壓縮脈沖寬度——鎖模

1、目的目的: 壓縮脈沖寬度壓縮脈沖寬度,高峰值功率高峰值功率,Q開關(guān)激光器一般脈寬達開關(guān)激光器一般脈寬達10-8s-10-9s量級量級,如果再壓縮脈寬如果再壓縮脈寬,Q開關(guān)激光器已經(jīng)無能為開關(guān)激光器已經(jīng)無能為力力,但有很多實際應(yīng)用需要更窄的脈沖但有很多實際應(yīng)用需要更窄的脈沖.(1964.(1964年后發(fā)展了年后發(fā)展了鎖模技術(shù)，可將脈沖壓縮到鎖模技術(shù)，可將脈沖壓縮到10-1110-14s（ps）量級。量級。) )例例: 1.激光測距激光測距，為了提高測距的精度，為了提高測距的精度,則脈寬越窄越好則脈寬越窄越好. 2.激光高速攝影激光高速攝影.為了拍照高速運動的物體為了拍照高速運動的物體,提高照片的

2、清晰提高照片的清晰度度,也要壓縮脈寬也要壓縮脈寬. 3.對一些超快過程的研究對一些超快過程的研究,激光核聚變激光核聚變,激光光譜激光光譜,熒光壽命熒光壽命的測定的測定,非線性光學(xué)的研究等需窄的脈寬非線性光學(xué)的研究等需窄的脈寬).(摻鈦藍寶石自鎖摻鈦藍寶石自鎖模激光器中得到了模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列的超短光脈沖序列)。4.7 4.7 激光激光鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)4.7.1 4.7.1 鎖模原理鎖模原理一、多模激光器的輸出特性一、多模激光器的輸出特性 自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個超過閥值的縱模，般包含若干個超過閥值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相如圖所示

3、。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)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。果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有增益線寬內(nèi)包含有N個縱模，個縱模，每個縱模輸出的電場分量可用每個縱模輸出的電場分量可用下式表示下式表示: :)()(qqtiqqeEtEqtiqqqeEtE)()(那么激光器輸出的光波電場那么激光器輸出的光波電場是是N個縱模電場的和，即個縱模電場的和，即)()(qqtiqqeEtEqtiqqqeEtE)()( Eq、q、q為第為第q個模式的振幅、角頻率及初位

4、相。各個模式的振幅個模式的振幅、角頻率及初位相。各個模式的振幅Eq、初位、初位q均無確定關(guān)系均無確定關(guān)系, ,各個模式互不相干各個模式互不相干, ,因而激光輸出是它們的無規(guī)疊加的結(jié)果因而激光輸出是它們的無規(guī)疊加的結(jié)果, ,輸輸出強度隨時間無規(guī)則起伏。出強度隨時間無規(guī)則起伏。假設(shè)有三個光波，頻率分別為假設(shè)有三個光波，頻率分別為v1 v2 和和 v3，沿相同方向傳播，并且有如下沿相同方向傳播，并且有如下關(guān)系：關(guān)系： ，在未鎖定時，初相彼此無關(guān)。，在未鎖定時，初相彼此無關(guān)。 032113123 ,2EEEEvvvv1v2v3v由于由于“破壞性破壞性”的干涉疊加，形成的干涉疊加，形成的光波沒有一個地方

5、有突出的加強，的光波沒有一個地方有突出的加強，輸出的光強只在平均光強級基礎(chǔ)上輸出的光強只在平均光強級基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動。有一個小的起伏擾動。如果設(shè)法使三個光波在某時刻有固定的相位關(guān)系，例如如果設(shè)法使三個光波在某時刻有固定的相位關(guān)系，例如1 =2 =3，即按關(guān)系即按關(guān)系 鎖定，鎖定， 此時此時三個光波的方程為三個光波的方程為01qq)2cos()2cos()2cos(303202101tvEEtvEEtvEE1v3v2v由于由于“建設(shè)性建設(shè)性”的干涉疊加，的干涉疊加，形成的光波就周期性地出現(xiàn)形成的光波就周期性地出現(xiàn)極大值。極大值。202032193EEEEEEE當(dāng)當(dāng)t=0時時0321EEE

