第七章鎖?，F(xiàn)象

1、第七章 鎖?，F(xiàn)象被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模固體激光器的被動(dòng)鎖模: 在腔內(nèi)放一個(gè)裝有機(jī)染料的染料盒，依靠有機(jī)染料的飽和吸收過程（有機(jī)染料的飽和吸收原理在Q開關(guān)中已經(jīng)講過），染料的吸收率是頻率和光強(qiáng)的函數(shù)。 時(shí)域的分析 頻域的分析和Q開關(guān)的區(qū)別 染料的激發(fā)態(tài)壽命不同 染料盒緊靠全反鏡 被動(dòng)鎖模的物理過程由不規(guī)則的脈沖演變?yōu)殒i模脈沖的物理過程大致分為三個(gè)階段。（一）線性放大階段 各模式振蕩（由光的隨機(jī)起伏相位固定過度）,增加強(qiáng)弱脈沖的差別，甚至使弱脈沖消失。特點(diǎn)：初始階段，有機(jī)染料未飽和非線性吸收光波場(chǎng)自發(fā)輻射的熒光G時(shí)，產(chǎn)生激光，在激光介質(zhì)中線性放大-增益未飽和。 自發(fā)輻射的熒光幾乎包括腔內(nèi)所有模式，頻譜寬

2、，但光強(qiáng)弱，隨著的增加，當(dāng)G 時(shí)，產(chǎn)生激光，激光強(qiáng)度波形漲落形式，腔內(nèi)總電場(chǎng)可表為各模式電場(chǎng)之和。各模之間的相位無規(guī)則分布. 在一周期2L/c時(shí)間內(nèi)，光波通過有機(jī)染料、激活介質(zhì)各一次。強(qiáng)脈沖吸收的少，弱脈沖吸收的多-非線性吸收；在激活介質(zhì)中，強(qiáng)脈沖放大的多，弱脈沖放大的少線性放大，因此強(qiáng)脈沖加強(qiáng)，弱脈沖光強(qiáng)減少，甚至消失，脈沖個(gè)數(shù)減少，頻譜變窄這種變化的周期2L/c 。結(jié)果：脈沖個(gè)數(shù)減少，頻譜變窄，放大的強(qiáng)信號(hào)變得平滑和加寬。注意：由于吸收飽和的光強(qiáng)要比腔中剛開始振蕩的光強(qiáng)高若干數(shù)量級(jí)，因此線性區(qū)比較長(zhǎng)。（二）非線性吸收階段（進(jìn)行相位固定階段）特點(diǎn)： 染料，強(qiáng)脈沖使染料飽和，弱脈沖不能使染料飽

3、和非線性吸收主要作用。工作物質(zhì)增益G未飽和線性放大。在此階段存在三個(gè)重要作用）強(qiáng)脈沖的強(qiáng)度能使染料飽和損耗少（相對(duì)值小）。弱脈沖不能使染料飽和吸收的多在I未達(dá)到Is，工作物質(zhì)中線性放大的少。結(jié)果脈沖個(gè)數(shù)減少到12個(gè)（頻譜窄）。）從時(shí)間域看，脈沖的寬度變窄，對(duì)脈沖的前后沿有壓縮，當(dāng)馳豫時(shí)間即染料的上能級(jí) 脈寬時(shí)，脈沖的前后沿吸收也不同。）從頻譜 加寬頻譜脈沖經(jīng)過染料，激光介質(zhì)時(shí)，可以激發(fā)更多的邊頻耦合了更多的模式，這時(shí)腔內(nèi)的損耗具有周期形 。b（三）非線性放大階段（主要壓縮脈寬階段）特點(diǎn)：染料飽和工作物質(zhì)，增益飽和非線性放大由于脈沖強(qiáng)度進(jìn)一步增大，耦合的模式增大，脈沖前沿的光可使染料飽和，前沿變

4、陡。對(duì)于激活介質(zhì)來說，介質(zhì)增益飽和，強(qiáng)脈沖通過放大介質(zhì)時(shí)，前沿中心部位放大的多，脈沖后沿可能放大的少，經(jīng)過幾次放大過程前后沿變陡脈沖變窄。弱脈沖進(jìn)一步受到抑制，最后腔中剩下一個(gè)脈沖振蕩。從形成過程看，被動(dòng)鎖模是由很多脈沖相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。脈沖的出現(xiàn)是隨機(jī)的，造成每一次輸出不同。受染料的濃度，泵浦光源，諧振腔的結(jié)構(gòu)，調(diào)整誤差影響。鎖模脈沖的形成ta線性階段開始，tb非線性階段開始，tc 非線性放大，增益飽和。td增益降至閾值，到達(dá)最大光強(qiáng)，脈沖的包絡(luò)振幅，由飽和光強(qiáng)和反射鏡的透過率決定。被動(dòng)鎖模在脈沖激光器中進(jìn)行，輸出的脈沖序列包絡(luò)和被動(dòng)Q開關(guān)脈沖相似。被動(dòng)鎖模的過程(1)頻譜：寬頻譜窄寬(2)光

