鎖模技術(shù)激光原理北京工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù)激光(jgung)原理北京工業(yè)大原理北京工業(yè)大學(xué)學(xué)第一頁(yè)，共22頁(yè)。eeeeeee Einaa1)(niia0iiaa1)(niina0)e(1eeeeEe1e1eEiai1)ai(n-inai0ia1)ia(2nina02a2a 2a2Na02a210ii)ai(n)a-i(n0EanEeeeeE2a2a2121sinsinsinsin輸出功率(t)AE(t)P(t)22 2a22Na20Psinsin三、鎖模激光器工作(gngzu)特性第2頁(yè)/共22頁(yè)第二頁(yè)，共22頁(yè)。1、峰值(fn zh)功率Pm=N2P02、重復(fù)周期(zhuq)與重復(fù)頻率cL2T證02aP(

2、N=4)a=0、2、4時(shí)P達(dá)最大 212a2a2N2Na2Na0a02a22Na200am22PPPcossincossinlimsinsinlim0220000coscoslimsinsinlimPNaNaNPaNaNPaaa=2/N、4/N時(shí)P=0光在腔內(nèi)往返(wngfn)一周所用時(shí)間(1)重復(fù)周期 22220sinsinaNaPP 第3頁(yè)/共22頁(yè)第三頁(yè)，共22頁(yè)。3、脈寬(光脈沖(michng)持續(xù)時(shí)間的一半)TNT1a1=t1+a2=t2+a2 a1 =(t2-t1)= T=2證cL2cL22TqLcf2(2)重復(fù)(chngf)頻率證N2aa12NTN2qTNqT1TTqq11另有第

3、4頁(yè)/共22頁(yè)第四頁(yè)，共22頁(yè)。1 2 3 4 5 6 7 8 9(N=4)123456987第5頁(yè)/共22頁(yè)第五頁(yè)，共22頁(yè)。例1 He-Ne激光器的諧振腔長(zhǎng)L=1.5m, 截面積S=1 mm2,輸出鏡透過(guò)率為T(mén)0.01, 激活介質(zhì)的多普勒線寬為950MHz, 飽和參數(shù)為Is=50 w/mm2,現(xiàn)將此激光器激活，激發(fā)參數(shù)=2,求:滿足(mnz)起振條件的模式數(shù)總輸出功率(無(wú)模式競(jìng)爭(zhēng),各模式輸出功率均按中心頻率輸出功率計(jì))鎖模后的光脈沖峰值功率、重復(fù)周期、脈寬。 解MHz950950222FTlnlnlnlnMHz100512103L2c8q.1011009501qqT第6頁(yè)/共22頁(yè)第六頁(yè)，

4、共22頁(yè)。Pm=N2P0=1000.75=75ws10103512cL2T88.s101010NT98222s150w/mm1)-(250) 1(II0w7501500101STIP210210.w5775010PqP0.sT961005. 11095011或第7頁(yè)/共22頁(yè)第七頁(yè)，共22頁(yè)。一、主動(dòng)式鎖模2 鎖模激光器1、定義(dngy)在腔內(nèi)插入一個(gè)受外界信號(hào)控制的調(diào)制器，周期性改變振蕩模式的某個(gè)(mu )參量而實(shí)現(xiàn)鎖模的方法2、振幅(損耗(snho)調(diào)制鎖模：聲光鎖模(1)概念使用聲光調(diào)制器調(diào)制諧振腔損耗，當(dāng)電調(diào)制頻率為f=c/4L時(shí),損耗調(diào)制頻率為f=c/2L，可獲重復(fù)頻率也為f的激光

5、脈沖系列第8頁(yè)/共22頁(yè)第八頁(yè)，共22頁(yè)。激光介質(zhì)聲光器件全反鏡輸出鏡激光(2)裝置(zhungzh)(3)時(shí)域原理(yunl)外加電調(diào)制(tiozh)信號(hào)tUtU21sin)(0腔損耗率o:腔平均損耗率, :損耗率變化幅度, :損耗頻率ttcos)(0U0:調(diào)制電壓幅度， :調(diào)制頻率21調(diào)制電信號(hào)為零時(shí)，損耗最小，調(diào)制電信號(hào)為極值時(shí)，損耗最大，故損耗頻率是調(diào)制頻率的兩倍Lcf2第9頁(yè)/共22頁(yè)第九頁(yè)，共22頁(yè)。調(diào)制器透過(guò)(tu u)率tTTtTcos)(0To:平均透過(guò)(tu u)率，T：透過(guò)(tu u)率變化的幅度損耗最小時(shí)(xiosh)透過(guò)率最大，損耗最大時(shí)透過(guò)率最小透過(guò)率最大時(shí)，輸出光

