調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件

短脈沖技術(shù)

調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是應人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應用需求而發(fā)展起來的。兩種方式機理不同，壓縮的程度也不同。調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級（峰值功率達106W以上）。鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒或飛秒量級（峰值功率可達到1012W)短脈沖技術(shù)調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是應人們對高峰值功1

調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)?，F(xiàn)在，欲獲得峰值功率在兆瓦級(106w)以上，脈寬為納秒級(10-9s)的激光脈沖已并不困難。第七章激光技術(shù)7.1調(diào)Q技術(shù)7.1.1調(diào)Q的基本理論一.脈沖固體激光器的輸出的馳豫振蕩將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的。調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要2如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為0.1～1μs，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時間相等。圖(b)所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩。產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續(xù)抽運，上能級粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為0.1～1μs，間隔為數(shù)3當超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加。E1E2泵浦使激光器達到閾值，產(chǎn)生激光反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少至低于閾值激光熄滅特點(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的個數(shù)，不能增加峰值功率(1)峰值功率不高，只在閾值附近原因:激光器的閾值始終保持不變當超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復上述過程，直到泵4二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q儲存在腔內(nèi)的總能量（E）單位時間內(nèi)損耗的能量（P）諧振腔的損耗越小，Q值越高定義：Q的普遍定義三、調(diào)Ｑ的基本原理

通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q儲存在腔內(nèi)的總能量（E）單位時間內(nèi)損耗5既然激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級積累大量的粒子，可以設法通過改變（增加）激光器的閾值來實現(xiàn)，就是當激光器開始泵浦初期，設法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。

泵浦時令腔損耗很大(Q很小),突然減小損耗(增大Q),使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時間內(nèi)完成受激輻射,形成光脈沖。改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法。從“激光原理”得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為式中，g是模式數(shù)目，A21自發(fā)輻射幾率，τc是光子在腔內(nèi)的壽命，既然激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的6而所以

Q值稱為品質(zhì)因數(shù)，它定義為:

Q=2πν0×

(腔內(nèi)存儲的能量/每秒損耗的能量）τc是腔內(nèi)能量衰減到初始能量的1/e所經(jīng)歷的時間Q值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的Q值(或損耗δ)來實現(xiàn)。而所以Q值稱為品質(zhì)因數(shù)，它定義為:τc是腔內(nèi)能量衰減7(1)由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上，集中在一個極短的時間內(nèi)釋放出來，因此，要求工作物質(zhì)必須能在強泵浦下工作，即抗損傷閾值要高；其次，要求工作物質(zhì)必須有較長的壽命,若激光工作物質(zhì)的上能級壽命為τ2，則上能級上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n2/τ

2，這樣，當泵浦速率（要大）為Wp時，在達到平衡情況下，應滿足：則上能級達到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)取決于

n2=Wpτ2為了能使激光工作物質(zhì)的上能級積累盡可能多的粒子，則要求Wpτ2值應大一些，但τ2也不宜太大，否則會影響能量的釋放速度。實現(xiàn)調(diào)Q對激光器的基本要求(2)光泵的泵浦速度必須快于激光上能級的自發(fā)輻射速率，即光泵的發(fā)光時間(波形的半寬度)必須小于激光介質(zhì)的上能級壽命。(3)諧振腔的Q值改變要快（最好是突變），一般應與諧振腔建立激光振蕩的時間相比擬。(1)由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲在8四、調(diào)Q激光器的兩種儲能方式調(diào)Q激光器工作物質(zhì)儲能諧振腔儲能1.工作物質(zhì)儲能調(diào)Q脈沖反射式調(diào)Q，簡稱PRM法（PulseReflectionModel)。將能量以激活離子的形式儲存在工作物質(zhì)中。能量儲存的時間，取決激光上能級的壽命。（1）工作過程調(diào)Q激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，如圖所示。圖(a)表示泵浦速率Wp隨時間的變化；圖(b)表示腔的Q值是時間的階躍函數(shù)(藍虛線)；圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)△n的變化；圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)Φ隨時間的變化。Q時間光子數(shù)密度粒子反轉(zhuǎn)數(shù)諧振腔損耗泵浦速率四、調(diào)Q激光器的兩種儲能方式調(diào)Q激光器工作物質(zhì)儲能諧振腔儲能9在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直至t0時刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到最大值△ni，在這一時刻，Q值突然升高(損耗下降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此△ni>>△nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射增強非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。Q時間光子數(shù)密度粒子反轉(zhuǎn)數(shù)諧振腔損耗泵浦速率在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，故閾值10調(diào)Q脈沖的建立有個過程，當Q值階躍上升時開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數(shù)Φ增長十分緩慢，如圖所示，其值始終很小(Φ≈Φi)，受激輻射幾率很小，此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。tfΦiΦD從開始振蕩到脈沖形成的過程只有振蕩持續(xù)到t＝tD時，增長到了ΦD，雪崩過程才形成，Φ才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發(fā)輻射而占優(yōu)勢。調(diào)Q脈沖的建立有個過程，當Q值階躍上升時開始振11因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間△t(也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時間)。光子數(shù)的迅速增長，使△ni迅速減少，到t=tp時刻，△ni=

△nt，光子數(shù)達到最大值Φm之后，由△n＜△nt，則Φ迅速減少，此時△n=△nf[見圖]，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。可見，調(diào)Q脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(△ni=

△nt)的時刻。ΦiΦD（2）工作物質(zhì)儲能調(diào)Q的特點巨脈沖的寬度一般為10~20ns；輸出方式為便形成激光振蕩邊輸出，輸出光脈沖的形狀與腔內(nèi)光強的變化狀態(tài)一致；激光振蕩終止時，工作物質(zhì)的出能沒有被全部取出。因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時122.諧振腔儲能調(diào)Q脈沖透射式調(diào)Q，簡稱PTM法（PulseTransmissionModel)。將能量以光子的形式儲存在諧振腔中，當腔內(nèi)光子數(shù)密度達到最大值時，瞬間將腔內(nèi)能量全部輸出，因而也稱為腔倒空法。(1)工作過程諧振腔儲能調(diào)QV=0：損耗大，Q值低，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)得到積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達最大Q值突增，激光振蕩迅速建立，當工作物質(zhì)儲能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)光子能量時，撤去晶體上電壓，則腔內(nèi)存儲的最大光能量瞬間透過P2。（2）諧振腔儲能調(diào)Q的特點當工作物質(zhì)的儲能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)能量時，瞬間將腔倒空；巨脈沖寬度更窄，峰值功率更高；調(diào)Q脈沖的能量利用率更高。2.諧振腔儲能調(diào)Q脈沖透射式調(diào)Q，簡稱PTM法（P13綜上所述，諧振腔的Q值與損耗δ成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的δ值，就可以使Q值發(fā)生相應的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調(diào)Q技術(shù)。有機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染料調(diào)Q技術(shù)等。調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q值隨時間按一定程序變化的技術(shù)?；蛘哒f使腔的損耗隨時間按一定程序變化的技術(shù)。E1E2綜上所述，諧振腔的Q值與損耗δ成反比，如果按14

