主動激光鎖模技術(shù)原理.ppt

第七講超短脈沖技術(shù) 所謂模 就是在腔內(nèi)獲得振蕩的幾種波長稍微不同的波型 縱模 也叫軸模 在兩反射鏡間沿軸進行的光束 由于腔長L與光波波長的比是一個很大的數(shù)目 所以必然有數(shù)不清不同波長的光波 能符合加強反射的條件 2nL k 即2nL k1 1 k2 2 k3 3 ki 正整數(shù) 是縱模模數(shù) 7 1概述 例如 L 800nm n 1 則k 1時 對應(yīng) 1 1600nm k 2 2 800nm k 3 3 533nm 1 1 875 1014 2 3 75 1014 3 5 625 1014注意 c 2nL 32 21 1 875 1014 橫模 橫模易觀察 但其產(chǎn)生的原因復(fù)雜 1 偏離軸向的光束的干涉 2 工作物質(zhì)的色散 3 散射效應(yīng)及腔內(nèi)光束的衍射效應(yīng)等 都對橫模有影響 下面只對情況1做簡單地分析 除了嚴格平行光軸的光束 名基模TEM00 以外 總有一些偏離光軸而走Z字形的光束 雖然經(jīng)多次反射也未偏出腔外 仍能符合2nLcos k 的條件 因而 在某一 方向存在著加強干涉的波長 設(shè)z代表腔軸方向 垂直z的截面為xy平面 該截面內(nèi)所產(chǎn)生的部分橫模如圖 標記TEMmn中的TEM代表電磁橫波 m代表x方向的波節(jié)數(shù) n代表y方向的波節(jié)數(shù) 圖5 1 1不同橫模的光場強度 TEM00TEM10TEM20TEM30 圖5 1 1不同橫模的光場強度 TEM00TEM10TEM20TEM30 TEM40TEM50TEM21TEM22 TEM01TEM02TEM03 TEM00TEM10TEM20 超短脈沖技術(shù)是物理學 化學 生物學 光電子學 以及激光光譜學等學科對微觀世界進行研究和揭示新的超快過程的重要手段 超短脈沖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了主動鎖模 被動鎖模 同步泵浦鎖模 碰撞鎖摸 CPM 以及90年代出現(xiàn)的加成脈沖鎖模 APM 或耦合腔鎖模 CCM 自鎖模等階段 自60年代實現(xiàn)激光鎖模以來 鎖模光脈沖寬度為皮秒 10 12s 量級 70年代 脈沖寬度達到亞皮秒 10 13s 量級 到80年代則出現(xiàn)了一次飛躍 即在理論和實踐上都有一定的突破 1981年 美國貝爾實驗室的R L Fork等人提出碰撞鎖模理論 并在六鏡環(huán)形腔中實現(xiàn)了碰撞鎖模 得到穩(wěn)定的90fs的光脈沖序列 采用光脈沖壓縮技術(shù)后 獲得了6fs的光脈沖 90年代自鎖模技術(shù)的出現(xiàn) 在摻鈦藍寶石自鎖模激光器中得到了8 5fs的超短光脈沖序列 本章將討論超短脈沖激光器的原理 特點 實現(xiàn)的方法 幾種典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù) 如超短脈沖脈寬的測量方法 超短脈沖的壓縮技術(shù)等 為了更好地理解鎖模的原理 先討論未經(jīng)鎖摸的多縱模自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出特性 腔長為L的激光器 其縱模的頻率間隔為 3 1 1 自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個超過閥值的縱模 如圖3 1 1所示 這些模的振幅及相位都不固定 一 多模激光器的輸出特性 自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個超過閥值的縱模 如圖3 1 1所示 這些模的振幅及相位都不固定 激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果 是一種時間平均的統(tǒng)計值 N 11 熒光光譜 3 1 2 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有N個縱模 那么激光器輸出的光波電場是N個縱模電場的和 即 和頻率描述的非鎖模激光脈沖和完全鎖模激光脈沖兩種情況的圖形 在頻率域內(nèi)光脈沖可以寫為 3 1 2 式中 q 0 1 2 N是激光器內(nèi) 2N 1 個振蕩模中第q個縱模的序數(shù) Eq是縱模序數(shù)為q的場強 q及 q是縱模序數(shù)為q的模的角頻率及相位 圖3 1 2給出了時間描述 圖3 1 2非鎖模和理想鎖模激光器的信號結(jié)構(gòu) a 非鎖模 b 理想鎖模 式中 為幅度 為位相頻譜 當脈沖帶寬 比平均光頻 0窄 在時域內(nèi)光脈沖可以寫成 3 1 4 式中 A t 是脈沖的振幅 是 t 相位 某一瞬時的輸出光強為 2q 1 q項 即m m 1 2項 m 2q 1 由3 1 2式知 3 1 5 接收到的光強是在一段比1 