激光特性的控制

激光特性的控制第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一1.未鎖模多縱模激光器的輸出特性

設激光器有2N＋1個縱模振蕩，則其輸出的光波電場為：特點：由于頻率牽引，各縱模頻率不等間隔，初位相無確定關系。第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一2.鎖模的基本原理設腔內有等（2N＋1）個模式振蕩：且滿足相位鎖定條件：（2N＋1）個縱模的合成電場強度：輸出光強：第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一峰值功率周期（相鄰脈沖峰值間隔）等于光在腔內來回一次所需的時間脈沖寬度

熒光線寬9個縱模鎖模有2N-1個次脈沖。次脈沖的個數(shù)為2N-1，參與鎖模的縱模數(shù)越多，次脈沖的幅度越低；第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一被動鎖模主動鎖模1.主動鎖模在激光諧振腔內插入一個受外部信號控制的調制器，用一定調制頻率周期性地改變諧振腔內振蕩模的振幅或相位。相位調制鎖模（頻率調制鎖模）采用電光調制器振幅調制鎖模（損耗調制鎖模）采用聲光調制器主動鎖模自鎖模7.4.2鎖模方法第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一損耗調制頻率：（角頻率）設時刻：損耗為這部分光信號每往返一次就受到一次損耗這部分光信號每次無損耗通過時刻：損耗為則①時域角度分析(1)振幅調制鎖模第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一調制信號波形腔內損耗波形調制器透過率波形調制前腔內光波電場調制后腔內光波電場激光器輸出的鎖模光脈沖損耗變化頻率是信號頻率的2倍第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一光波通過調制器，產生了兩個邊頻分量它們與具有相同的相位，從而使與相鄰的兩個縱模開始振蕩。的光通過調制器時，出現(xiàn)的振蕩模。此過程繼續(xù)進行，直到落在激光線寬內的所有縱模被激發(fā)。各模具有相同初位相，且頻率等間隔，從而達到鎖模目的。②頻域角度分析余弦調制后的電場強度為：采用聲光調制器實現(xiàn)，對調制頻率要求很高。第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一

利用晶體的電光效應，當調制器介質折射率按外加調制信號而周期性改變時，光波在不同的時刻通過介質，便有不同的相位延遲。由相位延遲對時間的微分，即可得到頻率的變化量。

相位調制函數(shù)：經調制器后的縱模電場：振蕩角頻率：相位隨時間變化(2)相位調制鎖模第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一當調制相位周期與光在腔內運行周期一致，光信號每經過調制器一次都經受頻移，最后移到增益曲線之外，這部分光波從腔內消失。只有與相位變化極值點（極大或極?。┫鄬臅r刻通過調制器的光信號，不發(fā)生頻移，能在腔內保存下來。采用電光調制器，不同時刻通過的光波具有不同的相位延遲。有二個完全無關的脈沖列（實線和虛線），可將調制信號及其倍頻信號同時加上，造成相位調制函數(shù)的不對稱，從而讓一列優(yōu)先運行。第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一在諧振腔內插入可飽和吸收體來調節(jié)腔內損耗?？娠柡臀阵w必須具備以下幾個條件：第一，染料的吸收線應和激光波長很接近；第二，吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；第三，其馳豫時間應短于脈沖在腔內往返一次的時間，否則就成為被動調Q激光器了。

2.被動鎖?？祜柡臀阵w：恢復時間小于脈沖寬度；慢飽和吸收體：恢復時間大于脈沖寬度，小于脈沖周期。第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強的增加而下降，所以弱信號損耗大，強信號損耗小，光脈沖每經過染料和工作物質一次，其強弱信號的強度相對值就改變一次，在腔內循環(huán)多次后，極大值與極小值之差會越來越大。結果是腔脈沖形成振蕩，弱脈沖消失；同時強脈沖的前后沿也被吸收，強脈沖越來越窄。由于吸收體的吸收頻率與增益曲線頻率一致，經吸收后只剩譜線中心頻率及其邊頻，邊頻又激發(fā)新的邊頻，如此進行，使所有模式參與振蕩。第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一

(2)采用晶體或半導體納米材料被動鎖模PowermeterOSCGaAsNd:YAGPIN(1)采用有機染料被動鎖模第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一通過調制諧振腔內的增益來實現(xiàn)。用一臺鎖模激光器輸出的鎖模脈沖序列作為種子脈沖，去泵浦另一臺激光器并實現(xiàn)鎖模。要求被泵浦激光器與泵浦激光器二者之間諧振腔長度相等或是其整數(shù)倍。同步泵浦鎖模獲得的鎖模脈沖寬度比泵浦脈沖窄。3.同步泵浦鎖模第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一利用增益介質自身的非線性效應實現(xiàn)鎖模。

在強光作用下，增益介質的非線性效應為：（1）自振幅調制光脈沖通過介質時產生自聚焦，其焦距為：4.自鎖模第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一