調(diào)Q脈沖的形成過程以及各種參量對激光脈沖的影響，可以采用速率方程來進行分析，它是描述腔內(nèi)振蕩光子數(shù)和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨時間變化規(guī)律的方程組。根據(jù)這些規(guī)律，又可推導出調(diào)Q脈沖的峰值功率、脈沖寬度等和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系。7.1.2調(diào)Q激光器的速率方程一、速率方程三方面簡化：（1）Q開關(guān)函數(shù)是理想的階躍函數(shù)（2）能級結(jié)構(gòu)為二能級系統(tǒng)，Q開關(guān)打開前，忽略自發(fā)輻射，打開后光泵停止。（3）只研究Q值階躍后的脈沖形成過程。工作物質(zhì)的受激輻射過程中，腔內(nèi)光子數(shù)密度隨距離的增長率為腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時間的增長率為調(diào)Q脈沖的形成過程以及各種參量對激光脈沖的影響15若δ為Q值階躍后的單程損耗率，t1為光在腔內(nèi)傳播一個單程所需要的時間（t1=nL/c)，則腔內(nèi)光子數(shù)密度φ隨時間的衰減率為于是腔內(nèi)光子數(shù)密度的總變化率為兩側(cè)同乘諧振腔的體積V，則得腔內(nèi)總光子數(shù)Φ的變化率在增益等于損耗的閾值條件下得閾值增益系數(shù)因增益正比于工作物質(zhì)上、下能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N若δ為Q值階躍后的單程損耗率，t1為光在腔內(nèi)傳播一個單程所需16設在dτ時間內(nèi)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N的變化量dN，考慮到由于受激躍遷而產(chǎn)生的光子數(shù)變化率應為；此外，對于簡化的二能級系統(tǒng)，每產(chǎn)生一個光子，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N相應的減少兩個，故有上兩式為調(diào)Q脈沖激光器的速率方程二、速率方程的解1.腔內(nèi)光子數(shù)上兩式相除，得積分，得式中，為腔內(nèi)初始光子數(shù)，為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，設在dτ時間內(nèi)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N的變化量dN，考慮到由于受激躍遷17當時，腔內(nèi)光子數(shù)達到其最大值在附近做級數(shù)展開，可得2.峰值功率當腔內(nèi)光子數(shù)達到最大值時，輸出的巨脈沖功率也達到其最大值，即為輸出鏡單位時間內(nèi)光能量的衰減率。設輸出鏡透過率為T,腔長為L，光在腔內(nèi)的運動速度為v,可得3.輸出能量E當時，腔內(nèi)光子數(shù)達到其最大值在184.單脈沖能量利用率定義為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Ni和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Nf之差與Ni的比值其意義為一個調(diào)Q脈沖可以從工作物質(zhì)的儲能中提取多大比率的能量。設脈沖終止時工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為Nf，此時為提高調(diào)Q器件單脈沖的能量利用率，器件應該有大的Ni和低的Nf。要達到Ni/Nf>3以上，這樣才能保證器件有較高的工作效率。4.單脈沖能量利用率定義為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Ni和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)19Ni

/NtNi/Nt20下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問題5．調(diào)Q脈沖的時間特性積分上式可用數(shù)值積分的方法求出t的數(shù)值解脈沖寬度定義為半功率點的寬度下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問題5．調(diào)Q脈沖的時間特性21利用某些晶體的電光效應可以做成電光Q開關(guān)器件。電光調(diào)Q具有開關(guān)時間短，效率高，調(diào)Q時刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄（10~20ns)，峰值功率高(幾十兆瓦以上）等優(yōu)點。7.1.3電光調(diào)Q下圖所示是電光晶體調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭—付克棱鏡，調(diào)制晶體用KD*P(磷酸二氘鉀)晶體，它是z-00切割的(使通光面與z軸垂直)，利用其γ63的縱向電光效應。將調(diào)制晶體兩端的環(huán)狀電極與調(diào)Q電源相接。一、帶偏振器的Pockels電光調(diào)Q器件1.激光器的結(jié)構(gòu)利用某些晶體的電光效應可以做成電光Q開關(guān)器件22全反鏡

電光晶體偏振片

聚光腔輸出鏡鍍?nèi)慈玖虾休敵鲧R調(diào)Ｑ模塊染料調(diào)Ｑ激光器聚光腔電光調(diào)Ｑ激光器全反鏡電光晶體偏振片聚光腔輸出鏡鍍?nèi)慈玖虾休敵鲧R調(diào)Ｑ模23如果在調(diào)制晶體上施加λ／4電壓，由于縱向電光效應，當沿x方向的線偏振光通過晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生π／2的相位差，則從晶體出射后合成為相當于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調(diào)制晶體，又會產(chǎn)生π／2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生π相位差，合成后得到沿y方向振動的線偏振光，相當于偏振面相對于入射光旋轉(zhuǎn)了900，顯然，這種偏振光不能再通過偏振棱鏡，此時，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開始點燃時，事先在調(diào)制晶體上加上λ／4電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉”的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。2.工作原理如果在調(diào)制晶體上施加λ／4電壓，由于縱向電光24待激光上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時，突然撤去晶體上的λ／4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個巨脈沖。由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開關(guān)“打開”的延遲時間，即從氙燈點燃開始延遲一段時間，當工作物質(zhì)上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達到最大時，立即“打開”開關(guān)的效果最好。如果Q開關(guān)打開早了，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達到最大時就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時過長，即Q開關(guān)打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會影響巨脈沖的功率。待激光上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時，突然撤去晶體上的λ25二、單塊雙450電光調(diào)Q器件(了解）這是一種可省去偏振器的Q開關(guān)。圖所示是這種Q開關(guān)激光器的示意圖。LiNbO3(鈮酸鋰)晶體加工成具有兩個450斜面的矩形長方體，光軸(z軸)沿長方體的軸向，電壓沿x軸方向加到晶體上。這樣既不影響通光，而且電場又很均勻。由圖可見，這種結(jié)構(gòu)勿需插入偏振器，可減少腔的插入損耗，所以這是一種結(jié)構(gòu)簡單的比較理想的電光Q開關(guān)。下面分析單決雙450電光Q開關(guān)的工作原理。YAG

激光全反鏡輸出鏡LN氙燈4545zyx二、單塊雙450電光調(diào)Q器件(了解）YAG激光全反鏡輸出鏡26故o光反射后沿晶體的光軸方向傳播。但對e光卻不同了，反射前振動方向沿z軸，反射后近似沿z向傳播，其振動方向雖然仍平行于主截面，但卻由z向變?yōu)閥向，其折射率變?yōu)閚e’(≈n0)，故e光反射前后如圖2.3-4所示，一束無規(guī)偏光沿y軸方向入射晶體后，分解為垂直于主截面沿x向振動的o光和平行于主截面沿向振動的e光。根據(jù)雙折射的性質(zhì)，兩光的傳播方向一致，不分開，但是n0＞ne由于反射斜面與光軸z成450角，兩束線偏振光將在450反射面上全反射，o光服從均勻介質(zhì)的反射定律，其反射角等于入射角(450)，1.未加電壓（Vx=0)的情況故o光反射后沿晶體的光軸方向傳播。但對e光卻不同了，反射前振27相當于在不同折射率的介質(zhì)中傳播，可根據(jù)各向異性介質(zhì)的反射公式求出e光的反射角θ’1，nesin450＝ne’sinθ’1≈n0sinθ’1，對LN晶體，當光波長為1.06μm時，n0＝2.233，ne＝2.154，代入該式，θ’1＝42054’，它比o光的反射角小，二者之間的夾角為△θ(206’)。當兩束光經(jīng)第二個450反射后，o光仍以450反射，故出射光o’與入射光平行，e光的折射率由反射前的n’e(≈n0)變?yōu)閚e，其反射角θ”1又變?yōu)?50，故e光的反射光束e’也平行于入射光方向。出射的o’和e’兩束光之間的距離近似為δ=ltgΔθ(其中l(wèi)為晶體光軸方向的幾何長度)，由于δ值很小，兩束光幾乎重疊在一起。Eδ=EC=ED≈

