[工学]第六章_激光技术63.ppt

* * 第六章 激光技术 选模技术 稳频技术 调Q技术 锁模技术（超短脉冲技术） 光学倍频技术 锁模技术（超短脉冲技术） 采用腔倒空法(脉冲透射式调Q)可以获得脉宽最窄的调Q脉冲。其脉冲宽度近似于光在腔內往返一次所需要的时间，即＝2L/c(L为腔长，c为光速)。要压窄脉宽，则必须缩短腔长，而腔长又受到器件输出功率的限制。因此，从原理上讲，采用调Q技术已无法获得超短脉冲。必须探求一种新的压缩脉宽的途径，这就是本节要介绍的锁模技术，也叫做超短脉冲技术。 锁模技术（超短脉冲技术） 超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸（ CPM ），以及90年代出现的加成脉冲锁模（ APM ）或耦合腔锁模（ CCM ）、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒（ 10-12s ）量级，70年代，脉冲宽度达到亚皮秒（ 10-13s ）量级，到80年代则出现了一次飞跃，采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs（飞秒）的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。 飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。 飞秒激光的应用 飞秒激光在超强领域中的应用（又称为强场物理）归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。 飞秒激光的应用 飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关，对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。 飞秒激光的应用 激光器的模式分为纵模和橫模。 锁模亦分为纵模锁定、橫模锁定和纵橫模同时锁定。以纵模锁定最具应用价值。 锁模技术的基本理论 为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。 腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为 一、多纵模激光器的输出特性 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模。这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。 N=11 荧光光谱 锁模技术的基本理论 假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率正比于 ，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。 可以推得总光强： 该式说明了平均光强是各个纵模光强之和 锁模技术的基本理论 假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，那么激光器输出的光波场是N个纵模场的和，即 锁模基本概念 将多纵模激光器中各振荡纵模的初相位关系固定，即 － ＝常数；各振荡纵模的频率间隔固定为等间隔的光脉冲序列 ＝c/2nL 由于各纵模的初位相锁定，因此锁模也可以叫锁相 3 E02 /2 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2π νi t+ ? i ) i=1,2,3 设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，且有关系式： ν3=3ν1， ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相? 1 、? 2 、? 3 彼此无关，如左图，由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3 E02 /2级基础上有一个小的起伏扰动。 锁模脉冲的特征 锁模脉冲的特征 但若设法使? 1 = ? 2 = ? 3 =0时，有 E1 = E0cos(2πν1 t) E2 =