調Q激光器基本理論

調Q激光器基本理論

Q突變過程中Dn和N的變化脈沖峰值功率、脈沖寬度鎖模原理鎖模脈沖特性

峰值功率、脈沖間隔，脈寬、鎖模方法

主動鎖模：振幅調制、相位調制被動鎖模：染料鎖模

均勻加寬激光器主動鎖模的自洽理論第11

講三、調Q激光器的基本理論

用速率方程方法討論調Q脈沖形成，研究Q突變過程中Dn和N的變化規(guī)律，脈沖峰值功率(Pm)及脈沖寬度(Dt)與Dn的關聯性

特點:

Q開關時間極短幾ns量級

討論前提：三能級系統激光器（為什么？）

L＝l,hF=1,f1=f2

及各模式振幅相等

Dni0t0NNi1.調Q速率方程及其解

理想階躍開關；忽略泵浦及自發(fā)輻射引起的Dn的變化兩式相除積分Ni－

t=0時光子數密度Dni－t=0時反轉粒子數密度(7-3-5)四能級系統在Q開關時間(ns)內E1E0的粒子數很少，n1不能忽略（習題7-9）2.脈沖峰值功率(Pm)當兩反射鏡透過率分別為T和0，光束截面＝工作物質截面(S)調Q激光器輸出峰值功率Dni0tPNi(7.3.5)(L=l)習題7-6熒光壽命紅寶石釹玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20ns~ns工作介質其中Q開關插入損耗小

Q開關“關死”結論：－開關比;如何使大（1）（2）（3）相同泵浦功率下為什么？3.調Q脈沖能量（E）

前提：hF=1腔內脈沖總能量E’輸出脈沖能量能量利用率Ei－儲藏在工作物質中可以轉變?yōu)檎{Q脈沖的初始能量Ef－巨脈沖熄滅后剩余的能量（通過自發(fā)輻射逐漸消耗）注意公式條件

P.174腔內一光子往返一周因輸出而損耗的能量百分數腔內一光子往返一周損耗能量的百分數思考：如果R2也較小，上式應如何修正？結論：熄滅時調Q激光器能量利用率能量利用率4.調Q脈沖寬度DtrDte積分(7-3-5)代入上升沿下降沿(7-3-4)＋Dt＝理論計算與實際測量脈寬產生誤差的原因：Dn分布不均勻(泵浦、激勵不均勻，中心大，邊緣小)

脈沖建立時間不同(中心部分先建立，邊緣后建立）輸出脈沖為從中心到邊緣多個脈沖的疊加的結果，故變寬。

Q開關時間（非理想階躍）

Pm的粗略估算數值求解(1)脈寬變窄,且前沿更陡

(2)調Q激光器設計,L和T要折衷考慮§7-6鎖模(ModeLocking)－超短脈沖(ps-fs)一、引言

自由運轉（非鎖模）多模激光器的輸出特性

每個縱模的電場表達式相鄰縱模間的頻率間隔

總輸出tE二、鎖模原理多縱模相位鎖定鎖模物理機制：采取措施使腔內各個縱模的初始相位保持一致或各縱模間有確定的相位關系,輸出為等間隔短脈沖序列各縱模建立時間不同，Eq,wq,jq不同，輸出為多個縱模無規(guī)疊加的結果舉例:

三個縱模鎖定后的光波疊加n1,n2,n3n2=2n1,n3=3n1

E1=E2=E3=E0

,j1=j2=j3=0（振幅相等）（初始相位為0）n11/3n12/3n10E(t)0極大值極大值極小值極小值I(t)引伸:

假設2N+1個模振蕩,振幅相同

(E0)相鄰縱模間相位差相鄰縱模角頻率間隔鎖定時............振幅調制包絡振幅三、鎖模脈沖特性

(1)峰值功率Im(光強極大值)

有極大值

鎖模后脈沖峰值功率是未鎖模時的（2N＋1）倍模式個數多有利于鎖模脈沖峰值功率的提高振蕩模式增多的途徑：模式個數未鎖定時(2)鎖模脈沖間隔－相鄰脈沖極大值之間間隔(T0)Lq