ltgΔθ有誤相當于在不同折射率的介質(zhì)中傳播，可根據(jù)各向異性介質(zhì)的反射公式282.加電壓（Vx=Vλ/2)的情況如圖2．3—5所示，晶體沿x軸向加壓后，入射光在晶體的AB段中，偏振光(nx≈no)的傳播情況與Vx=0時的情況基本相同。晶體上加電壓前后的差別在于沿光軸的BC段。而變成了o’光，它們到達第二個450反射面被反射時則會出現(xiàn)兩個光相互分開的現(xiàn)象（見圖）。因而經(jīng)全反鏡反射后偏離諧振腔。當晶體上加有Vx=Vλ/2時，BC段晶體相當于一個半波片，o光在這段距離中的傳播，其偏振面旋轉(zhuǎn)了900，即原來的o光變成了e’光，同樣e光在這段距離中傳播，偏振面也旋轉(zhuǎn)9002.加電壓（Vx=Vλ/2)的情況而變成了o’光，它們到達29就是說，當在晶體上加有半被電壓Vx=Vλ/2時，通過晶體后的o光和e光都偏離原來入射光的傳播方向，這時，腔內(nèi)光路不通，相當于處于“關(guān)閉”狀態(tài)，即諧振腔處于低Q值狀態(tài)（損耗大），不能形成激光振蕩。當光泵激勵工作物質(zhì)，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累達到最大值時，瞬間撤去半波電壓，則o光和e光經(jīng)晶體后的出射光平行于入射光，經(jīng)腔鏡反射后，仍按原路徑返回，腔內(nèi)構(gòu)成光的通路，相當于處于“啟開”狀態(tài)，Q值突增，激光振蕩得以形成。因此控制對晶體加壓與否，便可改變諧振腔的Q值，從而起到Q開關(guān)的作用。就是說，當在晶體上加有半被電壓Vx=Vλ/2307.1.4被動式可飽和吸收調(diào)Q本節(jié)將介紹一種被動式Q開關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理某些有機染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)：式中，α0為光強很小(I→0)時的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來說，染料的濃度增加，Is值也增加；I為入射光強。由上式可以看出，當I>>Is時，吸收系數(shù)趨于零，染料對通過的光束于是變?yōu)橥该?圖示出了染料透過率與光功率密度的關(guān)系，透射率=1-吸收率）

染料透過率與光功率密度的關(guān)系7.1.4被動式可飽和吸收調(diào)Q式中，α0為光強很小(I→31那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)時（見下圖),開始泵浦腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大Q值低不能形成激光繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強吸收系數(shù)變小熒光達到一定值時，吸收系數(shù)飽和燃料被漂白Q值突增，形成激光脈沖泵浦結(jié)束激光介質(zhì)染料盒

激光全反鏡輸出鏡氙燈那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)時（見32聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動電源組成。其裝置示意圖如下圖所示。7.1.5聲光調(diào)Q激光介質(zhì)聲光器件全反鏡輸出鏡激光介質(zhì)聲光器件激光全反鏡輸出鏡1、Q開關(guān)開啟2、Q開關(guān)關(guān)閉聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電-聲換能器33聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲光Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當光束通過聲光介質(zhì)時，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對于0級光有2θ角的偏離(如當超聲頻率在20～50MHz范圍時，石英對1.06μm的光波的衍射角為0.30

～0.50)，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說Q開關(guān)將激光“關(guān)斷”。當高頻信號的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當于Q開關(guān)“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個調(diào)Q脈沖。聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、347.1.6轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q簡介激光器的諧振腔中，兩反射鏡的平行度直接影響著諧振腔的Q值，轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q就是利用改變反射鏡的平行度反射損耗來控制Q值的方法。如圖所示的是轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器的示意圖。它是把脈沖激光器諧振腔的全反射鏡用一直角棱鏡取代，該棱鏡安裝在一個高速旋轉(zhuǎn)馬達的轉(zhuǎn)子上，由于它繞垂直于腔的軸線作周而復始的旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)成一個Q值作周期變化的諧振腔。激光介質(zhì)

激光半反鏡架棱鏡磁頭磁鋼電源光泵電動機觸發(fā)電路7.1.6轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q簡介激光介質(zhì)激光半反鏡架棱鏡磁頭磁鋼35當泵浦氙燈點燃后，由于棱鏡面與腔軸不垂直，諧振腔反射損耗很大，此時腔的Q值很低，所以不能形成激光振蕩。在這段時間內(nèi)，工作物質(zhì)在光泵激勵下，激光上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累，同時棱鏡面也逐漸轉(zhuǎn)到接近與腔軸垂直的位置，腔的Q值逐漸升高，到一定時刻就形成激光振蕩，并輸出巨脈沖。這就是轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的工作原理。要使轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器獲得穩(wěn)定的最大功率輸出，一個很關(guān)鍵的問題，就是準確地控制延遲時間。即是要求在氙燈點燃之后，需要經(jīng)過一定的延遲時間以保證反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到極大值(飽和值)，此時恰好等于棱鏡轉(zhuǎn)到成腔位置(兩反射鏡相平行的位置)所需要的時間，使之形成激光振蕩，才能獲得最大激光功率輸出。因此，過早或過遲地產(chǎn)生激光振蕩都是不理想的。從實驗中發(fā)現(xiàn)存在一個最佳的延遲時間。當泵浦氙燈點燃后，由于棱鏡面與腔軸不垂直，諧振腔反射損耗很大36

綜上所述，調(diào)Q激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有各自的特點，在不同的應用中可以選用，現(xiàn)歸納如下：(1)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q這是發(fā)展較早的一種Q開關(guān)，由于其開關(guān)時間與脈沖時間近似相等，故屬于慢開關(guān)類型。使用時應特別注意最佳轉(zhuǎn)速的選擇，以便消除多脈沖的產(chǎn)生。由于這種Q開關(guān)無插入損耗，也不存在光損傷的問題，所以可用于能量較大的脈沖激光器中，可獲得峰值功率在幾十兆瓦以上，脈寬為納秒級的巨脈沖。其主要缺點是在高轉(zhuǎn)速下的機械磨損會影響使用壽命，且裝配工藝要求較高。目前這種Q開關(guān)已基本上不采用。(2)電光晶體調(diào)Q由于其開關(guān)時間主要取決于電路的高壓脈沖上升和退壓時間，一般都能做到小于脈沖建立時間，故屬于快開關(guān)類型。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長，輸出巨脈沖穩(wěn)定?？色@得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十幾納秒的巨脈沖，故是目前應用最廣泛的一種Q開關(guān)，其主要缺點是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對其他電子線路易造成干擾。綜上所述，調(diào)Q激光器的工作方式是多種多樣的，37(3)聲光調(diào)Q其開關(guān)時間小于脈沖建立時間，屬于快開關(guān)類型。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào)Q，可獲得kHz高重復頻率的巨脈沖，且脈沖的重復性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對高能量激光器的開關(guān)能力較差，所以，只能用于低增益的連續(xù)激光器上。(4)可飽和吸收體調(diào)Q這是一種被動式的快開關(guān)類型，這種Q開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，沒有電的干擾，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點是，由于它是一種被動式Q開關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時刻有一定的隨機性，不能人為地控制。另外，染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定。(3)聲光調(diào)Q其開關(guān)時間小于脈沖建立時387.2鎖模技術(shù)