q 2 q大的時間 t1 內(nèi)的平均值 其平均光強為 該式說明了平均光強是各個縱模光強之和 除以2 如果采用適當?shù)拇胧┦惯@些各自獨立的縱模在時間上同步 即把它們的相位相互聯(lián)系起來 使之有一確定的關(guān)系 q 1 q 常數(shù) 那么就會出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象 激光器輸出的將是脈寬極窄 峰值功率很高的光脈沖 如圖3 1 2 b 所示 圖3 1 2 b 理想鎖模 該激光器各模的相位已按照 q 1 q 常數(shù)的關(guān)系被鎖定 這種激光器叫做鎖模激光器 相應(yīng)的技術(shù)稱為 鎖模技術(shù) 先看三個不同頻率光波的疊加 Ei E0cos 2 it i i 1 2 3設(shè)三個振動頻率分別為 1 2 3的三個光波沿同一方向傳播 且有關(guān)系式 3 3 1 2 2 1 E1 E2 E3 E0 若相位未鎖定 則此三個不同頻率的光波的初位相 1 2 3彼此無關(guān) 如左圖 由于破壞性的干涉疊加 所形成的光波并沒有一個地方有很突出的加強 輸出的光強只在平均光強3E02 2級基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動 3E02 2 二 鎖模的基本原理 注意 3 1 6 式 但若設(shè)法使 1 2 3 0時 有E1 E0cos 2 1t E2 E0cos 4 1t E3 E0cos 6 1t 當t 0時 E 3E0 E2 9E02 t 1 3 1 時 E1 E0cos 2 3 E0 2 E2 E0cos 4 3 E0 2 E3 E0cos 2 E0 三波疊加的結(jié)果是 E E1 E2 E3 0 同理可得 t 2 3 1 時 E 0 t 1 1時 E 3E0 這樣就會出現(xiàn)一系列周期性的脈沖 見下圖 當各光波振幅同時達到最大值處時 由于 建設(shè)性 的干涉作用 就周期性地出現(xiàn)了極大值 I E2 9E02 當然 對于諧振腔內(nèi)存在多個縱模的情況 同樣有類似的結(jié)果 如果采用適當?shù)拇胧┦惯@些各自獨立的縱模在時間上同步 即把它們的相位相互聯(lián)系起來 使之有一確定的關(guān)系 q 1 q 常數(shù) 那么就會出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象 激光器輸出的將是脈寬極窄 峰值功率很高的光脈沖 這就是說 該激光器各模的相位己按照 q 1 q 常數(shù)的關(guān)系被鎖定 這種激光器叫做鎖模激光器 相應(yīng)的技術(shù)稱為 鎖模技術(shù) 要獲得窄脈寬 高峰值功率的光脈沖 只有采用鎖模的方法 就是使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為 并且相鄰位相差為常量 這一點在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的 式中 q為腔內(nèi)振蕩縱模的序數(shù) 3 1 7 下面分析激光輸出與相位鎖定的關(guān)系 為運算方便 設(shè)多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅E0 超過閾值的縱模共有2N十1個 處在介質(zhì)增益曲線中心的模 其角頻率為 0 初相位為0 其模序數(shù)q 0 即以中心模作為參考 各相鄰模的相位差為 模頻率間隔為 假定第q個振蕩模為 由 3 1 8 3 1 10 式可知 2N 1個振蕩的模經(jīng)過鎖相以后 總的 激光器輸出總光場是2N 1個縱模相干的結(jié)果 光場變?yōu)轭l率為 0的調(diào)幅波 振幅 t 是一隨時間變化的周期函數(shù) 光強 t 正比 t 也是時間的函數(shù) 光強受到調(diào)制 按傅里葉分析 總光場由2N十1個縱模頻率組成 因此激光輸出脈沖是包括2N十1個縱模的光波 圖3 1 3給出了7 N 3 個振蕩模的輸出光強曲線 由上面分析可知 只要知道振幅A t 的變化情況 即可了解輸出激光的持性 為討論方便 假定 0 則 3 1 11 上式分子 分母均為周期函數(shù) 因此A t 也是周期函數(shù) 只要得到它的周期 零點 即可以得到A t 的變化規(guī)律 在t 0和t 2L c時 A t 取得極大值 因A t 分子 分母同時為零 利用羅彼塔法則可求得此時振幅 2N 1 E0 由 3 1 11 式可求出A t 的周期為 令分母 等 因為 2 c L 所以 在一個周期內(nèi)2N個零值點及2N 1個極值點 2 每個脈沖的寬度可見增益線寬愈寬 愈可能得到窄的鎖模脈寬 t to 0時 A t 有極大值 而11式分子 1 2 2N 1 wt1 時 A t 0 令 t t1 t0并近似為半峰值寬 則有 在t L c時 A t 取得極小值 E0 