《激光特性的控制》PPT課件.ppt

1、利用多縱模輸出的激光束，經(jīng)過(guò)特殊的調(diào)制，使其各縱模之間有確定的相位關(guān)系，從而發(fā)生相干疊加，形成窄脈沖,1. 未鎖模多縱模激光器的輸出特性,N個(gè)模式互不相干，完全獨(dú)立，位相差不是常數(shù),激光輸出的總光場(chǎng)是各個(gè)不同頻率光場(chǎng)的無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，平均光強(qiáng)是各個(gè)縱模光強(qiáng)之和,2. 鎖模基本原理,采取適當(dāng)措施，使各縱模頻率等間隔，位相差為常數(shù),7.4.1 鎖 模 原 理,1. 未鎖模多縱模激光器的輸出特性,設(shè)激光器有2N1個(gè)縱模振蕩，則其輸出的光波電場(chǎng)為,特點(diǎn)：由于頻率牽引，各縱模頻率不等間隔，初位相無(wú)確定關(guān)系,2. 鎖模的基本原理,且滿(mǎn)足相位鎖定條件,2N1）個(gè)縱模的合成電場(chǎng)強(qiáng)度,輸出光強(qiáng),峰值功率,周期

2、（相鄰脈沖峰值間隔,等于光在腔內(nèi)來(lái)回一次所需的時(shí)間,脈沖寬度,熒光線(xiàn)寬,9個(gè)縱模鎖模,有2N-1個(gè)次脈沖。次脈沖的個(gè)數(shù)為2N-1，參與鎖模的縱模數(shù)越多，次脈沖的幅度越低,被動(dòng)鎖模,1. 主動(dòng)鎖模,在激光諧振腔內(nèi)插入一個(gè)受外部信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位,自鎖模,7.4.2 鎖模方法,時(shí)域角度分析,1) 振幅調(diào)制鎖模,調(diào)制信號(hào)波形,腔內(nèi)損耗波形,調(diào)制器透過(guò)率波形,調(diào)制前腔內(nèi)光波電場(chǎng),調(diào)制后腔內(nèi)光波電場(chǎng),激光器輸出的鎖模光脈沖,損耗變化頻率是信號(hào)頻率的2倍,光波通過(guò)調(diào)制器，產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量,它們與 具有相同的相位，從而使與 相鄰的兩個(gè)縱模開(kāi)始振蕩,頻域角

3、度分析,余弦調(diào)制后的電場(chǎng)強(qiáng)度為,采用聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，對(duì)調(diào)制頻率要求很高,利用晶體的電光效應(yīng)，當(dāng)調(diào)制器介質(zhì)折射率按外加調(diào)制信號(hào)而周期性改變時(shí)，光波在不同的時(shí)刻通過(guò)介質(zhì)，便有不同的相位延遲。由相位延遲對(duì)時(shí)間的微分，即可得到頻率的變化量,相位調(diào)制函數(shù),經(jīng)調(diào)制器后的縱模電場(chǎng),振蕩角頻率,相位隨時(shí)間變化,2) 相位調(diào)制鎖模,當(dāng)調(diào)制相位周期與光在腔內(nèi)運(yùn)行周期一致，光信號(hào)每經(jīng)過(guò)調(diào)制器一次都經(jīng)受頻移，最后移到增益曲線(xiàn)之外，這部分光波從腔內(nèi)消失,只有與相位變化極值點(diǎn)（極大或極小）相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)，不發(fā)生頻移，能在腔內(nèi)保存下來(lái),采用電光調(diào)制器，不同時(shí)刻通過(guò)的光波具有不同的相位延遲,有二個(gè)完全無(wú)關(guān)的脈