超短脈沖（納秒以下的光脈沖ps-fs

）技術(shù)是物理學、化學、生物學、光電子學，以及激光光譜學等學科對微觀世界進行研究和揭示新的超快過程的重要手段。超短脈沖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖摸(CPM)，以及90年代出現(xiàn)的加成脈沖鎖模(APM)或耦合腔鎖模(CCM)、自鎖模等階段。自60年代實現(xiàn)激光鎖模以來，鎖模光脈沖寬度為皮秒(10-12s)量級，70年代，脈沖寬度達到亞皮秒(10-13s)量級，到80年代則出現(xiàn)了一次飛躍，即在理論和實踐上都有一定的突破。1981年，美國貝爾實驗室的R.L.Fork等人提出碰撞鎖模理論，并在六鏡環(huán)形腔中實現(xiàn)了碰撞鎖模，得到穩(wěn)定的90fs的光脈沖序列。采用光脈沖壓縮技術(shù)后，獲得了6fs的光脈沖。90年代自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在摻鈦藍寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列。本節(jié)將討論超短脈沖激光器的原理、特點、實現(xiàn)的方法，幾種典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù)。7.2鎖模技術(shù)超短脈沖（納秒以下的光脈39一、多模激光器的輸出特性7.2.1鎖模ModeLocking的基本理論激光器的模式分為縱模和橫模。鎖模也分為鎖縱模、鎖橫模、鎖縱橫模三種。本節(jié)介紹縱模鎖定。為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經(jīng)鎖摸的多縱模自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長為L的激光器，其縱模的頻率間隔為自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個超過閥值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。一、多模激光器的輸出特性7.2.1鎖模ModeLo40假設在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有2N+1個縱模，那么激光器輸出的光波電場是N個縱模電場的和，即式中，q＝0，1，2，…，

N是激光器內(nèi)(2N+1)個振蕩模中第q個縱模的序數(shù)；Eq是縱模序數(shù)為q的場強;ωq及φq是縱模序數(shù)為q的模的角頻率及相位。三大特點：1.各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，完全獨立、隨機的。2.頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴格相等。各縱模不相干。3.輸出光強。輸出光強由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機的無規(guī)則起伏。若振幅相同假設在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有2N+141二、鎖模的基本原理1.鎖模的概念使各縱模在時間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。2.鎖模脈沖的特征先看三個不同頻率光波的疊加：Ei=E0cos(2πνi

t+

i)i=1,2,3設三個振動頻率分別為ν1、

ν2、

ν3

的三個光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式：ν3=3ν1，ν2=2ν1,E1=E2=E3=E0

若相位未鎖定，則此三個不同頻率的光波的初位相

1、

2、

3彼此無關(guān)，如左圖，由于破壞性的干涉疊加，所形成的光波并沒有一個地方有很突出的加強。輸出的光強只在平均光強3E02/2級基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動。3E02/2二、鎖模的基本原理1.鎖模的概念使各縱模在時42但若設法使

1=

2=

3=0時，有

E1=E0cos(2πν1t)E2=E0cos(4πν1t)E3=E0cos(6πν1t)當t=0時,E=3E0,E2=9E02;t=1/(3ν1)時,E1=E0cos(2π/3)=-E0/2，E2=E0cos(4π/3)=-E0/2,E3=E0cos(2π)=E0,三波疊加的結(jié)果是：E=E1+E2+E3=0;

同理可得，t=2/(3ν1)時，E=0；t=1/ν1時，E=3E0……。這樣就會出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，見下圖。當各光波振幅同時達到最大值處時，由于“建設性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值（I=E2=9E02）。當然,對于諧振腔內(nèi)存在多個縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。但若設法使1=2=3=0時，有當t433E02/2如果采用適當?shù)拇胧┦惯@些各自獨立的縱模在時間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系(q+1-q=常數(shù))，那么就會出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，這就是說，該激光器各模的相位己按照q+1-q=常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。3E02/2如果采用適當?shù)拇胧┦惯@些各自44要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，就是使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為，并且相鄰位相差為常量。這一點在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。ω-5ω-1ω0ω1ω5ω

N=5,2N+1=11式中，q為腔內(nèi)振蕩縱模的序數(shù)。下面分析激光輸出與相位鎖定的關(guān)系，為運算方便，設多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅E0，超過閾值的縱模共有2N十1個，處在介質(zhì)增益曲線中心的模，其角頻率為ω0，初相位為0，其模序數(shù)q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為α，模頻率間隔為Δω，假定第q個振蕩模為要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖45激光器輸出總光場是2N+1個縱模相干的結(jié)果：激光器輸出總光場是2N+1個縱模相干的結(jié)果：46（a）2N+1個模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為 的單色調(diào)幅波，振幅A(t)－即總光波場受到振幅調(diào)制。(b)光強 是時間的函數(shù)。(c)光波電場調(diào)幅波按傅立葉分析是由2N+1個縱模頻率 組成，因此光波的脈沖包括2N+1個縱模的光波。（a）2N+1個模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為47光場變?yōu)轭l率為ω0的調(diào)幅波。振幅Ａ(t)是一隨時間變化的周期函數(shù)，光強Ｉ(t)正比Ａ２(t)，也是時間的函數(shù)，光強受到調(diào)制。按傅里葉分析，總光場由2N十1個縱模頻率組成，因此激光輸出脈沖是包括2N十1個縱模的光波。圖3.1-3給出了7（N=3)個振蕩模的輸出光強曲線。由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化情況，即可了解輸出激光的持性。光場變?yōu)轭l率為ω0的調(diào)幅波。振幅Ａ(t)是一隨時間變化的周48為討論方便，假定α=0，則(3.1-11)上式分子、分母均為周期函數(shù)，因此A(t)也是周期函數(shù)。只要得到它的周期、零點，即可以得到A(t)的變化規(guī)律。在t=0和t=2L/c時，A(t)取得極大值，因A(t)分子、分母同時為零，利用羅彼塔法則可求得此時振幅（2N+1)E0。由(3.1-11)式可求出A(t)的周期為(令分母→等；因為△ω=2△υ=c/L,所以，），在一個周期內(nèi)2N個零值點及2N+1個極值點。頻率間隔△υ=c/2L倒數(shù)為討論方便，假定α=0，則(3.1-11)上式分子、分母49(2)每個脈沖的寬度可見增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬。（t=to=0時，A(t)有極大值，而11式分子(1/2)(2N+1)△wt1=時，A(t)=0,令

△t=t1-t0并近似為半峰值寬，則有…）0，t1在t=L/c時，A(t)取得極小值±E0，當N為偶數(shù)時，A(t)=E0，N為奇數(shù)時，A(t)=-E0。除了t=0，L/c及2L/c點之外，A(t)具有2N-1次極大值。