F（熒光線寬寬）(3)脈沖寬度(t)通過DnF可估算鎖模脈寬釹玻璃DnF

＝7.5×1012~ps鈦寶石(900nm)~1014fs四、鎖模方法

主動鎖模(Activelymodelocked)*

腔內插入調制元件，強迫各縱模初相位相同

*振幅調制相位調制

被動鎖模(Passivemodelocking)

腔內放入可飽和吸收體，吸收系數

與光強有關使各縱模相位鎖定損耗調制器工作物質E1(t)E2(t)E3(t)(1)振幅調制(AM)法鎖模（損耗調制鎖模）從時域角度解釋AM鎖模損耗調制頻率損耗調制周期

周期為T0,寬度極窄的光開關t1時刻光信號可無損通過，經t1＋nT0，此信號將再次無損通過；t2時刻光信號每次經過調制器則損失一部分能量；結果：的光信號,能形成光振蕩,其余光信號損耗調制器（光開關）工作物質從頻域角度......脈沖在時域上被壓窄的同時，在頻域上被加寬其中(調幅系數)(2)相位調制鎖模

(頻率調制)－h(huán)隨外加電壓變化相位調制函數－相位調制幅度頻率偏移相位調制器工作物質t=t0,t1,t2,t3

….t=t0,t1,t2,t3..每經過調制器一次會產生頻移,使頻移增大，最終導致光頻移出增益曲線外，不再被放大。相位調制器的作用類似損耗調制器，縱模鎖定機制與幅度調制時相似。（3）可飽和吸收體被動鎖模Saturableabsorber脈沖壓縮機制：脈沖兩翼較脈沖中部經歷更多損耗，足夠強的脈沖中部光強可使吸收飽和最終使兩翼光強越來越低，脈沖頂部越來越高，脈沖被壓窄1102I/IsT0.40.60.81.0吸收體上能級壽命上能級壽命飽和吸收體－自啟動光開關（強光打開，弱光關閉）強光尖峰脈沖－透過率大，損耗小，形成穩(wěn)定振蕩弱光信號－透過率小，損耗大，衰減殆盡(開關速度)問題1：最初的光尖峰脈沖如何形成？問題2：如何自啟動(self-starting)？問題3：實際應用的快速飽和吸收體(<1ps)

有機染料：若丹明6G，隱化青等半導體吸收介質：單層或許多量子阱層堆疊；超晶格結構；飽和Bragg光柵；半導體光放大器光纖或半導體材料的非線性光學效應問題4：被動鎖模激光器輸出脈沖周期（或頻率）？Saturableabsorber問題5：鎖模激光器中的關鍵器件？orLiNbO3主動鎖模光纖環(huán)形激光器SOA—半導體光放大器EAM－電吸收調制器腔長－20米輸出脈沖寬度：10ps

利用法拉第偏振旋轉效應的被動鎖模光纖環(huán)形激光器腔長：幾十米輸出脈沖寬度：幾十飛秒(fs)orEDFA考察短脈沖在腔內經

增益介質

損耗調制器

反射鏡

反射后回到起始點是否正好能映射自身五、均勻加寬激光器主動鎖模(AM)自洽理論自洽理論要點：考察腔內某一點的光脈沖，在腔內往返一周后能自再現,即E1(t)=E3(t)

損耗調制器工作物質E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2物理意義？

光脈沖：高斯形a－決定高斯脈沖包絡形狀

b－鎖模系統的線性啁啾

啁啾頻率光脈沖E(t)

增益介質E(w)

反射鏡損耗調制器E(t)

(Self-consistenttheory)高斯脈沖頻譜：

調制器

反射鏡反射系數

(調制深度）

均勻加寬工作物質：振幅調制器工作物質E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2高斯脈沖1.B點頻譜兩次經過增益介質，由反射鏡1反射2.C點時域特性經反射鏡2反射，并兩次通過振幅調制器？（小信號情況）振幅調制器工作物質E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2

對進行處理傅立葉變換得(高斯脈沖頻譜)式中代入1.B點頻譜兩次經過增益介質，由反射鏡1反射對損耗調制器作些處理：T(t)自洽條件：2.C點時域特性經反射鏡2反射，并兩次通過調制器損耗調制鎖模的自洽條件，即b＝0，系統無啁啾(ch