6、E當(dāng)當(dāng) 時時131vt 圖圖2 非鎖模和理想鎖模激光器的信號結(jié)構(gòu)非鎖模和理想鎖模激光器的信號結(jié)構(gòu), (a) 非鎖模非鎖模,（b)理想鎖模理想鎖模二、鎖模的基本原理二、鎖模的基本原理 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)讓讓諧振腔中可能存在的縱模諧振腔中可能存在的縱模同步同步振蕩，讓各模的頻率間隔振蕩，讓各模的頻率間隔保持保持相等相等并使各模的并使各模的初位相初位相保持為保持為常數(shù)常數(shù)，激光器輸出在時間上有規(guī)則的，激光器輸出在時間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。等間隔的短脈沖序列。1.定義處于增益曲線中心頻率的縱模定義處于增益曲線中心頻率的縱模 q0，因此在腔內(nèi)參與振蕩的模式，因此在腔內(nèi)參與振蕩的模式個數(shù)共個數(shù)共2N

7、1個個Lcqq 12qcL22qcL00qqqq常數(shù)常數(shù) 它們的初位相始終相等它們的初位相始終相等, ,并有并有q=q-1=0。 2.2. 假設(shè)各模振幅相等假設(shè)各模振幅相等 , ,光強相等光強相等 I Iq q = I= Iq-1 q-1 = I= I0 00qEE則激光器輸出的總光波場是則激光器輸出的總光波場是2N1個縱模相干的結(jié)果個縱模相干的結(jié)果.則第則第q個模式的電場強度為個模式的電場強度為)()(qqtiqqeEtE(2N+1)個模式合成之電場強度個模式合成之電場強度NNqqtqiEtE)(exp)(0Eq=E0, , q=q-1=0 NNtitiqeeEtE0)()(0按指數(shù)形式展開

8、，再用三角函數(shù)按指數(shù)形式展開，再用三角函數(shù)可得：可得： tiNNtitiqettNEeeEtE00)(21sin) 12(21sin)()(00振幅隨時間而變化輸出光強2202sin (21)2( )sin2tNI tEt光強隨時間而變化下圖為(2N+1)=7時I(t)隨時間變化的示意圖。T由上面分析可知，只要知道振幅由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化規(guī)律，即可了解輸出的變化規(guī)律，即可了解輸出激光的持性。激光的持性。找出它的周期、極值點、找出它的周期、極值點、0點點。.titiNNtitiqetAettNEeeEtE000)()(21sin) 12(21sin)()(00)(21sin

9、) 12(21sin)(0ttNEtAA(t)的變化規(guī)律：的變化規(guī)律：1.當(dāng)分子為當(dāng)分子為0，分母不為，分母不為0 ，則是，則是 A(t)的的0 點點:0) 12(21sintN.3 , 2 , 0 ,) 12(21mmtNLc 所以 t=0 , , , 是 A(t)的0 點.1221LNc2221LNc2Lc2. 分母為分母為0 的的 點點:021sint.3 , 2 , 0 ,21mmt2420,LLL ntccc3.3.因因A A( (t t) )的分子、分母同時為零，利用羅彼塔法則可求得此時的分子、分母同時為零，利用羅彼塔法則可求得此時A(t)的最大值的最大值002 max) 12()

10、(21sin) 12(21sin)(limENttNEtAmtmax0(21)ANE2202) 12 ()()(NEtAtI1.輸出脈沖的峰值輸出脈沖的峰值(最大光強最大光強) 注意：注意：如果各模式相位未被鎖定如果各模式相位未被鎖定, ,則各模式是不相干的則各模式是不相干的, ,輸出功率為各模功率之輸出功率為各模功率之和和, ,即即I(2N+1)E02。由此可見。由此可見, ,鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時提高了鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時提高了(2N+1)倍。腔長越長倍。腔長越長, ,熒光線寬越大熒光線寬越大, ,則腔內(nèi)振蕩的縱模數(shù)目越多則腔內(nèi)振蕩的縱模數(shù)目越多, ,鎖模脈沖的峰值功率鎖模脈