由于光強正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c時的極大值，稱為主脈沖。在兩個相鄰主脈沖之間，共有2N個零點，并有2N-1個次極大值，稱為次脈沖。所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個光脈沖在腔內(nèi)來回傳播。(1)激光器的輸出是間隔為τ=2L/c的規(guī)則脈沖序列。通過分析可知以下性質(zhì)：(2)每個脈沖的寬度50(4)多模(ω0+q△ωq)激光器相位鎖定的結(jié)果，實現(xiàn)了q+1-

q=常數(shù)，導致輸出一個峰值功率高，脈沖寬度窄的序列沖。因此多縱模激光器鎖模后，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨立。每個模的功率應看成是所有振蕩模提供的。(3)輸出脈沖的峰值功率正比于，因此，由于鎖模，峰值功率增大了2N+1倍。q=-N注意：(4)多模(ω0+q△ωq)激光器相位鎖定的結(jié)果，實現(xiàn)了511.主動鎖模：主動鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。7.2.2實現(xiàn)鎖模的鎖模的主要方法2.被動鎖模：腔內(nèi)插入飽和吸收體。3.自鎖模：當激活介質(zhì)本身的非線性效應能夠保持各個振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實現(xiàn)縱模鎖定的方法。4.同步泵浦鎖模：如果要通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺激光器來獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。主動鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復頻率為f＝c/2L的鎖模脈沖序列。根據(jù)調(diào)制的原理，可分為相位調(diào)制(PM)(或頻率調(diào)制FM)鎖模及振幅調(diào)制(AM或稱為損耗調(diào)制)鎖模。6.2.3主動鎖模原理與器件1.主動鎖模：主動鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。52利用聲光或電光調(diào)制器均可實現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。設在某時刻t1通過調(diào)制器光信號受到的損耗為α(t1)，則在脈沖往返一周時，這個光信號將受到同樣的損耗，如α(t1)≠0，則這部分信號就會消失。而在損耗α(t1)＝0時刻通過調(diào)制器的光，那么將形成脈寬很窄，周期為2L/c的脈沖序列輸出。一、振幅調(diào)制鎖模（AM)式中，Am，分別為調(diào)制信號的振幅和角頻率。調(diào)制信號為零值時腔內(nèi)的損耗最小,而在調(diào)制信號為正負最大時腔內(nèi)的損耗均為最大值；所以損耗變化的頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍，損耗率設調(diào)制信號b(t)式中，α０為調(diào)制器的平均損耗；△α０為損耗變化的幅度；ωm為腔內(nèi)損耗變化的角頻率，其頻率等于縱模頻率間隔△υq，調(diào)制器的透過率利用聲光或電光調(diào)制器均可實現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。設在某時刻t153b(t)式中，To為平均透過率；△T為透過率變化的幅度。并且α+T=1假定調(diào)制前腔內(nèi)的光場為:調(diào)制器放入腔內(nèi)，未加調(diào)制信號時，調(diào)制器的損耗α為常數(shù)，它表示調(diào)制器的吸收、散射、反射等損耗。透過率T=T０+△T

０

α=

α０-

△

α０b(t)b(t)式中，To為平均透過率；△T為透過率變化的幅度。并54受到調(diào)制以后，腔內(nèi)的光場則變?yōu)槭街?，Ac=EcT0，為光波場的振幅；，為調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)。為保證無失真調(diào)制，應取m＜1。b(t)受到調(diào)制以后，腔內(nèi)的光場則變?yōu)槭街校珹c=EcT0，為光波場55圖3.2-1所示為時域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖。圖(a)為調(diào)制信號的波形；圖(b)為腔內(nèi)損耗的波形，其頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍；圖(c)為調(diào)制器透過率波形；圖3.2-1所示為時域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖。圖(a)為調(diào)56圖(d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場；圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過調(diào)制后的光波電場；圖(f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。圖(d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場；圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過調(diào)制后的光57上式說明：一個頻率為ωc的光波，經(jīng)過外加頻率為（1/2）ωm的調(diào)制信號調(diào)制后，其頻譜包括了三個頻率，即ωc

，上邊頻(ωc+ωm)，下邊頻(ωc–ωm)，而且這三個頻率的光波的相位均相同。由此可見，損耗是以頻率fm=ωm/2π＝△υq（頻率間隔）變化的，因此，第q個振蕩模里會出現(xiàn)其他模的振蕩。損耗調(diào)制的結(jié)果把各個縱模聯(lián)系起來了，其鎖模過程如下：

下面從頻率域討論鎖模原理?，F(xiàn)將展開得：上式說明：一個頻率為ωc的光波，經(jīng)過外加頻率為（1/2）ωm58由調(diào)制激發(fā)的邊頻實際上是與υ0相鄰的兩個縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個縱模開始振蕩，它們具有確定的振幅和與υ0相同假設處于增益曲線中心的縱模頻率為υ0，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場表達式為當該光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個邊頻分量υ0±υm。當損耗變化的頻率υm和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時，

E(t)=E0cosω0t由調(diào)制激發(fā)的邊頻實際上是與υ0相鄰的兩個縱模頻率，這樣使得與59的相位關(guān)系。而后，υ1和υ-1通過增益介質(zhì)被放大，并通過調(diào)制器得到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻υ2=

υ1+c/2L和υ-2=

υ-1-c/2L及υ3=

υ2+c/2L和υ-3=

υ-2-c/2L等等。此過程繼續(xù)進行，直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止，如圖所示。的相位關(guān)系。而后，υ1和υ-1通過增益介質(zhì)被放大，并通過調(diào)60相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個電光調(diào)制器。當調(diào)制器介質(zhì)折射率按外加調(diào)制信號而周期性改變時，光波在不同的時刻通過介質(zhì)，便有不同的相位延遲，這就是相位調(diào)制的原理。下面以鈮酸理(LN)晶體相位調(diào)制器為例予以說明。式中，n0為尋常光折射率；ne為非常光折射率；γ13和γ33為電光系數(shù)；Ez為在z方向施加的電場，設光沿y方向傳播，沿z方向施加調(diào)制信號電壓，即采用橫向運用方式，則晶體的折射率二、相位調(diào)制鎖模相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個電光調(diào)制器。當調(diào)61

式中，d為z方向晶體的長度；V0為外加電壓振幅；ωm為調(diào)制角頻率。如果晶體在y方向的長度為l，則光波通過晶體后產(chǎn)生的相位延遲為(設電矢量與Z軸平行）