當N為偶數(shù)時 A t E0 N為奇數(shù)時 A t E0 除了t 0 L c及2L c點之外 A t 具有2N 1次極大值 由于光強正比于A2 t 所以在t 0和t 2L c時的極大值 稱為主脈沖 在兩個相鄰主脈沖之間 共有2N個零點 并有2N 1個次極大值 稱為次脈沖 所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個光脈沖在腔內(nèi)來回傳播 1 激光器的輸出是間隔為 2L c的規(guī)則脈沖序列 通過分析可知以下性質(zhì) 4 多模 0 q q 激光器相位鎖定的結(jié)果 實現(xiàn)了 q 1 q 常數(shù) 導(dǎo)致輸出一個峰值功率高 脈沖寬度窄的序列沖 因此多縱模激光器鎖模后 各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨立 每個模的功率應(yīng)看成是所有振蕩模提供的 3 輸出脈沖的峰值功率正比于 因此 由于鎖模 峰值功率增大了2N 1倍 注意 1 主動鎖模主動鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法 三 鎖模的方法 2 被動鎖模產(chǎn)生超短脈沖的另一種有效的方法是被動鎖模 3 自鎖模當激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個振蕩縱模頻率的等間隔分布 并有確定的初相位關(guān)系 不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件 就可以實現(xiàn)縱模鎖定的方法 4 同步泵浦鎖模如果要通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實現(xiàn)鎖模 則可以采用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺激光器來獲得 這種方式就是同步泵浦鎖模 主動鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器 調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔 這樣可以得到重復(fù)頻率為f c 2L的鎖模脈沖序列 根據(jù)調(diào)制的原理 可分為相位調(diào)制 PM 或頻率調(diào)制FM 鎖模及振幅調(diào)制 AM或稱為損耗調(diào)制 鎖模 下面討論其原理及實現(xiàn)的方法 7 2主動鎖模 利用聲光或電光調(diào)制器均可實現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模 設(shè)在某時刻t1通過調(diào)制器光信號受到的損耗為 t1 則在脈沖往返一周時 這個光信號將受到同樣的損耗 如 t1 0 則這部分信號就會消失 而在損耗 t1 0時刻通過調(diào)制器的光 那么將形成脈寬很窄 周期為2L c的脈沖序列輸出 一 振幅調(diào)制鎖模 式中 為調(diào)制器的平均損耗 為損耗變化的幅度 m為 式中 Am 分別為調(diào)制信號的振幅和角頻率 調(diào)制信號為零值時腔內(nèi)的損耗最小 而在調(diào)制信號為正負最大時腔內(nèi)的損耗均為最大值 所以損耗變化的頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍 損耗率 3 2 2 b t 腔內(nèi)損耗變化的角頻率 其頻率等于縱模頻率間隔 q 調(diào)制器的透過率 3 2 3 式中 To為平均透過率 T為透過率變化的幅度 并且 T 1 3 2 6 假定調(diào)制前腔內(nèi)的光場為 調(diào)制器放入腔內(nèi) 未加調(diào)制信號時 調(diào)制器的損耗 為常數(shù) 它表示調(diào)制器的吸收 散射 反射等損耗 透過率T T T 3 2 5 3 2 7 3 2 4 b t 受到調(diào)制以后 腔內(nèi)的光場則變?yōu)?式中 Ac EcT0 為光波場的振幅 為調(diào)制器的調(diào)制系數(shù) 為保證無失真調(diào)制 應(yīng)取m 1 3 2 8 b t 圖3 2 1所示為時域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖 圖 a 為調(diào)制信號的波形 圖 b 為腔內(nèi)損耗的波形 其頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍 圖 c 為調(diào)制器透過率波形 圖 d 為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場 圖 e 為腔內(nèi)經(jīng)過調(diào)制后的光波電場 