6、脈沖，輸出光脈沖的重復(fù)頻率與重復(fù)周期為L(zhǎng)cfq2cLT2第10頁(yè)/共22頁(yè)第十頁(yè)，共22頁(yè)。tU(t)(t)T(t)tttI(t)cL4cL20U(t):驅(qū)動(dòng)聲光器件的外加(wiji)調(diào)制電信號(hào)(t):腔損耗率T(t):調(diào)制器透過(guò)(tu u)率I(t):鎖模激光輸出(shch)波形(4)調(diào)制曲線0T0T第11頁(yè)/共22頁(yè)第十一頁(yè)，共22頁(yè)。(5)頻域原理(yunl)增益(zngy)曲線中心頻率處的縱模首先起振，光場(chǎng)為)tcos()(000 EtEE0:光場(chǎng)振幅(zhnf)，0:頻率,0:初位相聲光器件對(duì)起振縱模進(jìn)行振幅調(diào)制，調(diào)制光場(chǎng)為)t(coscosE)tT(t)cos()(0000000t

7、TTEtE)t(cos)cos1 (A00tM:調(diào)幅系數(shù), A=E0T0:調(diào)制后的光場(chǎng)振幅 00TTM第12頁(yè)/共22頁(yè)第十二頁(yè)，共22頁(yè)。調(diào)制結(jié)果，使中心縱模產(chǎn)生初位相一樣、頻率(pnl)為0的兩個(gè)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(gè)邊模再產(chǎn)生(chnshng)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。00+ 0- 第13頁(yè)/共22頁(yè)第十三頁(yè)，共22頁(yè)。3、相位(xingwi)(頻率

8、)調(diào)制模鎖:電光鎖模(1)概念(ginin)使用電光晶體折射率隨外加電壓的變化對(duì)激光進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制頻率為f=c/2L時(shí)，可以獲重復(fù)(chngf)頻率也為f的激光脈沖系列激光介質(zhì) 激光全反鏡輸出鏡起偏鏡檢偏鏡LNxzyUz(2)裝置第14頁(yè)/共22頁(yè)第十四頁(yè)，共22頁(yè)。tdnUEntneecos221)(3330333(3)時(shí)域原理(yunl)外加(wiji)電調(diào)制信號(hào)電光晶體(jngt)中的電場(chǎng)U0:調(diào)制電壓幅度, : 調(diào)制頻率tUtUcos)(0tdUtEcos)(0d:晶體沿電場(chǎng)方向的長(zhǎng)度折射率變化量33:LN晶體有效電光系數(shù)Lcf2tdnlUtnltecos)(2)(3330相移l:

9、晶體沿通光方向的長(zhǎng)度第15頁(yè)/共22頁(yè)第十五頁(yè)，共22頁(yè)。tdnlUdttdtesin)()(33300t0tdtd)(光的頻移為相位(xingwi)相移頻移頻移為零時(shí)(ln sh)，光信號(hào)可輸出形成光脈沖，頻移不為零時(shí)(ln sh)，光信號(hào)經(jīng)頻移積累，移出增益曲線而熄滅證存在兩組無(wú)關(guān)的脈沖系列(xli)，對(duì)應(yīng)于相移波形的極大值與極小值，隨機(jī)輸出其中任意一組第16頁(yè)/共22頁(yè)第十六頁(yè)，共22頁(yè)。cL20tU(t),n(t),(t)tI(t)t(t)U(t):驅(qū)動(dòng)電光器件(qjin)的調(diào)制電信號(hào)n(t)、(t):電光效應(yīng)引起(ynq)折射率變化和相移的波形I(t):鎖模激光(jgung)輸出波形

10、(t):光的頻移波形(4)調(diào)制曲線cL第17頁(yè)/共22頁(yè)第十七頁(yè)，共22頁(yè)。(5)頻域原理(yunl)增益(zngy)曲線中心頻率處的縱模首先起振，光場(chǎng)為)tcos()(000 EtEE0:光場(chǎng)振幅(zhnf)，0:頻率,0:初位相電光器件對(duì)起振縱模進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制光場(chǎng)為cos)tcos()(tcos)(000000tMEtEtE:調(diào)相系數(shù)dnlUMe3330第18頁(yè)/共22頁(yè)第十八頁(yè)，共22頁(yè)。調(diào)制結(jié)果(ji gu)，使中心縱模產(chǎn)生初位相一樣、頻率為0的兩個(gè)邊模)tsin(t)tMsin(21)tcos(E00000000tEt )-Msin(E21)tMsin(21)tcos(E000000000E兩個(gè)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(xli)輸出。00+ 0- cos)tcos()(000tMEtE)cossin()tsin(E-)coscos()tcos(000000tMtMEM11)coscos(tMtMtMcos)cossin(tEtEcos)tMsin(E-)tcos()(000000第19頁(yè)/共22頁(yè)第十九頁(yè)，共22頁(yè)。二、被動(dòng)式鎖模(染料(rnlio)鎖模)激光介質(zhì)染料盒 全反鏡輸出鏡激光1、線性放大：泵浦剛開(kāi)始，工作物質(zhì)對(duì)產(chǎn)生(chnshng)的諸多光脈沖進(jìn)行線性放大2、非線性吸收：染料(rnlio)被漂白，強(qiáng)脈