的速率；tnn 4tnnn43 tt第29頁/共75頁 開始增加，由于但未到達閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，光子數(shù)目仍在下降，在 時刻達到閾值。開始第二個尖峰。 n5t54tt缺點：1 增大輸入能量時，尖峰脈沖數(shù)目增加，不能有效地提高峰值功率水平2 激光輸出的時間特性很差。為得到高峰值

13、功率和較窄的單個脈沖，采用調(diào)Q技術第30頁/共75頁激光尖峰的相平面描述 分別以 及 為橫、縱坐標建立一坐標平面，激光器的狀態(tài)都可用該坐標平面上的某點來代表，通常稱該坐標平面為所給激光動力學系統(tǒng)的相平面，相平面上代表點的運動軌跡稱為相軌道，相軌道簇構成了所給系統(tǒng)的相圖。利用相圖可描述激光器尖峰特性。)(tN)(tNNBRNBNddRPRR2) 1(該式給出了 曲線，即相軌道通過相平面內(nèi)任一點的斜率。N第31頁/共75頁典型自由振蕩激光器的相軌道激光尖峰的相平面描述第32頁/共75頁1. 曲線最終將向著S點，即穩(wěn)態(tài)值 收斂。2. 相軌道從A點開始，它對應激光器泵浦開始之后第一次達到集居數(shù)反轉(zhuǎn)閾值

14、，即第一個尖峰振蕩開始時刻，此時的光子總數(shù)由自發(fā)輻射噪聲所決定。3. 隨著代表點沿相軌道從A經(jīng)過B移到C，腔內(nèi)光子數(shù)迅速增大，在C處達到最大值。4. E之后第二個尖峰開始，相圖中的每圈螺旋線都向著S點趨近，說明激光尖峰行為最終將衰減為穩(wěn)態(tài)值附近的馳豫振蕩。激光尖峰的相平面描述,ssN第33頁/共75頁弛豫振蕩的線性近似分析 對速率方程組作線性化的小信號微擾分析可給出激光器弛豫振蕩現(xiàn)象的近似解析解。速率方程的穩(wěn)態(tài)解為：RRtsRRsRPsBNNrBBNBR) 1(22第34頁/共75頁在弛豫振蕩的范圍內(nèi)，瞬態(tài)值偏離穩(wěn)態(tài)值不大，可將它們表示成)()()()(tNNtNttss式中微擾小量 ， 。s

15、t)(SNtN)(將該式代入速率方程組，并忽略二階小量，同時假設微擾小量 、 按 規(guī)律變化，最后可得弛豫振蕩的指數(shù)衰減速率和振蕩頻率為：)(t)(tNste) 1()2(222222, 1rrrSR弛豫振蕩的線性近似分析第35頁/共75頁據(jù)激光器參數(shù)的取值以上兩個根分別對應兩種不同情況。1.無尖峰激光器若 與 具有相同數(shù)量級，且 相當小，同時泵浦超閾度r不太大，則激光器參數(shù)滿足條件：2RR222)2() 1(rrR則2)1(2, 1rrrRS上式表明激光器呈現(xiàn)過阻尼而無振蕩的工作狀態(tài)，此時開啟激光器將觀察不到明顯的尖峰和弛豫振蕩現(xiàn)象。第36頁/共75頁2.強尖峰激光器若原子衰減常數(shù)遠小于諧振腔

16、的衰減常數(shù)，即R2可得：spapRirrirS22222, 1)2() 1(2可見，激光器弛豫振蕩阻尼衰減速率為 ，弛豫振蕩的角頻率為 ，因而輸出激光脈沖多呈現(xiàn)尖峰振蕩。spsp第37頁/共75頁p激光器調(diào)Q技術 自由振蕩情況下的尖峰振蕩效應會造成激光輸出峰值功率低、時間特性差的缺點。采用調(diào)Q技術獲得短而強的激光巨脈沖輸出。 “調(diào)Q”就是采用一定的技術和裝置來控制激光器諧振腔的Q值按照一定的程序和規(guī)律變化，從而達到改善激光脈沖的功率和時間特性的目的。 激光器調(diào)Q通過對諧振腔損耗的調(diào)制來實現(xiàn)。 Q開關：使光學諧振腔的Q值發(fā)生快速變化的裝置。第38頁/共75頁在泵浦開始激勵時，使光腔具有高損耗值，

17、高能級上的粒子積累到較高的水平，即：使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達到一定的值；在適當?shù)臅r刻，使腔的損耗突 然降低，閾值隨之突然下降， 此時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大大超過閾值，受激輻射迅速增加；在極短的時間內(nèi)，強的激光巨脈沖輸出。p激光器調(diào)Q技術原理第39頁/共75頁三能級系統(tǒng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和光子密度的速率方程：22112121)()1 ()(AnnggnBggWnndtndRPRRanBVdtd1調(diào)Q激光器脈沖的持續(xù)時間約為幾十納秒，在這樣短的時間內(nèi)自發(fā)輻射及泵浦激勵的影響忽略不計nBggdtndR)1 (12RRanBVdtd1調(diào)Q激光器的速率方程第40頁/共75頁根據(jù)激光器的閾值振蕩條件，可得到：RtNNdt