圖 f 為鎖模激光器輸出的光脈沖 上式說明 一個頻率為 c的光波 經(jīng)過外加頻率為 1 2 m的調(diào)制信號調(diào)制后 其頻譜包括了三個頻率 即 c 上邊頻 c m 下邊頻 c m 而且這三個頻率的光波的相位均相同 由此可見 損耗是以頻率fm m 2 q 頻率間隔 變化的 因此 第q個振蕩模里會出現(xiàn)其他模的振蕩 損耗調(diào)制的結(jié)果把各個縱模聯(lián)系起來了 其鎖模過程如下 3 2 9 下面從頻率域討論鎖模原理 現(xiàn)將式 3 2 8 仿照1 1 3和1 1 4式 展開得 由調(diào)制激發(fā)的邊頻實際上是與 0相鄰的兩個縱模頻率 這樣使得與它相鄰的兩個縱模開始振蕩 它們具有確定的振幅和與 0相同 假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為 0 由于它的增益最大 首先開始振蕩 電場表達式為 當該光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時 受到損耗調(diào)制 調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個邊頻分量 0 m 當損耗變化的頻率 m和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時 E t E0cos 0t 3 2 10 的相位關(guān)系 而后 1和 1通過增益介質(zhì)被放大 并通過調(diào)制器得到調(diào)制 調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻 2 1 c 2L和 2 1 c 2L及 3 2 c 2L和 3 2 c 2L等等 此過程繼續(xù)進行 直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止 如圖3 2 2所示 相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個電光調(diào)制器 當調(diào)制器介質(zhì)折射率按外加調(diào)制信號而周期性改變時 光波在不同的時刻通過介質(zhì) 便有不同的相位延遲 這就是相位調(diào)制的原理 下面以鈮酸理 LN 晶體相位調(diào)制器為例予以說明 式中 n0為尋常光折射率 ne為非常光折射率 13和 33為電光系數(shù) Ez為在z方向施加的電場 3 2 11 設(shè)光沿y方向傳播 沿z方向施加調(diào)制信號電壓 即采用橫向運用方式 則晶體的折射率 二 相位調(diào)制鎖模 3 2 12 式中 d為z方向晶體的長度 V0為外加電壓振幅 m為調(diào)制角頻率 如果晶體在y方向的長度為l 則光波通過晶體后產(chǎn)生的相位延遲為 設(shè)電矢量與Z軸平行 3 2 13 由于頻率的變化是相位變化對時間的微分 故 3 2 14 圖3 2 3表示了晶體折射率的變化n t 光波相位延遲 t 及頻率變化情況 相位調(diào)制器的作用可理解為一種頻移 使光波的頻率發(fā)生向大 或小 的方向移動 脈沖每經(jīng)過調(diào)制器一次 就發(fā)生一次頻移 最后移到增益曲線之外 類似于損耗調(diào)制器 這部分光波就從腔內(nèi)消失掉 只有那些與相位變化的極值點 極大或極小 相對應(yīng)的時刻 通過調(diào)制器的光信號 其頻率不發(fā)生移動 才能在腔內(nèi)保存下來 不斷得到放大 從而形成周期為2L c的脈沖序列 由圖3 2 3可知 每個周期內(nèi)存在兩個頻率不變點 這增加了鎖模脈沖位置的相位不穩(wěn)定性 由于兩種可能情況間相位差為 故又稱為1800自發(fā)相位開關(guān) 鎖模激光器在不采取必要措施時 其輸出脈沖可從一列自發(fā)跳變?yōu)榱硪涣?同樣 可從頻率持性來進行分析 假設(shè)未調(diào)制的光場為 E t Accos ct 3 2 15 經(jīng)過相位調(diào)制后的光場則變?yōu)?上式表示的頻譜與調(diào)幅振蕩的頻譜相同 系由載頻 c與兩個邊頻 c m 組成 如果調(diào)制信號的角頻率 m與相鄰縱模的頻率間隔相同 由于相位變化的頻率也為 m 因而 最終結(jié)果與振幅調(diào)制相同 當調(diào)制系數(shù)m 比較大時 式中 Jn m 是n階第一類貝塞爾函數(shù) 由此可知 調(diào)頻振蕩的頻譜系由無限多個包含有 q nfm n 0 1 2 3 頻率成分的邊頻組成 而且這些邊頻光都具有相同的頻率間隔和相位 且與中心縱模一致 當它們將相應(yīng)的縱模激發(fā)起來并耦合時 就可達到鎖模的目的 得到周期為1 fm 2L c的超短脈沖輸出 3 2 18 1 主動鎖模激光器中所有光學元件的要求應(yīng)比一般調(diào)Q器件更加嚴格 端面的反射必須控制在最小 