11、沖的峰值功率就越大。就越大。2.周期周期 (T) 相鄰脈沖峰值間的時間間隔相鄰脈沖峰值間的時間間隔 cLT2 激光器的輸出是脈沖間隔激光器的輸出是脈沖間隔2L/c固定的規(guī)則脈沖序列。固定的規(guī)則脈沖序列。 2L/c 光在腔內(nèi)往返一次的時間光在腔內(nèi)往返一次的時間,等于在腔內(nèi)只有一個脈沖在振蕩鎖等于在腔內(nèi)只有一個脈沖在振蕩鎖模的特點。一個脈沖中包含鎖定的縱模數(shù)模的特點。一個脈沖中包含鎖定的縱模數(shù)圖4-30 鎖模光強脈沖 (2N+1=9)t=0和和t=2L/c時的極大值時的極大值，稱為主脈沖稱為主脈沖。在兩個相鄰主脈沖之間，共有2N個零點。所所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個光脈沖以鎖模振蕩也可以理解為

12、只有一個光脈沖在腔內(nèi)來回傳播在腔內(nèi)來回傳播。3.脈沖的寬度脈沖的寬度 ()按照定義脈寬應(yīng)是兩半極大值之間的寬度，在這里可以近似用極大值按照定義脈寬應(yīng)是兩半極大值之間的寬度，在這里可以近似用極大值和和0點之間的時間來表示。點之間的時間來表示。1221211NTcLNt所以所以t=0 為為極大值極大值 , 第一個第一個0點點:1221LtNcv1在調(diào)Q激光器中輸出脈寬最窄的是透射式Q開關(guān)激光器，輸出的脈寬最小為2L/c，而鎖模激光器脈寬，比它窄2N1倍。被鎖定的縱模數(shù)越多(2N1) 1221LNc21(21)21TNN脈沖的半功率點的時間間隔近似地等于,因而可以認為脈沖寬度等于。上式中v為鎖模激光

13、的帶寬,它顯然不可能超過工作物質(zhì)的增益帶寬,這就給鎖模激光脈沖帶來一定的限制。氣體激光器譜線寬度較小,其鎖模脈沖寬度約為納秒量級。固體激光器譜線寬度較大,在適當(dāng)?shù)臈l件下可得到脈沖寬度為10-12s量級的皮秒脈沖。特別是釹玻璃激光器的振蕩譜寬達2535nm,其鎖模脈沖寬度可達10-13s。4.7.2 4.7.2 主動主動鎖模鎖模 在一般激光器中,各縱模振蕩互不相關(guān),各縱模相位沒有確定的關(guān)系。并且,由于頻率牽引和頻率推斥效應(yīng),相鄰縱模的頻率間隔并不嚴格相等。因此為了得到鎖模超短脈沖,須采取措施強制各縱模初位相保持確定關(guān)系,并使相鄰模頻率間隔相等。目前采用的鎖模方法可分為主動鎖模與被動鎖模兩類。一、

14、主動鎖模一、主動鎖模主動鎖模又可分為振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模。1. 1. 損耗內(nèi)調(diào)制鎖模損耗內(nèi)調(diào)制鎖模 如圖(4-31)所示，在諧振腔中插入一個電光或聲光損耗調(diào)制器。設(shè)調(diào)制周期為 ，調(diào)制頻率 (恰為縱模頻率間隔) cLTm22Lcm2圖(4-31) 鎖模調(diào)制示意圖由于損耗調(diào)制的周期正好是脈沖在腔內(nèi)往返一次所需的時間T0 ,因而調(diào)制器的損耗(t)是一周期為T0 的函數(shù) 設(shè)光信號在t1時刻通過調(diào)制器,并且(t1)=0,則在(t1+T0)時刻此信號將再次無損地通過調(diào)制器。對于t2時刻通過調(diào)制器的光信號而言,若(t2)0,則每次經(jīng)過調(diào)制器時都要損失一部分能量。這就意味著只有在損耗為零的時刻通過調(diào)制器

15、的那部分光信號能形成振蕩,而光信號的其余部分因損耗大而被抑制,因此形成周期為2L/c的窄脈沖輸出。從模式耦合的角度來說明損耗調(diào)制鎖模的原理。0 上圖中損耗調(diào)制器M為一電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器,加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)制電壓,使腔的損耗發(fā)生角頻率為的周期性變化(=2vm)。由于損耗的改變,每個模式的振幅也發(fā)生周期性變化。如果激光器中增益曲線中心頻率 處的縱模首先振蕩,其電場強度為ttMEttEEtEmmm00002cos)2cos1 (2cos)2cos()(式中M=Em/E0 稱調(diào)幅系數(shù),它的大小決定于調(diào)制信號的大小。將上式展開得tMEtMEtEtEmm)(2cos2)(2cos22cos)(000000

