激光原理鎖模技術(shù)

1、1 鎖模原理鎖模原理一、鎖?；靖拍钜?、鎖?；靖拍顚⒍嗫v模激光器中各縱模的初相位關(guān)系固定將多縱模激光器中各縱模的初相位關(guān)系固定,形成等時間間隔的光脈沖序列形成等時間間隔的光脈沖序列二、輸出功率二、輸出功率 2a22Na20PPsinsintaP0:一個縱模的輸出功率一個縱模的輸出功率N:縱模個數(shù)縱模個數(shù)Lcq2:相鄰兩縱模圓頻率間隔相鄰兩縱模圓頻率間隔 :相鄰兩縱模的相位差相鄰兩縱模的相位差第十章第十章 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)第第q模的光場為模的光場為)q()tqi(0)ti(0q00qqeEeE(t)E合光場為合光場為)ti(nnq)q()tqi(0nnqq0000e(t)AeE(t)E(t)E

2、nnqiqa0nnq)tiq(0eEeE(t)A證證 設(shè)腔內(nèi)共有設(shè)腔內(nèi)共有N=2n+1個縱模個縱模,第第q=0模的圓模的圓頻率、初相位為頻率、初相位為: 0、 0;第第q模為模為: q= 0+q 、 q= 0 +q eeeeeee Einaa1)(niia0iiaa1)(niina0)e(1eeeeEe1e1eEiai1)ai(n-inai0ia1)ia(2nina02a2a 2a2Na02a210ii)ai(n)a-i(n0EanEeeeeE2a2a2121sinsinsinsin輸出功率輸出功率(t)AE(t)P(t)22 2a22Na20Psinsin三、鎖模激光器工作特性三、鎖模激光器

3、工作特性1、峰值功率、峰值功率Pm=N2P02、重復(fù)周期與重復(fù)頻率、重復(fù)周期與重復(fù)頻率cL2T證證02 aP(N=4)a=0、2 、4 時時P達(dá)最大達(dá)最大 212a2a2N2Na2Na0a02a22Na200am22PPPcossincossinlimsinsinlim0220000coscoslimsinsinlimPNaNaNPaNaNPaaa=2 /N、4 /N時時P=0光在腔內(nèi)往返一周所用時間光在腔內(nèi)往返一周所用時間(1)重復(fù)周期重復(fù)周期 22220sinsinaNaPP3、脈寬、脈寬(光脈沖持續(xù)時間的一半光脈沖持續(xù)時間的一半)TNT1a1=t1+a2=t2+a2 a1 =(t2-t1

4、)= T=2證證cL2cL22TqLcf2(2)重復(fù)頻率重復(fù)頻率證證N2aa12NTN2qTNqT1TTqq11另有另有1 2 3 4 5 6 7 8 9(N=4)123456987例例1 He-Ne激光器的諧振腔長激光器的諧振腔長L=1.5m, 截面積截面積S=1 mm2,輸出鏡透過率為輸出鏡透過率為T0.01, 激活介質(zhì)的多普勒激活介質(zhì)的多普勒線寬為線寬為950MHz, 飽和參數(shù)為飽和參數(shù)為Is=50 w/mm2,現(xiàn)將此現(xiàn)將此激光器激活，激發(fā)參數(shù)激光器激活，激發(fā)參數(shù) =2, ,求求: :滿足起振條件的滿足起振條件的模式數(shù)模式數(shù)總輸出功率總輸出功率( (無模式競爭無模式競爭, ,各模式輸出功

5、各模式輸出功率均按中心頻率輸出功率計率均按中心頻率輸出功率計) )鎖模后的光脈沖峰鎖模后的光脈沖峰值功率、重復(fù)周期、脈寬。值功率、重復(fù)周期、脈寬。 解解MHz950950222FTlnlnlnlnMHz100512103L2c8q.1011009501qqTPm=N2P0=1000.75=75ws10103512cL2T88.s101010NT98222s150w/mm1)-(250) 1(II0w7501500101STIP210210.w5775010PqP0.sT961005. 11095011或或一、主動式鎖模一、主動式鎖模2 鎖模激光器鎖模激光器1、定義、定義在腔內(nèi)插入一個受外界信號