18、d) 1(RtNNggdtNd)1 (12消去時間變量t)1 ()1 (112NNggNddt調(diào)Q脈沖特性分析第41頁/共75頁)(12)()1 (11tNNttiiNdNNggd對該式積分：調(diào)Q脈沖特性分析iitiNNNtNNggt)ln)(11)(12積分結果：第42頁/共75頁當 時， 達到最大值 ，并忽略由自發(fā)產(chǎn)生的初始光子密度，得到：tNN0dtdmiggmNrrr)ln1()1 (112tggNrr)ln1(1112調(diào)Q脈沖特性分析脈沖峰值功率第43頁/共75頁)ln1(11/1200rrNgghhPtttmm從而輸出功率最大值為：即： 越大， 越大， 則 越大；要獲得高的峰值功率

19、應該設法提高 r 值rmmPiN影響 的因素：1 Q開關關閉時的 越高， 越大； Q開關打開時的 越低，則 越低，因此 越大；2 泵浦功率越高， 越大；3 相同泵源功率下，激光上能級壽命越長， 越大；rHtN/Hrr第44頁/共75頁調(diào)Q脈沖特性分析調(diào)Q脈沖能量設激光脈沖結束時集居數(shù)反轉(zhuǎn)為 在巨脈沖持續(xù)過程中激活介質(zhì)發(fā)射光子總數(shù)應為腔內(nèi)巨脈沖的能量為：輸出巨脈沖的能量為：fNifNN0()ifEhNN內(nèi)0()RifEhNNout內(nèi)E若激光器諧振腔的效率為：/Rt第45頁/共75頁調(diào)Q脈沖特性分析調(diào)Q脈沖能量輸出巨脈沖的能量為：0()RRifEhNN out內(nèi)E定義 表示Q開關打開前介質(zhì)內(nèi)的儲能

20、 表示激光器腔內(nèi)儲能的光能利用率0(1)fRiiRiNEhNEN out則，輸出巨脈沖的能量為：0iiEhN(1)fiiNENE內(nèi)第46頁/共75頁調(diào)Q脈沖特性分析調(diào)Q脈沖脈寬調(diào)Q脈沖的形成從時間上可以分成四個階段：1。儲能階段；2。脈沖上升階段；3。脈沖下降階段；4。脈沖熄滅階段。調(diào)Q脈沖脈寬為：12P 第47頁/共75頁調(diào)Q脈沖特性分析調(diào)Q脈沖脈寬通常將調(diào)Q脈沖脈寬近似表示成調(diào)Q脈沖的總能量除以峰值功率為：( )1 lnoutPRmErrPrr 第48頁/共75頁調(diào)Q技術關鍵 動態(tài)損耗：Q 開關處于關閉狀態(tài)時，諧振腔應具有最大的損耗，以保證Q 開關打開之前沒有激光產(chǎn)生； 插入損耗：Q 開關

21、處于打開狀態(tài)時，由開關本身引起的損耗應最 小，一般會引入反射及散射損耗； 開關時間，Q 開關應有優(yōu)異的開、關轉(zhuǎn)換性能，快的開關時間， 將產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關時間會使所存儲的能量在開關完全打開之間迅速衰竭； 同步性能， Q 開關應能夠精確地控制，與外界信號保持同步。第49頁/共75頁調(diào)Q激光器結構示意圖第50頁/共75頁 機械調(diào)機械調(diào)Q技術技術轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術主動式技術主動式Q開開關關 電光調(diào)電光調(diào)Q技術技術 主動式主動式Q開關開關 聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術技術 主動式主動式Q開關開關 染料調(diào)染料調(diào)Q技術技術 被動式被動式Q開關開關 能夠使諧振腔損耗發(fā)生突變的元件都能用作Q開關實現(xiàn)Q

22、開關的方法第51頁/共75頁轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器示意圖旋轉(zhuǎn)鏡面的角度，以改變Q值。當旋轉(zhuǎn)鏡面與諧振腔的另一端面平行時，Q 值最大，產(chǎn)生激光脈沖輸出。旋轉(zhuǎn)速度：每秒10,000 - 60,000 轉(zhuǎn)，相當與每秒166 - 1,000 個脈沖。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術原理第52頁/共75頁機械調(diào)Q技術適用于連續(xù)式激光器的調(diào)Q機械調(diào)Q技術的劣勢：較低的開關轉(zhuǎn)換率，即開關時間過長；機械調(diào)Q技術的優(yōu)勢：開關元件本身無損耗；開關關閉時可以達到的最大損耗；簡單的運行機制；較高的可靠性；機械調(diào)Q技術的優(yōu)缺點第53頁/共75頁利用晶體的電光效應實現(xiàn)Q的突變一般來講，電光調(diào)Q激光器的Q開關由起偏器和一個電光晶體組成：電光調(diào)Q技術第