5、強(qiáng)：光的隨機(jī)起伏光有規(guī)律形成一個(gè)脈沖。(3)相位由相位隨機(jī)相位固定。特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：被動(dòng)鎖模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要人為的控制。 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。輸出的強(qiáng)度不穩(wěn)定。 被動(dòng)鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu) 為了消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，應(yīng)格光學(xué)元件表面切成布儒斯特角 用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件(a)染料的吸收諾線與激光波長(zhǎng)相匹配(b)其吸收線的線寬大于或等于激光線寬。(c)其弛豫時(shí)間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間 泵浦功率以略高于激光閾值為宜 染料激光器的被動(dòng)鎖模 被動(dòng)鎖模染料激光器的結(jié)構(gòu) 被動(dòng)鎖模染料激光器的工作原理 與固體染料激光器的不同之處用閃光燈泵浦的染料激光器的諧振腔結(jié)構(gòu) 染料激光器腔內(nèi)參數(shù)對(duì)鎖模的影響 鎖

6、模的穩(wěn)定區(qū)范圍與吸收損耗和增益的大小成正比。較大的吸收損耗產(chǎn)生較寬的穩(wěn)定區(qū)，這時(shí)需要提高泵浦功率。 穩(wěn)定區(qū)范圍非常敏感地依賴于在諧振腔內(nèi)的周期與弛豫時(shí)間之比 31TT鎖模染料激光器的光學(xué)元件 連續(xù)光泵浦被動(dòng)鎖模染料激光器的結(jié)構(gòu) 碰撞鎖模1.碰撞鎖模：是屬于被動(dòng)鎖模的另外的一種形式。在被動(dòng)鎖模中腔內(nèi)存在一個(gè)脈沖，得到間隔為2L/c 的脈沖序列。當(dāng)在被動(dòng)鎖模激光器中，存在兩沿相反方向傳播的兩束光，此兩束光同時(shí)達(dá)到可飽和吸收體，在吸收體中相撞產(chǎn)生干涉，在吸收體處形成光強(qiáng)的空間調(diào)制，因而造成吸收介質(zhì)上下能級(jí)粒子數(shù)的空間周期分布粒子數(shù)分布光柵；此光柵使脈沖壓縮過程加快。2.裝置示意圖 碰撞鎖模激光器裝置

7、 在碰撞鎖模激光器中存在可飽和增益,可飽和吸收,自相位調(diào)制和色散四種主要物理機(jī)制,四者的平衡是獲得窄脈沖穩(wěn)定鎖模的關(guān)鍵.碰撞鎖模環(huán)形激光器同步泵浦鎖模 是采用一臺(tái)鎖模激光器脈沖序列泵浦另一臺(tái)激光器，通過調(diào)制腔內(nèi)增益的方法獲得鎖模 實(shí)現(xiàn)同步泵浦鎖模的關(guān)鍵是使被泵浦激光器的諧振腔長(zhǎng)度與泵浦激光器的諧振腔長(zhǎng)度相等或是它的整數(shù)倍 同步泵浦鎖模對(duì)染料激光器具有實(shí)用意義同步泵浦鎖模原理1）增益階段2）脈沖壓縮階段同步泵浦染料激光器的特性 同步泵浦鎖模激光器的理論分析同步泵浦激光器的諧振腔示意圖M1為100%的反射鏡;M2為反射率為R的輸出鏡;0,1,2,3,4表示循環(huán)周期中脈沖的各個(gè)位置323233233

8、14132313141222( , )( , )( , ), ( , )2( , ), , (4, )(0,)(0, )(0, )(0, )2PppI z tz tn I z tn A z tzznI nn I z tnnntIn IItIthzIthItIthtt 22222324(0, ) ( ) (0, ) ( )2 (0, ) ( )12 (0, ) ( )(0, ) ( )( )exp( (0,)(0,) tpIt G tIt G ttIt G ttIt G ttIt G tG tItItdt11 2321432()()(1)(, )1 (0,)(0,)exp() exp (0,)(