4、沖列（實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)），可將調(diào)制信號(hào)及其倍頻信號(hào)同時(shí)加上，造成相位調(diào)制函數(shù)的不對(duì)稱(chēng)，從而讓一列優(yōu)先運(yùn)行,在諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收體來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗,可飽和吸收體必須具備以下幾個(gè)條件：第一，染料的吸收線(xiàn)應(yīng)和激光波長(zhǎng)很接近；第二，吸收線(xiàn)的線(xiàn)寬要大于或等于激光線(xiàn)寬；第三，其馳豫時(shí)間應(yīng)短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間，否則就成為被動(dòng)調(diào)Q激光器了,2. 被動(dòng)鎖模,快飽和吸收體：恢復(fù)時(shí)間小于脈沖寬度； 慢飽和吸收體：恢復(fù)時(shí)間大于脈沖寬度，小于脈沖周期,染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以弱信號(hào)損耗大，強(qiáng)信號(hào)損耗小，光脈沖每經(jīng)過(guò)染料和工作物質(zhì)一次，其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次，在腔內(nèi)循環(huán)多次后，極大值與極

5、小值之差會(huì)越來(lái)越大。結(jié)果是腔脈沖形成振蕩，弱脈沖消失；同時(shí)強(qiáng)脈沖的前后沿也被吸收，強(qiáng)脈沖越來(lái)越窄。 由于吸收體的吸收頻率與增益曲線(xiàn)頻率一致，經(jīng)吸收后只剩譜線(xiàn)中心頻率及其邊頻，邊頻又激發(fā)新的邊頻，如此進(jìn)行，使所有模式參與振蕩,2) 采用晶體或半導(dǎo)體納米材料被動(dòng)鎖模,1) 采用有機(jī)染料被動(dòng)鎖模,通過(guò)調(diào)制諧振腔內(nèi)的增益來(lái)實(shí)現(xiàn),用一臺(tái)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(tái)激光器并實(shí)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(zhǎng)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,利用增益介質(zhì)自身的非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模,在強(qiáng)光作用下，增益介質(zhì)的

6、非線(xiàn)性效應(yīng)為,1）自振幅調(diào)制 光脈沖通過(guò)介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生自聚焦，其焦距為,4. 自 鎖 模,從脈沖包絡(luò)的時(shí)域看，前后沿的光強(qiáng)小于中部光強(qiáng)，所以脈沖中部對(duì)應(yīng)的類(lèi)透鏡焦距小于前后沿對(duì)應(yīng)的焦距。當(dāng)脈沖通過(guò)介質(zhì)時(shí)，脈沖在時(shí)間上的光強(qiáng)變化在空間上反映出來(lái)。如果在適當(dāng)位置有一光闌，脈沖前后沿通過(guò)時(shí)的損耗大，脈沖中部通過(guò)時(shí)的損耗小，相當(dāng)于可飽和吸收體，這種效應(yīng)成為自振幅調(diào)制,由于自聚焦效應(yīng)與光闌的存在，使激光受到一個(gè)與光強(qiáng)有關(guān)的調(diào)制,在帶有被動(dòng)性質(zhì)的鎖模激光器中，腔內(nèi)存在具有下列性質(zhì)的元件：能夠從噪聲中選擇出強(qiáng)度比較大的脈沖，并利用鎖模器件自身的非線(xiàn)性效應(yīng)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。

7、脈沖在腔內(nèi)往返傳播的過(guò)程，即是被整形放大的過(guò)程，直至脈寬被壓窄，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模,2)自相位調(diào)制與頻率啁啾,光脈沖通過(guò)介質(zhì)時(shí)，折射率的非線(xiàn)性引起的附加相位和附加頻率為,脈沖包絡(luò)不同部位的相位不同，稱(chēng)為自相位調(diào)制（SPM)； 不同部位的頻率 不同， 稱(chēng)為頻率啁啾,由圖可見(jiàn)，脈沖前沿頻率減小，稱(chēng)負(fù)啁啾或紅移；脈沖后沿頻率增大，稱(chēng)正啁啾或藍(lán)移；脈沖中部頻率不變。 啁啾脈沖如果通過(guò)負(fù)色散介質(zhì)（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(guò)正色散介質(zhì)（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,3）脈沖壓縮,引入負(fù)色散介質(zhì)，對(duì)光脈沖進(jìn)行