16、可見,調(diào)制的結(jié)果使中心縱模振蕩不僅包含原有角頻率v0的成分,還含有角頻率為(v0vm),初位相不變的兩個邊帶,其頻譜如下圖所示。因調(diào)制頻率vm正好等于相鄰兩縱模模頻率。這就是說,在激光器中,一旦在增益曲線的某個角頻率v0 形成振蕩,將同時激起兩個相鄰模式的振蕩。并且,這兩個相鄰模幅度調(diào)制的結(jié)果又將產(chǎn)生新的邊頻,因而激起角頻率為(v02vm)模式的振蕩,如此繼續(xù)下去,直至線寬范圍內(nèi)的縱模均被耦合而產(chǎn)生振蕩為止。圖(4-32) 中心頻v0vm率及兩邊頻2. 2. 相位內(nèi)調(diào)制鎖模相位內(nèi)調(diào)制鎖模 如果在諧振腔中插入一個電光位相調(diào)制器，也可達到鎖模的目的。設(shè)光振幅如果在諧振腔中插入一個電光位相調(diào)制器，也

17、可達到鎖模的目的。設(shè)光振幅不變，位相以頻率不變，位相以頻率 變化，即變化，即 m)2sin2cos()(00ttEtEm)4(2cos)()4(2cos)()3(2cos)( )3(2cos)()2(2cos)()2(2cos)( )(2cos)()(2cos)(2cos)()(0404030302020101000tJtJtJtJtJtJtJtJtJEtEmmmmmmmm位相調(diào)制后也能激起帶寬內(nèi)的所有邊頻光同步振蕩，實現(xiàn)鎖模。位相調(diào)制后也能激起帶寬內(nèi)的所有邊頻光同步振蕩，實現(xiàn)鎖模。4.7.34.7.3被動被動鎖模鎖模被動鎖模裝置很簡單，只需在腔內(nèi)插入一個裝有飽和吸收染料的被動鎖模裝置很簡單，

18、只需在腔內(nèi)插入一個裝有飽和吸收染料的“盒盒”即可即可 染料必須具備以下幾個條件：第一，染料的吸收線應(yīng)和激光波長很接近；第染料必須具備以下幾個條件：第一，染料的吸收線應(yīng)和激光波長很接近；第二，吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；第三，其馳豫時間應(yīng)短于脈沖在腔二，吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；第三，其馳豫時間應(yīng)短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時間，否則就成為被動調(diào)內(nèi)往返一次的時間，否則就成為被動調(diào)Q激光器了。激光器了。 信息（信息（2004）：）： 中科院上海光學(xué)精密機械研究所在其建所中科院上海光學(xué)精密機械研究所在其建所40周周年之際宣布：上海小型化超短超強激光功率成功突年之際宣布：上海小型化超短超強激

19、光功率成功突破破100太瓦（太瓦（1太瓦太瓦1012瓦）大關(guān)，輸出峰值功率瓦）大關(guān)，輸出峰值功率達到達到120太瓦太瓦/36飛秒，這標志著上海在這一領(lǐng)域已飛秒，這標志著上海在這一領(lǐng)域已進入了國際同類研究的前沿，目前，國際上只有少進入了國際同類研究的前沿，目前，國際上只有少數(shù)發(fā)達國家的著名實驗鈦寶石激光裝置輸出功率超數(shù)發(fā)達國家的著名實驗鈦寶石激光裝置輸出功率超過過100太瓦。太瓦。 在在1000萬億分之萬億分之36秒（秒（3610-15秒）的超短瞬間，秒）的超短瞬間，上海超短超強激光裝置迸發(fā)出相當(dāng)于全球電網(wǎng)發(fā)電上海超短超強激光裝置迸發(fā)出相當(dāng)于全球電網(wǎng)發(fā)電總和數(shù)十倍的強大功率。總和數(shù)十倍的強大功率