23、54頁/共75頁Q開關開狀態(tài)：若在某一時刻突然撤去電光晶體兩端的電壓，此時，諧振腔的損耗很低，處于高Q狀態(tài)，形成巨脈沖；Q開關關狀態(tài)：激光器產(chǎn)生的激光，經(jīng)過起偏器后，變成線偏振光，若給電光晶體一適當電壓，分之一波電壓，則經(jīng)反射鏡反射回的偏振光將垂直偏振器的偏振方向，無法通過偏振器，此時，諧振腔的損耗很大，處于低Q狀態(tài)，激光器不振蕩；電光調(diào)Q技術原理第55頁/共75頁 有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（）有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（） 開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到秒秒，典型的，典型的Nd:YAGNd:YAG電光調(diào)電光調(diào)Q Q激光器的輸出光脈沖

24、寬激光器的輸出光脈沖寬度度約為約為 nsns，峰值功率達到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆，峰值功率達到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦瓦 適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術較高的插入適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術較高的插入損損耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器910電光調(diào)Q技術特點第56頁/共75頁聲光調(diào)Q技術原理圖聲光調(diào)Q技術利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)Q任務。在聲光器件工作時產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時，腔具 有很低的Q值，Q開關處于關狀態(tài)；在某一特定時間，撤去 超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質(zhì)， 此時Q開關處于 開狀態(tài)；聲光調(diào)Q技術原理第57頁/共75頁 有低的

25、動態(tài)損耗和低的插入損耗有低的動態(tài)損耗和低的插入損耗 同步性能好；開關速度較慢，開關時間在同步性能好；開關速度較慢，開關時間在ns以上以上 可以實現(xiàn)重復連續(xù)的激光脈沖輸出；可以實現(xiàn)重復連續(xù)的激光脈沖輸出；聲光調(diào)Q技術特點第58頁/共75頁利用有機材料對光的吸收系數(shù)會隨著光強變化的特性利用有機材料對光的吸收系數(shù)會隨著光強變化的特性來達到調(diào)來達到調(diào)Q的目的。的目的。染料調(diào)Q技術原理圖染料調(diào)Q技術原理第59頁/共75頁 有極高的動態(tài)損耗（有極高的動態(tài)損耗（）和插入損耗）和插入損耗 與外界信號無同步特性，屬被動調(diào)與外界信號無同步特性，屬被動調(diào)Q；染料調(diào)Q技術的特點第60頁/共75頁p激光器的鎖模技術調(diào)Q

26、技術是壓縮激光脈寬、提供峰值功率的有效方法，但是受到光子平均駐腔壽命的限，利用調(diào)Q技術只能獲得脈寬為毫微秒量級的激光脈沖；利用鎖模技術可以獲得皮秒和飛秒量級的激光脈沖。第61頁/共75頁p激光器的鎖模技術無鎖模激光器的輸出功率與頻率鎖模技術的基本原理第62頁/共75頁瞬時輸出功率是這些模式無規(guī)則的疊加，輸出功率隨時間無規(guī)則起伏。無鎖模激光器的輸出功率與時間p激光器的鎖模技術第63頁/共75頁 經(jīng)過特殊的調(diào)制技術，使各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有確定的相位關系，則激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖，這種技術稱為鎖模技術。p激光器的鎖模技術第64頁/共75頁qqqqqqztqiEztiE

27、tzE)(exp)(exp,0假設在某位置（z）處，第q個縱模的輸出光場：鎖模的基本原理通常情況下，激光器內(nèi)有多個縱模同時起振，各個模式的振幅、初始相位均無確定關系，它們之間是互不相干的。由于各縱模間是不相干，輸出平均光強可表示為諸模光強的簡單和qqII第65頁/共75頁假如各振蕩縱模的相位被鎖定，即振蕩模的頻率間隔保持一定，初始相位關系亦保持一定，那么激光器的輸出光強由于諸模相干疊加的結果將發(fā)生很大的變化。q個模式合成的電場強度為：qqqqNNqqztiEtzEtzE)(exp),(,2/ )1(2/ )1(設每個模式的振幅相等，得到各個縱模被鎖定時的合成光場振幅為： )(02/ )1(2/ )1()(000002sin2)(sintiNNqtqiettNEeEtE第66頁/共75頁當 時，峰值平均光強為：mt202maxINI合成光場的光強為：2sin2)(sin)(220ttNItI鎖模的基本原理第67頁/共75頁1.激光器在給定空間點處的光場為振幅受到調(diào)制的、頻率為 的單色正弦波。002maxINI2.當 時，為光強最大值：,.)2, 1 ,0(2mmt可見鎖模后的脈沖峰值光功率比未經(jīng)鎖模的提高了N倍?？v模鎖定激光器的輸出特性分析第68頁/共75頁3.兩個主脈沖之間的時間