由于頻率的變化是相位變化對時間的微分，故

62圖3.2-3表示了晶體折射率的變化n(t)、光波相位延遲△φ(t)及頻率變化情況。

相位調(diào)制器的作用可理解為一種頻移，使光波的頻率發(fā)生向大(或小)的方向移動。脈沖每經(jīng)過調(diào)制器一次，就發(fā)生一次頻移，最后移到增益曲線之外。類似于損耗調(diào)制器，這部分光波就從腔內(nèi)消失掉。只有那些與相位變化的極值點(極大或極小)相對應的時刻，通過調(diào)制器的光信號，其頻率不發(fā)生移動，才能在腔內(nèi)保存下來，不斷得到放大，從而形成周期為2L/c的脈沖序列。圖3.2-3表示了晶體折射率的變化n(t)、光波相位延遲△φ63由圖3.2-3可知，每個周期內(nèi)存在兩個頻率不變點，這增加了鎖模脈沖位置的相位不穩(wěn)定性。由于兩種可能情況間相位差為π，故又稱為1800自發(fā)相位開關(guān)。鎖模激光器在不采取必要措施時，其輸出脈沖可從一列自發(fā)跳變?yōu)榱硪涣?。同樣，可從頻率持性來進行分析。假設未調(diào)制的光場為E(t)=Accosωct經(jīng)過相位調(diào)制后的光場則變?yōu)橛蓤D3.2-3可知，每個周期內(nèi)存在兩個頻率不64上式表示的頻譜與調(diào)幅振蕩的頻譜相同，系由載頻ωc與兩個邊頻(ωc±

ωm)組成。如果調(diào)制信號的角頻率ωm與相鄰縱模的頻率間隔相同，由于相位變化的頻率也為ωm，因而，最終結(jié)果與振幅調(diào)制相同。當調(diào)制系數(shù)mφ

比較大時，上式表示的頻譜與調(diào)幅振蕩的頻譜相同，系由載頻ωc與兩個邊頻(65式中，Jn(mφ

)是n階第一類貝塞爾函數(shù)。由此可知，調(diào)頻振蕩的頻譜系由無限多個包含有υq＝nfm(n＝0，1，2，3，…)頻率成分的邊頻組成，而且這些邊頻光都具有相同的頻率間隔和相位，且與中心縱模一致，當它們將相應的縱模激發(fā)起來并耦合時，就可達到鎖模的目的，得到周期為1/fm＝2L/c的超短脈沖輸出。(3.2-18)式中，Jn(mφ)是n階第一類貝塞爾函數(shù)。由此可知，調(diào)頻振66(1)主動鎖模激光器中所有光學元件的要求應比一般調(diào)Q器件更加嚴格，端面的反射必須控制在最小，否則由于標準具效應會減少縱橫個數(shù)，破壞鎖模的效果。(2)調(diào)制器應放在腔內(nèi)盡量靠近反射鏡處，以便得到最大的縱模之間的耦合效果。調(diào)制器在通光方向的尺寸應盡量小。(3)鎖模調(diào)制器的頻率必須嚴格調(diào)諧到fm=△υq＝c/2L，否則會使激光器工作越出鎖模區(qū)，而進入猝滅區(qū)或調(diào)頻區(qū)，從而破壞鎖模。三、主動鎖模激光器的結(jié)構(gòu)及其設計要點(1)主動鎖模激光器中所有光學元件的要求應比677.2.4被動鎖模激光器在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗．當滿足鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機理和特點，被動鎖模分為固體激光器的被動鎖模和染料激光器的被動鎖模兩種類型。一、固體激光器的被動鎖模1工作原理由于染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強的增加而下降，所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強度激光能使染料吸收飽和。圖示出了激光通過染料的透過率T隨激光強度I的變化情況。強信號的透過率較弱信號的為大，只有小部分為染料所吸收。強、弱信號大致以染料的飽和光強Is來劃分。大于Is的光信號為強信號，否則為弱信號。7.2.4被動鎖模激光器在激68在沒有發(fā)生鎖模以前，假設腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的，但還有一些起伏。由于染料具有可飽和吸收的特性，弱的信號透過率小，受到的損耗大，而強的信號則透過率大，損耗小，且其損耗可通過工作物質(zhì)的放大得到補償。所以光脈沖每經(jīng)過染料和工作物質(zhì)一次。其強弱信號的強度相對值就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會越來越大。脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過，則使脈沖變窄。在沒有發(fā)生鎖模以前，假設腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的，但還有69從頻率域分析，開始時自發(fā)輻射的熒光以及達到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖，經(jīng)過可飽和吸收染料在噪聲脈沖中的選擇作用，只剩下高增益的中心波長、及其邊頻，隨后經(jīng)過幾次染料的吸收和工作物質(zhì)的放大，邊頻信號又激發(fā)新的邊頻，如此繼續(xù)下去，使得增益線寬內(nèi)所有的模式參與振蕩，于是便得到一系列周期為2L/c的脈沖序列輸出。從頻率域分析，開始時自發(fā)輻射的熒光以及達到閾70在被動鎖模激光器中，由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大致分為三個階段，如圖3．3—2所示。其過程的實質(zhì)是最強的脈沖得到有選擇的加強，背景脈沖逐漸地被抑制，三個階段可簡述如下。

在被動鎖模激光器中，由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大71起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生，當超過激光閾值時，初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量，并且具有隨機相位關(guān)系的激光縱模之間的干涉，因而導致光強度的起伏，脈沖總量很大。在一個周期2L/c時間內(nèi)，光脈沖通過有機染料和激光介質(zhì)各一次，在吸收體染料中，對強脈沖吸收得少而對弱脈沖吸收得多。在激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線性放大，其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用。(1)線性放大階段起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生，當超過激光閾值時，初始72該階段的主要特點是強脈沖使染料吸收飽和，“漂白”了染料，從而使脈沖強度得到很快的增長，而大量的弱脈沖受到染料的吸收而被抑制掉，使發(fā)射脈沖變窄，譜線增寬。(2)非線性吸收階段。該階段的主要特點是強脈沖使染料吸收飽和，“漂73(3)非線性放大階段

工作物質(zhì)的放大進入非線性階段。其結(jié)果使前后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎被完全抑制，最后輸出一個高強度窄脈寬的脈沖序列。此階段使脈沖壓縮，頻譜增寬。

(3)非線性放大階段工作物質(zhì)的放大進入非線性階段74典型的鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)示于圖3.3-3。這種激光器主要包括光學諧振腔、激光棒、染料盒以及小孔光闌。為了得到高重復率的高質(zhì)量鎖模脈沖序列，對染料濃度、泵浦強度和諧振腔的設計及調(diào)整等都有嚴格的要求，否則，激光輸出將極不穩(wěn)定。設計被動鎖模激光器時應注意以下幾點：2．被動鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)典型的鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)示于圖3.3-3。75(2)用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件：①染料的吸收譜線與激光波長相匹配；②其吸收線的線寬大于或等于激光線寬；②其弛豫時間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時間。(1)為了消除標準具效應，應將光學元件表面切成布儒斯持角(或2o-3o傾角)，鍍以增透膜及傾斜放置等，以利于消除非工作表面的反射。為了防止末端元件的反射光進入腔內(nèi)，全反鏡的后表面應磨成楔形。(2)用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件：①染料的吸收譜76表3.3-1列出了用于鎖模的幾種染料的飽和光強(Is)和弛豫時間(T21b)。