從脈沖包絡的時域看，前后沿的光強小于中部光強，所以脈沖中部對應的類透鏡焦距小于前后沿對應的焦距。當脈沖通過介質時，脈沖在時間上的光強變化在空間上反映出來。如果在適當位置有一光闌，脈沖前后沿通過時的損耗大，脈沖中部通過時的損耗小，相當于可飽和吸收體，這種效應成為自振幅調制。由于自聚焦效應與光闌的存在，使激光受到一個與光強有關的調制在帶有被動性質的鎖模激光器中，腔內存在具有下列性質的元件：能夠從噪聲中選擇出強度比較大的脈沖，并利用鎖模器件自身的非線性效應使脈沖前后沿的凈增益小于1，而脈沖中間部分的凈增益大于1。脈沖在腔內往返傳播的過程，即是被整形放大的過程，直至脈寬被壓窄，實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模。第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一（2)自相位調制與頻率啁啾光脈沖通過介質時，折射率的非線性引起的附加相位和附加頻率為：脈沖包絡不同部位的相位不同，稱為自相位調制（SPM)；不同部位的頻率不同，稱為頻率啁啾。由圖可見，脈沖前沿頻率減小，稱負啁啾或紅移；脈沖后沿頻率增大，稱正啁啾或藍移；脈沖中部頻率不變。啁啾脈沖如果通過負色散介質（頻率大，折射率小，速度快），脈沖前沿傳輸慢，脈沖前沿傳輸快，即脈沖壓縮。啁啾脈沖如果通過正色散介質（頻率大，折射率大，速度慢），脈沖前沿傳輸快，脈沖前沿傳輸慢，即脈沖展寬。第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一（3）脈沖壓縮引入負色散介質，對光脈沖進行腔內壓縮，使之成為飛秒激光。前沿的紅光路程長，傳輸慢；后沿的紅光路程長，傳輸快。脈沖壓縮。增益介質是正色散介質。第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一飛秒脈沖序列第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一5.超短脈沖測量

采用快速響應的光電二極管（幾十皮秒）和高速示波器（5G)可以測量皮秒脈沖。但是，當脈沖寬度為幾皮秒或以下，必須采用相關測量。（1）雙光子熒光法

某種物質原子能同時吸收二個光子從基態(tài)躍遷到較高激發(fā)態(tài)，稱為雙光子吸收。原子弛豫到較低激發(fā)態(tài)后，發(fā)出熒光。例如，若丹明6G丙酮溶液在強光作用下吸收二個1064nm光子產生550nm的雙光子熒光。利用這種特性可以對皮秒脈沖的時間寬度進行測量。第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一

被測光脈沖分成強度相等的二個脈沖，經過反射鏡的反射，反向通過染料溶液。在溶液中單脈沖通過的地方發(fā)出均勻的弱光，但在兩脈沖重疊處，則發(fā)生雙光子吸收而發(fā)出很強的熒光。如果用高感光度的膠卷拍下熒光強度的空間分布，置曝光底片于顯微密度計上，就可根據(jù)底片上的光密度空間分布求出脈沖寬度。測量裝置第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一染料輻射的熒光強度為：以溶液中心為z=0。式中第一項為單個脈沖作用發(fā)出熒光的貢獻，第二項為兩個脈沖共同作用發(fā)出熒光的貢獻。由上式，引入相關函數(shù)：在溶液中心，兩個脈沖重合，熒光最強；遠離溶液中心，兩個脈沖完全分離，熒光最弱。所以最大和最小之比為3比1。作出F與z的關系曲線，得到半高全寬的空間距離，再求出脈沖時間寬度第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一（2）二次諧波法當頻率為的基頻光通過非線性晶體時，若滿足相位匹配條件，能產生倍頻光（二次諧波），倍頻光強度與基頻光強度平方成正比。利用這一原理，可構成相干檢測裝置。原理：當兩個脈沖完全分離時，軸向倍頻光為0；當兩個脈沖完全重合時，軸向倍頻光最大（設為1）；當兩個脈沖部分重合時，軸向倍頻光強度介于0和1之間。第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一

二次諧波測量實質上是把時間的測量轉換成長度或空間的測量。當干涉儀長度變化0.15mm時，相當于時間延遲1ps。

二次諧波法特別適合連續(xù)泵浦自鎖模激光器飛秒脈沖的測量（使臂長振動）。通過改變一個臂的臂長，使光程差為，以改變兩個脈沖的相對時間延遲，測量相應的倍頻光強度，作出倍頻光強度與延遲時間的關系曲線，由曲線的半高全寬得到脈沖時間寬度。第24頁，共25頁，2023年，2月20日，星期一測試題1.激光選模技術分哪幾類？2.簡述氣體光譜線展寬的分類，每類的特點與光譜線型函數(shù)的類型。5.氦氖激光器放電管長l=0.5m，直徑d=1.5mm，兩鏡反射率分別為100%，98%，其他單程損耗率為0.015，熒光線寬=1500MHz。求滿足閾值條件的本征模式數(shù)。（已知）3．在紅寶石Q調制激光器中，有可能將全部Cr3＋(鉻離子)激發(fā)到激光上能級