压缩脉冲宽度——锁模分析课件.pptVIP

4.7激光锁模技术目的:压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际应用需要更窄的脉冲.(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps）量级。)例:1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好.2.激光高速摄影.为了拍照高速运动的物体,提高照片的清晰度,也要压缩脉宽.3.对一些超快过程的研究,激光核聚变,激光光谱,荧光寿命的测定,非线性光学的研究等需窄的脉宽).(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)。

4.7.1锁模原理一、多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，如图所示。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。假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即

E、ω、φ为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅E、初位qqqqφ均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输q出强度随时间无规则起伏。假设有三个光波，频率分别为vv和v，沿相同方向传播，并且有如下123，在未锁定时，初相彼此无关。关系：由于“破坏性”的干涉叠加，形成的光波没有一个地方有突出的加强，输出的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。

如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如φ=φ=φ，123即按关系锁定，此时三个光波的方程为当t=0时当时由于“建设性”的干涉叠加，形成的光波就周期性地出现极大值。

图2非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模,（b)理想锁模

二、锁模的基本原理锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。1.定义处于增益曲线中心频率的纵模q＝0，因此在腔内参与振荡的模式个数共2N＋1个＝常数它们的初位相始终相等,并有φ=φ=0。qq-12.假设各模振幅相等,光强相等I=I=Iq-10q则激光器输出的总光波场是2N＋1个纵模相干的结果.

则第q个模式的电场强度为(2N+1)个模式合成之电场强度∵E=E,φ=φ=0∴q0qq-1按指数形式展开，再用三角函数可得：振幅随时间而变化输出光强光强随时间而变化

下图为(2N+1)=7时I(t)随时间变化的示意图。T由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输出激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。.

A(t)的变化规律：1.当分子为0，分母不为0，则是A(t)的0点:所以t=0,,,是A(t)的0点.2.分母为0的点:3.因A(t)的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值

1.输出脉冲的峰值(最大光强)注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之和,即I∝(2N+1)E0。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。2腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。2.周期(T)相邻脉冲峰值间的时间间隔激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。2L/c－光在腔内往返一次的时间,等于在腔内只有一个脉冲在振荡－锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数

t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间，共有2N个零点。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。图4-30锁模光强脉冲(2N+1=9)3.脉冲的宽度(τ)按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值和0点之间的时间来表示。t=0为极大值,第一个0点:所以在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出的脉宽最小为2L/c，而锁模激光器脉宽，比它窄2N＋1倍。被锁定的纵模数越多(2N＋1)↑↓

脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于τ,因而可以认为脉冲宽度等于τ。上式中Δv为锁模激光的带宽,它显然不可能超过工作物质的增益带宽,这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱线宽度较小,其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度较大,在适当的条件下可得到脉冲宽度为10-12s量级的皮秒脉冲。特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达25～35nm,其锁模脉冲宽度可达10-13s。

4.7.2主动锁模在一般激光器中,各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确定的关系。并且,由于频率牵引和频率推斥效应,相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到锁模超短脉冲,