9、0,)FPFPtptpL tRc dRRL tItItnLdtItItdt 穩(wěn)定的脈沖狀態(tài)（鎖模區(qū)） (1)泵浦能量越大或反射率越大，則脈沖能量越大而脈寬越窄。在反射率或泵浦能量比較小的情況下，脈沖寬度倒數(shù)和脈沖能量顯示出單調(diào)的特性。 (2)泵浦能量和反射率不同，產(chǎn)生的最窄脈沖的時(shí)延也不同。 (3)脈沖的形狀與泵浦能量和反射率有關(guān)。當(dāng)泵浦能量和反射率比較小時(shí)，脈沖幾乎是對(duì)稱的。反之，隨著泵浦能量和反射率的增大脈沖逐漸呈不對(duì)稱型。泵浦能量保持不變而脈沖寬度改變，對(duì)激光脈沖的參數(shù)影響不大。 相位調(diào)制脈沖同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu) 泵浦激光器 染料激光器同步泵浦染料激光器的示意 能產(chǎn)生非常穩(wěn)定的超短脈

10、沖的裝置示意圖 快速控制回路 慢速控制回路采用兩種控制回路的同步泵浦染科激光器 自鎖模技術(shù)的發(fā)展 自鎖模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 自鎖模技術(shù)才有可能得到最窄脈沖 噪聲低,穩(wěn)定性好自鎖模自鎖模機(jī)理定義：在一定的條件下，激光介質(zhì)和諧振腔內(nèi)的激光輻射之間的相互作用，可以使振蕩模之間保持一固定相位關(guān)系，而不需加任何其他鎖模元件，自鎖。鈦寶石激光器中的自鎖取得成功。 大多數(shù)認(rèn)為,自鎖?，F(xiàn)象與摻鈦藍(lán)寶石增益介質(zhì)的克爾效應(yīng)引起的光束自聚焦效應(yīng)有關(guān))(20tInnnLnfmmm42)(2tInnmm)(0tI 自鎖模脈沖的形成 初始脈沖的形成 必須首先在腔內(nèi)引入一個(gè)瞬間擾動(dòng) 穩(wěn)定鎖模脈沖的形成 附加啟動(dòng)措施 利用聲光調(diào)制再

11、生啟動(dòng) 利用飽和吸收體 利用量子阱反射器 利用振動(dòng)鏡啟動(dòng)摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器示意圖 激光器的基本組成 諧振腔反射鏡,可以選擇激射波長(zhǎng) 工作介質(zhì) 泵浦源M1M2M3M4CFP2P1L1L2H 工作介質(zhì),摻鈦藍(lán)寶石 物理特性 摻鈦藍(lán)寶石晶體是摻鈦的Al2O3單晶,屬六角晶系 物化性質(zhì)與紅寶石相似,穩(wěn)定性好 熱導(dǎo)率是Nd:YAG的3倍 熔點(diǎn)2050硬度大(9級(jí)),折射率為1.76摻鈦藍(lán)寶石晶體的結(jié)構(gòu) Ti3+的能級(jí)結(jié)構(gòu) Ti3+的電子態(tài)1s22s22p63s23p63d1 角量子數(shù)為l=2,自旋量子數(shù)s=1/2,因此電子軌道有5種取向,能級(jí)為5重簡(jiǎn)并能級(jí)分裂情況鈦寶石晶體的光學(xué)吸收和發(fā)射過程示意圖

12、 吸收光譜,熒光光譜 品質(zhì)因素?fù)解佀{(lán)寶石晶體的吸收光譜摻鈦藍(lán)寶石晶體的熒光光譜rmFOM 泵浦源 氬離子(Ar+)激光器 倍頻YAG激光器 鎖模 自鎖模原理,自聚焦效應(yīng)與光闌 色散補(bǔ)償 自鎖模激光器的自啟動(dòng) 超短脈沖壓縮技術(shù) 超短光脈沖傳輸過程中的非線性效應(yīng) 介質(zhì)中的色散效應(yīng)當(dāng)n2的弛豫時(shí)間Tr遠(yuǎn)遠(yuǎn)比脈沖寬度p快當(dāng)Tr具有比p長(zhǎng)得多得弛豫時(shí)間介質(zhì)的色散)()(20tInnntn)()(2tIntn)()()(2tIKLntnKLt)()()(0ttt)()()(2tIKLntttt)()()(222tIKLnttttc)(exp)(),(rTtttnttntrt dTtttIntn)(exp)

