激光原理師范課件

激光器特性的控制與改善§6.4激光器鎖模的原理與應(yīng)用一、激光器的鎖模技術(shù)定義鎖模技術(shù)：鎖模技術(shù)是進(jìn)一步對激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干迭加以得到超短脈沖的技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：采用鎖模技術(shù)，可得到脈寬為飛秒量級、峰值功率高于兆兆瓦量級的超短激光脈沖。鎖模技術(shù)使激光能量在時間上高度集中，是目前獲得高峰值功率激光的最先進(jìn)技術(shù)。二、鎖模原理

一般非均勻增寬激光器總是產(chǎn)生多縱模（假設(shè)均對應(yīng)某一橫模）。設(shè)第q個縱模的振幅、圓頻率、初位相分別為、、。在空間z=0處，它的電矢量大小可寫成

則總的輸出為

二、鎖模原理原理鎖模技術(shù)讓諧振腔中可能存在的各個縱模同步振蕩，讓各振蕩模的頻率間隔保持相等并使各模的初位相保持為常數(shù)，使激光器輸出在時間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。

設(shè)腔內(nèi)有，共個模式，又設(shè)相鄰模式的角頻率之差（為縱模圓頻率間隔，L為腔長），則

式中，為激光中心角頻率。

二、鎖模原理于是，得到上式表明，(2N+1)個模合成的結(jié)果，其振幅隨時間變化。輸出光強(qiáng)

所以二、鎖模原理如圖6.4.1是2N+1=9個縱模經(jīng)鎖模后得到的有規(guī)則的脈沖示意圖。圖6.4.1鎖模光強(qiáng)脈沖二、鎖模原理

當(dāng)時，光強(qiáng)最大。得出：鎖模后的脈沖峰值功率為未鎖模時的(2N+1)倍。腔長越長，熒光線寬越大，則腔內(nèi)的縱模數(shù)目越多，鎖模脈沖的峰值功率就越大。

二、鎖模原理

相鄰脈沖峰值間的時間間隔

得出：等于光在腔內(nèi)來回一次所需的時間。因此可以把鎖模激光器的工作過程形象地看作有一個脈沖在整個腔內(nèi)往返運(yùn)動，每當(dāng)此脈沖進(jìn)行到輸出反射鏡時，便有一個鎖模脈沖輸出。二、鎖模原理

脈沖寬度τ，即脈沖峰值與第一個光強(qiáng)為零的谷值間的時間間隔。

令得得出：脈沖的半功率點(diǎn)的時間間隔近似地等于τ，因而可以認(rèn)為脈沖寬度等于τ。上式中的為鎖模激光器的帶寬。它表明脈沖的寬度近似地為增益曲線寬度的倒數(shù)。氣體激光器譜線寬度較小，其鎖模脈沖寬度約為的量級。固體激光器譜線寬度較大，可得脈沖寬度約的量級。三、主動鎖模定義主動鎖模：在諧振腔內(nèi)插入一個調(diào)制頻率為調(diào)制器，對激光輸出進(jìn)行振幅或位相調(diào)制，實(shí)現(xiàn)各個縱模振動同步。三、主動鎖模

損耗內(nèi)調(diào)制鎖模原理如圖6.4.2所示，在諧振腔中插入一電光或聲光損耗調(diào)制器，設(shè)調(diào)制周期為

，調(diào)制頻率(恰為縱模頻率間隔)。因?yàn)檎{(diào)制器給出周期性的光損耗，所以如果在某一時刻t，光經(jīng)過調(diào)制器時，損耗不為零，則有一部分光被損耗掉。光在腔內(nèi)往返一次，又回到調(diào)制器，即在一個周期后的時再次經(jīng)過調(diào)制器，此光又受到損耗。三、主動鎖模圖6.4.2鎖模調(diào)制示意圖再經(jīng)如此延續(xù)，這部分光被損耗掉。只有通過調(diào)制器時損耗為零的光，才能不斷地被放大而增長起來，如此得到周期為T的窄脈沖輸出。三、主動鎖模

從模式耦合的角度說明損耗調(diào)制鎖模的原理。

如果激光器中增益曲線中心頻率處的模首先振蕩，其調(diào)制后的電矢量為經(jīng)過調(diào)制，使得中心縱模不僅含有原來的頻率，而且還含有兩個邊頻。這兩個邊頻光具有與中心模式相同的初位相。因調(diào)制頻率恰好等于相鄰縱模頻率間隔，所以正好等于相鄰兩縱模頻率。

三、主動鎖模得出：在激光器中，一旦形成的振蕩，將同時激起兩個相鄰模式的振蕩，如圖（6.4.3）。而這兩個相鄰模受調(diào)制器調(diào)制的結(jié)果，又將產(chǎn)生新的邊頻振蕩……直到將增益曲線內(nèi)所有可能的縱模都激發(fā)起來。由于各縱模的位相鎖定，輸出光能量相干迭加，從而形成超短脈沖。圖6.4.3中心頻率及兩邊頻

三、主動鎖模

位相內(nèi)調(diào)制鎖模如果在諧振腔中插入一個電光位相調(diào)制器，也可達(dá)到鎖模的目的。設(shè)光振幅不變位相以頻率變化，即為位相調(diào)制度四、被動鎖模原理在激光腔內(nèi)插入一個有飽和吸收特性的染料盒，也能起到鎖模的作用?？娠柡腿玖系奈障禂?shù)是隨光強(qiáng)的增加而下降的。激光器內(nèi)，隨著光泵對工作物質(zhì)的激勵，各個縱模都會隨機(jī)地發(fā)生，光場就會由于它們的疊加而在強(qiáng)度上略有起伏。當(dāng)某些縱模偶然地得到相干加強(qiáng)時，出現(xiàn)光場較強(qiáng)的部分，其它部分是較弱的部分。這些較強(qiáng)的部分通過染料，被吸收的少，損耗不大。較弱的部分通過染料，被吸收的多，反而更被減弱。光場多次通過染料的結(jié)果，強(qiáng)處和弱處就明顯的區(qū)別開來了，最終造成這些強(qiáng)處(縱模相干加強(qiáng)處)就以窄脈沖的形式被選出來。四、被動鎖模