6、控制的調(diào)制器，周期在腔內(nèi)插入一個受外界信號控制的調(diào)制器，周期性改變振蕩模式的某個參量而實現(xiàn)鎖模的方法性改變振蕩模式的某個參量而實現(xiàn)鎖模的方法2、振幅、振幅(損耗損耗)調(diào)制鎖模：聲光鎖模調(diào)制鎖模：聲光鎖模(1)概念概念使用聲光調(diào)制器調(diào)制諧振腔損耗，當(dāng)電調(diào)制頻率使用聲光調(diào)制器調(diào)制諧振腔損耗，當(dāng)電調(diào)制頻率為為f =c/4L 時時,損耗調(diào)制頻率為損耗調(diào)制頻率為f=c/2L ，可獲重復(fù)，可獲重復(fù)頻率也為頻率也為f的激光脈沖系列的激光脈沖系列激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光激光(2)裝置裝置(3)時域原理時域原理外加電調(diào)制信號外加電調(diào)制信號tUtU21sin)(0腔損耗率腔損耗

7、率 o:腔平均損耗率腔平均損耗率, :損耗率變化幅度損耗率變化幅度, :損耗頻率損耗頻率ttcos)(0U0:調(diào)制電壓幅度，調(diào)制電壓幅度， :調(diào)制頻率調(diào)制頻率21調(diào)制電信號為零時，損耗最小，調(diào)制電信號為極調(diào)制電信號為零時，損耗最小，調(diào)制電信號為極值時，損耗最大，故損耗頻率是調(diào)制頻率的兩倍值時，損耗最大，故損耗頻率是調(diào)制頻率的兩倍Lcf2調(diào)制器透過率調(diào)制器透過率tTTtTcos)(0To:平均透過率，平均透過率， T：透過率變化的幅度透過率變化的幅度損耗最小時透過率最大，損耗最大時透過率最小損耗最小時透過率最大，損耗最大時透過率最小透過率最大時，輸出光脈沖，輸出光脈沖的透過率最大時，輸出光脈沖，

8、輸出光脈沖的重復(fù)頻率與重復(fù)周期為重復(fù)頻率與重復(fù)周期為Lcfq2cLT2tU(t) (t)T(t)tttI(t)cL4cL20U(t):驅(qū)動聲光器件的驅(qū)動聲光器件的外加調(diào)制電信號外加調(diào)制電信號 (t):腔損耗率腔損耗率T(t):調(diào)制器透過率調(diào)制器透過率I(t):鎖模激光輸出波形鎖模激光輸出波形(4)調(diào)制曲線調(diào)制曲線 0T0 T(5)頻域原理頻域原理增益曲線中心頻率處的縱模首先起振，光場為增益曲線中心頻率處的縱模首先起振，光場為)tcos()(000 EtEE0:光場振幅，光場振幅， 0:頻率頻率, 0:初位相初位相聲光器件對起振縱模進(jìn)行振幅調(diào)制，調(diào)制光場聲光器件對起振縱模進(jìn)行振幅調(diào)制，調(diào)制光場為

9、為)t(coscosE)tT(t)cos()(0000000tTTEtE)t(cos)cos1 (A00tM:調(diào)幅系數(shù)調(diào)幅系數(shù), A=E0T0:調(diào)制后的光場振幅調(diào)制后的光場振幅 00TTM調(diào)制結(jié)果，使中心縱模產(chǎn)生初位相一樣、頻率調(diào)制結(jié)果，使中心縱模產(chǎn)生初位相一樣、頻率為為 0 的兩個邊模的兩個邊模)tt)cos(Mcos(1)(00 AtE)tt)cos(Mcos()tAcos(0000A)tcos(t)tMcos(21)tAcos(000000tAt )-AMcos(21)tMcos(21)tAcos(000000A兩個邊模再產(chǎn)生新邊模，直至振蕩線寬內(nèi)所有兩個邊模再產(chǎn)生新邊模，直至振蕩線寬內(nèi)