否則由于標準具效應(yīng)會減少縱橫個數(shù) 破壞鎖模的效果 2 調(diào)制器應(yīng)放在腔內(nèi)盡量靠近反射鏡處 以便得到最大的縱模之間的耦合效果 調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小 3 鎖模調(diào)制器的頻率必須嚴格調(diào)諧到fm q c 2L 否則會使激光器工作越出鎖模區(qū) 而進入猝滅區(qū)或調(diào)頻區(qū) 從而破壞鎖模 三 主動鎖模激光器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計要點 7 3被動鎖模激光器 在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗 當滿足鎖模條件時 就可獲得一系列的鎖模脈沖 根據(jù)鎖模形成過程的機理和特點 被動鎖模分為固體激光器的被動鎖模和染料激光器的被動鎖模兩種類型 一 固體激光器的被動鎖模 1工作原理由于染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強的增加而下降 所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強度激光能使染料吸收飽和 圖3 3 1示出了激光通過染料的透過率T隨激光強度I的變化情況 強信號的透過率較弱信號的為大 只有小部分為染料所吸收 強 弱信號大致以染料的飽和光強Is來劃分 大于Is的光信號為強信號 否則為弱信號 在沒有發(fā)生鎖模以前 假設(shè)腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的 但還有一些起伏 由于染料具有可飽和吸收的特性 弱的信號透過率小 受到的損耗大 而強的信號則透過率大 損耗小 且其損耗可通過工作物質(zhì)的放大得到補償 所以光脈沖每經(jīng)過染料和工作物質(zhì)一次 其強弱信號的強度 相對值就改變一次 在腔內(nèi)多次循環(huán)后 極大值與極小值之差會越來越大 脈沖的前沿不斷被削陡 而尖峰部分能有效地通過 則使脈沖變窄 從頻率域分析 開始時自發(fā)輻射的熒光以及達到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖 經(jīng)過可飽和吸收染料在噪聲脈沖中的選擇作用 只剩下高增益的中心波長 及其邊頻 隨后經(jīng)過幾次染料的吸收和工作物質(zhì)的放大 邊頻信號又激發(fā)新的邊頻 如此繼續(xù)下去 使得增益線寬內(nèi)所有的模式參與振蕩 于是便得到一系列周期為2L c的脈沖序列輸出 在被動鎖模激光器中 由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大致分為三個階段 如圖3 3 2所示 其過程的實質(zhì)是最強的脈沖得到有選擇的加強 背景脈沖逐漸地被抑制 三個階段可簡述如下 起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生 當超過激光閾值時 初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量 并且具有隨機相位關(guān)系的激光縱模之間的干涉 因而導(dǎo)致光強度的起伏 脈沖總量很大 在一個周期2L c時間內(nèi) 光脈沖通過有機染料和激光介質(zhì)各一次 在吸收體染料中 對強脈沖吸收得少而對弱脈沖吸收得多 在激光介質(zhì)中 產(chǎn)生線性放大 其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用 1 線性放大階段 該階段的主要特點是強脈沖使染料吸收飽和 漂白 了染料 從而使脈沖強度得到很快的增長 而大量的弱脈沖受到染料的吸收而被抑制掉 使發(fā)射脈沖變窄 譜線增寬 2 非線性吸收階段 3 非線性放大階段 工作物質(zhì)的放大進入非線性階段 其結(jié)果使前后沿變陡 脈沖變窄 小脈沖幾乎被完全抑制 最后輸出一個高強度窄脈寬的脈沖序列 此階段使脈沖壓縮 頻譜增寬 典型的鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)示于圖3 3 3 這種激光器主要包括光學諧振腔 激光棒 染料盒以及小孔光闌 為了得到高重復(fù)率的高質(zhì)量鎖模脈沖序列 對染料濃度 泵浦強度和諧振腔的設(shè)計及調(diào)整等都有嚴格的要求 否則 激光輸出將極不穩(wěn)定 設(shè)計被動鎖模激光器時應(yīng)注意以下幾點 2 被動鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu) 2 用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件 染料的吸收譜線與激光