13、()(2t dTtttInttrt)(exp)()(2)()(tIct)()(tItctc222dndD 超短光脈沖在介質(zhì)傳輸中的自相位調(diào)制效應(yīng) 光柵對(duì)v激光腔內(nèi)插入負(fù)色散元件22221TAzAi)2exp(), 0(),(22ziUzUdTiziUtzU)2exp(), 0(21),(22)2exp(), 0(202TTTU)(2exp),(220222020ziTTziTTTzU21201)(1 DLzTT220TLD 自鎖模脈沖的壓縮 產(chǎn)生負(fù)群速度色散的方法有衍射光柵等多種,目前最廣泛應(yīng)用的是在激光腔內(nèi)插入兩塊高色散的棱鏡cos2sin1242232222ddnddnnndndldPd2

14、223222dPdcdd)cos6sin(4323333dndddndndldPd)3(4332232433dPddPdcdd2222)1(dPdclddlvddDgcos lP單一單一脈沖的選取及超短脈沖測(cè)量技術(shù)脈沖的選取及超短脈沖測(cè)量技術(shù)一、單一脈沖的選取鎖模激光器輸出的是一序列脈沖，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要單一脈沖，因此必須從多脈沖中選取一個(gè)脈沖.1脈沖透射法 缺點(diǎn):工作閾值高,腔內(nèi)元件容易損壞,而且腔內(nèi)元件多,容易產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng),且漏光嚴(yán)重,穩(wěn)定性差 腔外選單一脈沖法 在兩個(gè)正交的偏振棱鏡P1 和P2之間放一個(gè)電光Q開關(guān)，當(dāng)鎖模脈沖經(jīng)過時(shí)，被檢偏器反射，經(jīng)透鏡聚焦，擊穿火花隙，將半波電壓矩

15、形脈沖加到電光開關(guān)上，在下一個(gè)脈沖通過電光開關(guān)時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，恰好通過檢偏器，只要加壓時(shí)間 2L/c ，得單一脈沖。至于選哪一個(gè)脈沖，可通過調(diào)整火花隙擊穿功率和由火花隙到電光開關(guān)的延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。一般選能量最大的脈沖。/2V 閘流管觸發(fā)電路工作過程：首先在電光Q開關(guān)加電壓。由激光器輸出的脈沖通過Q開關(guān)時(shí)偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，不能通過偏振器而被反射。當(dāng)光電二極管接收到的光信號(hào)電訊號(hào)去觸發(fā)閘流管使之導(dǎo)通，這時(shí)電光晶體上的電壓通過閘流管放電，退去晶體上的電壓。這時(shí)光束通過晶體時(shí)不旋轉(zhuǎn)90度，光可以通過偏振器，只要退壓時(shí)間，得單一脈沖。二、超短脈沖的測(cè)量目前測(cè)量鎖模的脈沖寬度主要有直接測(cè)量和相關(guān)

16、測(cè)量?jī)煞N類型：1.直接觀察法直接測(cè)量脈沖的實(shí)際寬度。例：條紋照相機(jī)：主要由結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條紋管構(gòu)成。它可把光脈沖直接記錄在照相底片上，通過光密度分析獲得脈沖形狀和寬度。近來出現(xiàn)的新型條紋管，利用了光纖，可以直接給出光脈沖強(qiáng)度I(t)的數(shù)字記錄，分辨力可以測(cè)到12ps。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不適用連續(xù)鎖模激光器，需取出一脈沖。不能測(cè)飛秒脈沖。2.相關(guān)測(cè)量法應(yīng)用較廣，間接測(cè)量。利用相關(guān)函數(shù)的測(cè)試，測(cè)出的相關(guān)函數(shù)曲線不是脈沖的實(shí)際寬度，要通過換算，才能得到脈寬的近似值。(1)相關(guān)函數(shù)2階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)為二階相關(guān)函數(shù)測(cè)得的脈沖波形對(duì)稱。因 ，如果實(shí)際波形不對(duì)稱，此法測(cè)不出。高階相關(guān)函數(shù)。n階單延遲相關(guān)函

17、數(shù)由上式看出，相關(guān)測(cè)試把對(duì)脈沖的瞬時(shí)測(cè)試變成了對(duì)具有相對(duì)延遲的兩個(gè)脈沖乘積的時(shí)間積分進(jìn)行測(cè)試，這樣大大減少了對(duì)于測(cè)試儀器和接收元件時(shí)間響應(yīng)的要求。 目前比較成熟的二階相關(guān)函數(shù)測(cè)量法是雙光子熒光法和二次諧波法。(2)(2)( )()GG)()()()()()()(42222tEtEtEtItItIG)()()()(),(11121tItItItIGnnnn雙光子熒光法是利用激光脈沖激發(fā)染料的熒光，分析熒光的強(qiáng)度即可獲得激光脈沖二階相關(guān)函數(shù)的寬度。a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。b.適合脈沖激光器。c.但要求調(diào)整精度高。d.對(duì)各種不同波長(zhǎng)的激光要選用不同的染料。e.靈敏度低，分析周期長(zhǎng)。例如若丹明6G丙酮溶液，當(dāng)基