10、所有縱模都被耦合形成脈沖系列輸出縱模都被耦合形成脈沖系列輸出。 0 0+ 0- 3、相位、相位(頻率頻率)調(diào)制模鎖調(diào)制模鎖:電光鎖模電光鎖模(1)概念概念使用電光晶體折射率隨外加電壓的變化對激光進(jìn)使用電光晶體折射率隨外加電壓的變化對激光進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制頻率為行相位調(diào)制，調(diào)制頻率為f=c/2L 時，可以獲重復(fù)時，可以獲重復(fù)頻率也為頻率也為f的激光脈沖系列的激光脈沖系列激光介質(zhì)激光介質(zhì) 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡起偏鏡起偏鏡檢偏檢偏鏡鏡LNxzy Uz(2)裝置裝置tdnUEntneecos221)(3330333(3)時域原理時域原理外加電調(diào)制信號外加電調(diào)制信號電光晶體中的電場電光晶體中

11、的電場U0:調(diào)制電壓幅度調(diào)制電壓幅度, : 調(diào)制頻率調(diào)制頻率tUtUcos)(0tdUtEcos)(0d:晶體沿電場方向的長度晶體沿電場方向的長度折射率變化量折射率變化量 33:LN晶體有效電光系數(shù)晶體有效電光系數(shù)Lcf2tdnlUtnltecos)(2)(3330相移相移l:晶體沿通光方向的長度晶體沿通光方向的長度tdnlUdttdtesin)()(33300t0tdtd)(光光的的頻頻移為移為相位相位相移相移頻移頻移頻頻移為零時，光信號可輸出形成光脈沖，頻移為零時，光信號可輸出形成光脈沖，頻移不為零時，光信號經(jīng)頻移積累，移出增益曲移不為零時，光信號經(jīng)頻移積累，移出增益曲線而熄滅線而熄滅證證

12、存在兩組無關(guān)的脈沖系列，對應(yīng)于相移波形的存在兩組無關(guān)的脈沖系列，對應(yīng)于相移波形的極大值與極小值，隨機(jī)輸出其中任意一組極大值與極小值，隨機(jī)輸出其中任意一組cL20tU(t), n(t),(t)tI(t)t(t)U(t):驅(qū)動電光器件的驅(qū)動電光器件的調(diào)制電信號調(diào)制電信號 n(t)、(t):電光效電光效應(yīng)引起折射率變化應(yīng)引起折射率變化和相移的波形和相移的波形I(t):鎖模激光輸出波形鎖模激光輸出波形(t):光的頻移波形光的頻移波形(4)調(diào)制曲線調(diào)制曲線cL(5)頻域原理頻域原理增益曲線中心頻率處的縱模首先起振，光場為增益曲線中心頻率處的縱模首先起振，光場為)tcos()(000 EtEE0:光場振幅

13、，光場振幅， 0:頻率頻率, 0:初位相初位相電光器件對起振縱模進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制光場電光器件對起振縱模進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制光場為為cos)tcos()(tcos)(000000tMEtEtE:調(diào)相系數(shù)調(diào)相系數(shù)dnlUMe3330調(diào)制結(jié)果，使中心縱模產(chǎn)生初位相一樣、頻率調(diào)制結(jié)果，使中心縱模產(chǎn)生初位相一樣、頻率為為 0 的兩個邊模的兩個邊模)tsin(t)tMsin(21)tcos(E00000000tEt )-Msin(E21)tMsin(21)tcos(E000000000E兩個邊模再產(chǎn)生新邊模，直至振蕩線寬內(nèi)所有兩個邊模再產(chǎn)生新邊模，直至振蕩線寬內(nèi)所有縱模都被耦合形成脈沖系列輸出縱模都被耦合形成脈沖系列輸出。 0 0+ 0- cos)tcos()(000tMEtE)cossin()tsin(E-)coscos()tcos(000000tMtMEM11)coscos(tMtMtMcos)cossin(tEtEcos)tMsin(E-)tcos()(000000二、被動式鎖模二、被動式鎖模(染料鎖模染料鎖模)激光介質(zhì)激光介質(zhì)染料盒染料盒 全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光激光1、線性放大：泵浦剛開始，工作物質(zhì)對產(chǎn)生的諸、