染料盒應盡量靠近反射鏡放置，一般為l一2mm，有時可將染料盒和全反鏡合為一體，有利于脈沖反射前沿和入射后沿在染料中重疊，以利于吸收體在光強度大時達到飽和。表3.3-1列出了用于鎖模的幾種染料的飽和光強(Is)和弛豫77在染料激光器諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收染料，可以實現(xiàn)染料激光器的被動鎖模。1．工作原理圖3．3—4示出了被動鎖模染料激光器的裝置。若丹明6G染料作為激光增益介質(zhì),DODCI染料作為可飽和吸收體，調(diào)諧元件用以調(diào)節(jié)激光輸出的波長范圍。二、染料激光器的被動鎖模相似，首先通過染料吸收體的非線性吸收和激光介質(zhì)的放大作用,從漲落的噪聲背景中選擇出強漲落峰值,然后通過可飽和吸收體和激光介質(zhì)飽和狀態(tài)的聯(lián)合作用，最終形成超短脈沖。不同之處在于激光染料的染料鎖模激光器產(chǎn)生超短脈沖的過程與固體激光器被動鎖模在染料激光器諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收染料，可以實現(xiàn)染料78上能級弛豫時間短(納秒量級)，因此使增益衰減在脈沖產(chǎn)生中起重要作用。通常染料吸收體的吸收截面大于增益介質(zhì)的吸收截面，使吸收體達到飽和的能量小于使增益介質(zhì)飽和的能量，從而使脈沖峰值得到的有效增益大于脈沖前沿得到的有效增益，這些都有利于脈沖的形成。上能級弛豫時間短(納秒量級)，因此使增益衰減在脈沖產(chǎn)生中起重79采用圖3.3-5所示的諧振槍結(jié)構(gòu)，分析腔內(nèi)各種參數(shù)對鎖模的影響。從速率方程出發(fā)，可以導出光脈沖的增益系數(shù)：采用圖3.3-5所示的諧振槍結(jié)構(gòu)，分析腔內(nèi)各80假定激活介質(zhì)位于諧振腔的中央(tr=t1)，可飽和吸收體緊靠全反射鏡(tA=0)，利用上述方程進行數(shù)值計算，得到如下結(jié)論：(1)鎖模的穩(wěn)定區(qū)范圍與吸收損耗和增益的大小成正比；較大的吸收損耗產(chǎn)生較寬的穩(wěn)定區(qū)，這時需要提高泵浦功率。(2)穩(wěn)定區(qū)范圍非常敏感地依賴于在諧振腔內(nèi)的周期與弛豫時間之比T／Ta31，一般必須滿足0．1＜T／Ta31＜10(3．3—10)的條件，如果T／Ta31太小，增益衰減后利用泵浦重新建立反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的時間不夠。如果太大，脈沖前沿出現(xiàn)的強度漲落將增大，并導致多脈沖。假定激活介質(zhì)位于諧振腔的中央(tr=t1)，可飽和吸812．被動鎖模染料激光器的結(jié)構(gòu)(一般了解)圖3.3-6示出了一種連續(xù)鎖模染料激光器的結(jié)構(gòu)。主要包括光學諧振腔、染料激光介質(zhì)、可飽和吸收體、泵浦源等。輸出的脈沖寬度可達lps.圖3.3-7是產(chǎn)生飛秒量級的碰撞鎖模激光器(CPM)原理示意圖。在環(huán)形鎖模激光器中有兩個反向傳播的脈沖，它們精確同步地到達可飽和吸收體，發(fā)生相干疊加效應，使可飽和吸收體中的光波電場(或者光強)呈現(xiàn)周期性分picosecondfemtosecond2．被動鎖模染料激光器的結(jié)構(gòu)(一般了解)圖3.3-6示出了82布，產(chǎn)生光強的空間調(diào)制而形成空間“光柵”。在形成空間光柵的過程中，兩脈沖能量的前沿被吸收，它的光強比單一脈沖使吸收體飽和快，而且由于吸收體的弛豫時間大于光脈沖寬度，脈沖后沿通過時，光柵的調(diào)制度仍然很大，便會受到后向散射而得到壓縮。因此，在時域上，兩個脈沖每經(jīng)過可飽和吸收介質(zhì)一次，前后沿受到切削，經(jīng)過多次循環(huán)，將使脈沖得到的壓縮加快。此外,由于脈沖相干疊加形成的駐波場，使可飽和吸收體中有效光場強度明顯增加。在頻域上，由于非線性自相位調(diào)制效應，光場強度的增加必然導致頻譜寬度的加寬，從而形成更窄的鎖模脈沖。

由于染料的譜線寬，激光上能級的壽命短，因此染料鎖模激光器可以輸出比固體鎖模激光器更窄的脈沖。碰撞鎖模染料激光器可輸出幾十飛秒的脈沖序列。這是80年代鎖模技術(shù)的重大突破。布，產(chǎn)生光強的空間調(diào)制而形成空間“光柵”。在形成空間光柵的過837.2.5同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模激光器，是采用一臺鎖模激光器脈沖序列，泵浦另一臺激光器，通過調(diào)制腔內(nèi)增益的方法獲得鎖模。實現(xiàn)同步泵浦鎖模的關(guān)鍵是，使被泵浦激光器的諧振腔長度與泵浦激光器的諧振腔長度相等或是它的整數(shù)倍。7.2.5同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模激光器84在一定的條件下，增益受到調(diào)制．其調(diào)制周期等于光在諧振腔的循環(huán)周期。與損耗調(diào)制類似，在最大增益時域內(nèi)形成一短脈沖，其脈沖寬度比所用的泵浦脈沖寬度窄得多。同步泵浦鎖模對染料激光器具有實用意義，因為染料具有很寬的增益線寬(1013一1014Hz)，同步泵浦染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在整個光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在一定的條件下，增益受到調(diào)制．其調(diào)制周期等于85同步泵浦鎖模通過調(diào)制腔內(nèi)增益來實現(xiàn)，如圖3.4-1所示。例如采用一臺主動鎖模氬離子激光器，泵浦染料激光器，泵浦脈沖的寬度Tp為100-200ps（0.1-0.2ns），而染料激光器的激光上能級的弛豫時間T31為納秒量級(如若丹明6G，T31＝5ns)，T31大于泵浦脈沖寬度Tp，而小于光在諧振腔的循環(huán)周期T＝2L/c即:

一、同步泵浦鎖模原理Tp＜

＜T31＜T(3．4—1)圖3.4-1同步泵浦染料激光器特性第一階段為增益階段；第二階段為脈沖壓縮階段。同步泵浦鎖模通過調(diào)制腔內(nèi)增益來實現(xiàn)，如圖3.4-1所示。例如86在此條件下，激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅僅取決于這一瞬間得到的泵浦能。如圖所示，泵浦使其增益系數(shù)逐漸增大，直至超過損耗，達到激光閾值以上。從這一瞬間起產(chǎn)生受激輻射，激光脈沖能量迅速上升，由于泵浦脈沖序列的周期與光子在染料激光器中往返一周的時間相等，故諧振腔內(nèi)的起始脈沖，只有與泵浦脈沖同時到達染料盒時才能得到放大。這樣由前次泵浦所產(chǎn)生的染圖3.4-1同步泵浦染料激光器特性料激光脈沖，在腔內(nèi)往返一周到達染料盒時，染料恰好被泵浦處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，激光脈沖的能量經(jīng)過增益介質(zhì)后得到放大，經(jīng)過多次循環(huán)后脈沖得到較大的能量，這是脈沖形成的第一階段——增益階段。在此條件下，激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅僅取決于這87第二階段為脈沖壓縮階段，當脈沖比較強時，每經(jīng)過激活介質(zhì)一次，由于飽和效應，只有前沿及中間部分得到放大，而后沿由于得不到放大而被抑制，因此經(jīng)過多次循環(huán)后，脈寬得到壓縮，最后形成一穩(wěn)定的脈沖。這時，脈沖寬度、能量以及泵浦脈沖與激光脈沖的相對位置保持不變。第二階段為脈沖壓縮階段，當脈沖比較強時，每經(jīng)88圖3.4-3所示為典型的同步泵浦染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。它包括泵浦源、光學諧振腔、激光介質(zhì)及調(diào)諧元件等。泵浦源一般采用主動鎖模的氬離子激光器或固體鎖模激光器，這可根據(jù)激光介質(zhì)的類型來定；對于染料激光器，一般采用三個反射鏡組成的折疊腔結(jié)構(gòu)作為染料激光諧振腔。反射鏡M1將二、同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu)泵浦光脈沖序列饋入染料激光腔中。泵浦光和激光同時以一個小夾角通過染料，反射鏡M2使激光反射，然后在輸出鏡M4被部分反射、部分輸出。反射鏡在激光諧振腔中是這樣配置的，它使染料激光在反射鏡M2和M4之間振蕩，而使得（與染料激光方向成一個小角度入射的）泵浦光通過染料后則離開諧振腔。但激活介質(zhì)中泵浦光的光束束腰必須與染料激光的光束束腰很好地重疊。為此，兩光束間的夾角應盡量小，并采用良好的保散補償裝置。圖3.4-3所示為典型的同步泵浦染料激光器結(jié)89