18、態(tài)的粒子吸收兩光子躍遷到高能態(tài)，然后無輻射躍遷到能級(jí)，最后由能級(jí)自發(fā)輻射躍遷到能級(jí)發(fā)出熒光，其頻率等于入射光頻率的2倍。雙光子效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)裝置如下： M3分束鏡，把入射光分成相等的兩束光，M1M2全反鏡由激光器輸出的激光進(jìn)入雙光子熒光測(cè)試系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，把一束光分成兩束光，沿相反方向進(jìn)入染料中，得到的熒光強(qiáng)度與兩束光重合的程度有關(guān)。重合的少，熒光弱，光全重合，熒光最強(qiáng)。1( )( ) cos( )E tE ttt2()() cos ()()E tE ttt412( )()fIE tE t412( )( )()fFAI dtAE tE tdt 44224FAEt dtEtdtEt Etdt442

19、()( )FEtdtEt dt22( )24( )()FAFE tE tdt22(2)( )21( )()1 2( )2FAE tE tdtGAFF(2)222( ) ()1( )()( )( )I t I tdtGE tE t dtFIt dta.當(dāng) 0 兩束光完全重合 b. 兩束光完全不重疊： 產(chǎn)生的背景光是兩束光分別產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度。完全重疊與完全不重疊的熒光強(qiáng)度之比3 1在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了熒光波形的寬度 （或 寬度），是熒光波形實(shí)際空間距離，然后換算成脈沖寬度。經(jīng)驗(yàn)證，設(shè)脈寬則 光脈沖的波形系數(shù)，方波： ，高斯形： ，洛侖茲形： n染料的折射率2(2)2( )( )1( )It dtGIt

20、dt ( )(0)FF(0)32FAF(2)( )0G( )2FAFp(2)( )Gpznc pz nc 而1221特點(diǎn)：1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合脈沖激光器。 2.底片的感光度的非線性給測(cè)量帶來誤差分辨力底。 3.存在背景光，測(cè)量的波形不能反映實(shí)際的波形。 4.要求實(shí)際調(diào)整精度高，分析周期長(zhǎng)，靈敏度低。二次諧波法根據(jù)非線性光學(xué)原理，當(dāng)兩束光頻率為的光通過非線性晶體時(shí)，如果滿足一定的相位匹配條件，產(chǎn)生頻率為2 的倍頻光，產(chǎn)生的倍頻光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度的平方成正比，因此通過一定的裝置（邁克爾遜干涉儀）把光分成相等的兩束光，使之改變兩束光的重合程度，從而接收到不同強(qiáng)度的倍頻光相關(guān)測(cè)量。設(shè)兩束光的電場(chǎng)強(qiáng)度

21、光電探測(cè)器接收到的不是瞬時(shí)光強(qiáng)，而是積分強(qiáng)度。 11( )cosE tE tt22( )cosEtE tt2212( )( )()EtK E tEt而 背景光當(dāng)移動(dòng)全反棱鏡時(shí)，則第二束光到達(dá)倍頻晶體的時(shí)間在改變，在變24212( )( )( )()SEtdtK E tE tdt2( )( )132SG )(21 2)2(2GKWdttEdttEW)()(2442 在 之間變化時(shí)，在13之間變化。因此移動(dòng)全反棱鏡I2，則輸出的倍頻光不同，把輸出送到函數(shù)記錄儀中，同時(shí)測(cè)出 ，通過多點(diǎn)測(cè)量可以大致確定I(t)的形狀和脈寬，因此把對(duì)時(shí)間的測(cè)量轉(zhuǎn)變成對(duì)長(zhǎng)度的測(cè)量。脈寬 ， 波形函數(shù)與 同特點(diǎn)：測(cè)量的精度高,分辨力高,處理數(shù)據(jù)方便，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并需逐點(diǎn)測(cè)量。上述的倍頻即第一類角度相位匹配（共線）存在背景光造成測(cè)量誤差。如果采用第二類共線匹配 o+ee這時(shí)無背景光 非共線匹配第類可以實(shí)現(xiàn)無背景光，只要改變?nèi)肷鋬晒庀嘟坏慕嵌?，即可?duì)多種波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試。0 T2( )2S2( )2S0lpTT02plTc而02 lTc(2)( )pTG 幾種典型的鎖模激光器 摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器 半導(dǎo)體鎖模激光器 增益開關(guān) 主動(dòng)鎖