8、腔內(nèi)壓縮，使之成為飛秒激光,前沿的紅光路程長(zhǎng)，傳輸慢；后沿的紅光路程長(zhǎng)，傳輸快。脈沖壓縮,增益介質(zhì)是正色散介質(zhì),飛秒脈沖序列,5. 超短脈沖測(cè)量,采用快速響應(yīng)的光電二極管（幾十皮秒）和高速示波器（5G)可以測(cè)量皮秒脈沖。但是，當(dāng)脈沖寬度為幾皮秒或以下，必須采用相關(guān)測(cè)量,1）雙光子熒光法 某種物質(zhì)原子能同時(shí)吸收二個(gè)光子從基態(tài)躍遷到較高激發(fā)態(tài)，稱(chēng)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(qiáng)光作用下吸收二個(gè)1064nm光子產(chǎn)生550nm的雙光子熒光。利用這種特性可以對(duì)皮秒脈沖的時(shí)間寬度進(jìn)行測(cè)量,被測(cè)光脈沖分成強(qiáng)度相等的二個(gè)脈沖，經(jīng)過(guò)反射鏡的反射，反向通過(guò)染料溶液。在溶

9、液中單脈沖通過(guò)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(qiáng)的熒光。如果用高感光度的膠卷拍下熒光強(qiáng)度的空間分布，置曝光底片于顯微密度計(jì)上，就可根據(jù)底片上的光密度空間分布求出脈沖寬度,測(cè)量裝置,染料輻射的熒光強(qiáng)度為,以溶液中心為z=0。式中第一項(xiàng)為單個(gè)脈沖作用發(fā)出熒光的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)為兩個(gè)脈沖共同作用發(fā)出熒光的貢獻(xiàn)。由上式，引入相關(guān)函數(shù),在溶液中心，兩個(gè)脈沖重合，熒光最強(qiáng)； 遠(yuǎn)離溶液中心，兩個(gè)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(guān)系曲線(xiàn)，得到半高全寬的空間距離，再求出脈沖時(shí)間寬度,2）二次諧波法,當(dāng)頻率為 的基頻光通過(guò)非線(xiàn)性晶體時(shí)，若滿(mǎn)足相位匹配條

10、件，能產(chǎn)生倍頻光（二次諧波），倍頻光強(qiáng)度與基頻光強(qiáng)度平方成正比。利用這一原理，可構(gòu)成相干檢測(cè)裝置,原理：當(dāng)兩個(gè)脈沖完全分離時(shí)，軸向倍頻光為0；當(dāng)兩個(gè)脈沖完全重合時(shí)，軸向倍頻光最大（設(shè)為1）；當(dāng)兩個(gè)脈沖部分重合時(shí)，軸向倍頻光強(qiáng)度介于0和1之間,二次諧波測(cè)量實(shí)質(zhì)上是把時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度或空間的測(cè)量。當(dāng)干涉儀長(zhǎng)度變化0.15mm時(shí)，相當(dāng)于時(shí)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(cè)量（使臂長(zhǎng)振動(dòng),通過(guò)改變一個(gè)臂的臂長(zhǎng)，使光程差為 ，以改變兩個(gè)脈沖的相對(duì)時(shí)間延遲 ，測(cè)量相應(yīng)的倍頻光強(qiáng)度，作出倍頻光強(qiáng)度與延遲時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)的半高全寬得到脈沖時(shí)間寬度,測(cè)試題,1. 激光選模技術(shù)分哪幾類(lèi),2. 簡(jiǎn)述氣體光譜線(xiàn)展寬的分類(lèi)，每類(lèi)的特點(diǎn)與光譜線(xiàn)型函數(shù)的類(lèi)型,3在紅寶石Q調(diào)制激光器中，有可能將全部Cr3(鉻離子)激發(fā)到激光上能級(jí)并產(chǎn)生巨脈沖。