在激光腔內(nèi)勿需插入任何調(diào)制元件，而是利用激活介質(zhì)本身的非線性效應就可以實現(xiàn)鎖模，稱之為自鎖模。大約在1965年，人們曾分別在He—Ne激光器、銅蒸氣激光器、Nd；YAG激光器中觀察到了自鎖?，F(xiàn)象。但由于這些激光器中，自鎖模脈沖序列不能自維持，因此一直未引起人們的重視。1991年首次在摻鈦藍寶石連續(xù)激光器中，自鎖模運轉(zhuǎn)獲得成功。從此以后，固體激光器自鎖模的研究成了超短脈沖領(lǐng)域的熱門課題。目前自鎖模脈沖寬度可達6fs。7.2.6自鎖模摻鈦藍寶石自聚焦介質(zhì)在激光腔內(nèi)勿需插入任何調(diào)制元件，而是利用激活90關(guān)于摻鈦藍寶石激光器(Ti：S)自鎖模的原理至今尚無統(tǒng)一的理論解釋。但大多數(shù)認為，其自鎖?，F(xiàn)象與摻鈦藍寶石增益介質(zhì)的克爾效應引起的光束自聚焦有關(guān)。摻鈦藍寶石激光器自鎖模屬于被動鎖模。從時域角度看，任何帶有被動性質(zhì)的鎖模激光器，腔內(nèi)都存在這樣的元件，它們首先從噪聲中選取強度較大的脈沖作為脈沖序列的種子，然后利用其鎖模器件的非線性效應使脈沖的前后沿的增益小于1，而使脈沖中間的增益大于1，脈沖在腔內(nèi)往返過程中，不斷被整形放大，脈沖寬度被壓縮，直到穩(wěn)定鎖模。在摻鈦藍寶石自鎖模激光器中，摻鈦藍寶石介質(zhì)折射率的非線性效應可表示為：一、自鎖模機理n=no+n2I(t)(3.5-1)式中,no為與光強無關(guān)的折射率，n2為非線性折射率，I(t)為脈沖的光強。由于光強的高斯分布，當其通過介質(zhì)時，就會產(chǎn)生自聚焦效應。取介質(zhì)的某一小段△L，則自聚焦效應的焦距為:關(guān)于摻鈦藍寶石激光器(Ti：S)自鎖模的原理91式中，ωm為入射到該段介質(zhì)的光斑大??；α為一常量，大約5.6-6.7;△nm為入射光軸線上折射率的變化，(3.5-2)△nm=n2Im(t)(3.5-3)式中，Im(t)為入射到△L介質(zhì)上光束近軸的光強。從脈沖包絡的時域上看，脈沖前后沿的光強小于脈沖中間的光強。根據(jù)式(3.5-2)和(3.5-3)可知，脈沖中間部分對應的類透鏡焦距fm小于脈沖前后沿對應的焦距。這樣，當一個光脈沖通過自聚焦介質(zhì)后，光脈沖前后沿的高斯光束參數(shù)與脈沖中部的高斯光束參數(shù)不再一致，也就是說脈沖通過自聚焦介質(zhì)后,由于自聚焦效應，脈沖在時間上的光強變化得以在空間上反映出來。摻鈦藍寶石自鎖模激光器中束腰有兩個,一個在摻鈦藍寶石介質(zhì)內(nèi)，另一個在激光腔的平面反射鏡上或其附近。如果在束腰附近加上光闌,根據(jù)上面的分析就可以使光脈沖前后式中，ωm為入射到該段介質(zhì)的光斑大??；α為一常量，大約5.692α=αo–βI(t)(3.5-4)沿的損耗大于脈沖中部的損耗。也就是摻鈦藍寶石自鎖模激光器中由于自聚焦效應和腔內(nèi)光闌的存在．受到一個與光強有關(guān)的損耗調(diào)制，即：由于增益的存在，脈沖在腔內(nèi)循環(huán)時，強度小的脈沖不斷被抑制而消失，強度大的脈沖不斷增強，而且使其前后沿不斷損耗，脈沖中間部分被放大，脈沖寬度被壓縮。對于一個光脈沖，自聚焦效應與腔內(nèi)光闌的結(jié)合就相當于一個快飽和吸收體，它對光脈沖的前后沿有壓縮作用。光闌可以是外加的，例如在靠近輸出鏡位置加的小孔光闌，亦可以直接利用摻鈦藍寶石棒內(nèi)高斯分布的增益區(qū)域所構(gòu)成的增益光闌(也可稱之為三維光闌或軟光闌)。摻鈦藍寶石激光器自鎖模脈沖的形成分為以下兩個階段：1.初始脈沖的形成2.穩(wěn)定鎖模脈沖的形成α=αo–βI(t)93理論分析和大量的實驗證明，連續(xù)運轉(zhuǎn)的摻鈦藍寶石激光器中的噪聲脈沖由于達不到鎖模的啟動閾值，故該種激光器的自鎖模不能自啟動，必須首先在腔內(nèi)引入一個瞬間擾動，造成高損耗，當腔鏡復位時，腔中的光強產(chǎn)生強烈漲落。當它們通過增益介質(zhì)時，由于增益介質(zhì)的自聚焦效應，它與腔內(nèi)光闌的結(jié)合等效于可飽和吸收體，經(jīng)過自振幅調(diào)制(SAM)和增益介質(zhì)的線性放大，對脈沖進行選擇、放大、初步壓縮，形成初始脈沖。1.初始脈沖的形成理論分析和大量的實驗證明，連續(xù)運轉(zhuǎn)的摻鈦藍寶942.穩(wěn)定鎖模脈沖的形成腔內(nèi)初始鎖模脈沖形成以后，由于它的峰值功率較大，所以在增益介質(zhì)中由于非線性克爾效應，脈沖產(chǎn)生自相位調(diào)制(SPM)，嚴重地改變了脈沖的相位。當光脈沖通過摻鈦藍寶石棒時，又引起了很