激光技術(shù)第五講.

1、激光技術(shù)-第五講主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模鎖模基本原理鎖?；驹鞦第六章第六章 超短脈沖技術(shù)超短脈沖技術(shù)被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模鎖模新技術(shù)與進(jìn)展鎖模新技術(shù)與進(jìn)展10ps激光與激光與35ns調(diào)調(diào)Q激光加工質(zhì)量的比較激光加工質(zhì)量的比較 20ps激光對(duì)半導(dǎo)激光對(duì)半導(dǎo)體邏輯器件的加工體邏輯器件的加工 100fs激光對(duì)熔融石英和不銹鋼的加工激光對(duì)熔融石英和不銹鋼的加工 100fs激光對(duì)聚甲基激光對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯的加工丙烯酸甲酯的加工 Femtosecond Stroboscopy第一節(jié)第一節(jié) 鎖模基本原理鎖?；驹?超短脈沖激光的脈寬在超短脈沖激光的脈寬在ps到到fs量級(jí)量級(jí)，通過(guò)鎖模技術(shù)產(chǎn)

2、生，是對(duì)，通過(guò)鎖模技術(shù)產(chǎn)生，是對(duì)微觀微觀世界世界進(jìn)行研究和揭示新的進(jìn)行研究和揭示新的超快過(guò)程超快過(guò)程的重要手段，并在的重要手段，并在激光加工激光加工領(lǐng)領(lǐng)域有重要應(yīng)用。域有重要應(yīng)用。6.1.1 多模激光器的輸出特性多模激光器的輸出特性先討論未經(jīng)鎖模的先討論未經(jīng)鎖模的多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。對(duì)腔長(zhǎng)為的輸出特性。對(duì)腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其的激光器，其縱模的頻率間隔縱模的頻率間隔為為12qqqcL自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過(guò)閾值的縱模，由于模式競(jìng)爭(zhēng)和個(gè)超過(guò)閾值的縱模，由于模式競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)境的擾動(dòng)，環(huán)境的擾動(dòng)，這些模的振幅及相位都這些模的振幅

3、及相位都不固定不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值均的統(tǒng)計(jì)值。假設(shè)在激光工作物質(zhì)的假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線(xiàn)寬凈增益線(xiàn)寬內(nèi)包含有內(nèi)包含有N+1個(gè)縱模，激光器個(gè)縱模，激光器輸出的光波電場(chǎng)是輸出的光波電場(chǎng)是N+1個(gè)縱模電場(chǎng)的和。個(gè)縱模電場(chǎng)的和。 0cosNqqqqE tEt在一般情況下，由于環(huán)境的擾動(dòng)和激在一般情況下，由于環(huán)境的擾動(dòng)和激光器自身的噪聲，這光器自身的噪聲，這N+1個(gè)縱模的個(gè)縱模的相相位位 q之間是無(wú)關(guān)的之間是無(wú)關(guān)的，各縱模之間不相，各縱模之間不相干干。輸出激光強(qiáng)度分布具有噪聲特性輸出激光

4、強(qiáng)度分布具有噪聲特性。某一瞬時(shí)的輸出光強(qiáng)為：某一瞬時(shí)的輸出光強(qiáng)為： 222cos2cos.cosqqqqqqqqqqq qI tEtEtE Ett接收到的光強(qiáng)是在一段比激光周期大得多的時(shí)間內(nèi)平均值接收到的光強(qiáng)是在一段比激光周期大得多的時(shí)間內(nèi)平均值，其平，其平均光強(qiáng)為：均光強(qiáng)為：122011( )( )( )tI tEtEt dtt 1122201012011cos21cos.cos012tqqqqqqtqqqqqqq qNqqEtdtEtE EttdttI tE結(jié)論：平均光強(qiáng)是各個(gè)縱模光強(qiáng)之和。結(jié)論：平均光強(qiáng)是各個(gè)縱模光強(qiáng)之和。6.1.2 6.1.2 鎖模的基本原理鎖模的基本原理采用適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

5、，采用適當(dāng)?shù)拇胧?，使相鄰縱模的相位差為使相鄰縱模的相位差為 ，縱模頻率間隔固定。，縱模頻率間隔固定。設(shè)超過(guò)閾值的縱模數(shù)為設(shè)超過(guò)閾值的縱模數(shù)為2N+1，為運(yùn)算方便，設(shè)所有振蕩模的振，為運(yùn)算方便，設(shè)所有振蕩模的振幅均為幅均為E0，處在增益曲線(xiàn)中心的縱模的角頻率為，處在增益曲線(xiàn)中心的縱模的角頻率為 0，初位相為，初位相為0，模序數(shù)為模序數(shù)為0。第。第q個(gè)振蕩模的電場(chǎng)可表示為個(gè)振蕩模的電場(chǎng)可表示為00( )cos()cosqqqqE tEtEqtq 縱模間隔縱模間隔激光器輸出總光場(chǎng)是激光器輸出總光場(chǎng)是2N+1個(gè)縱模相干的結(jié)果個(gè)縱模相干的結(jié)果0000( )( )cos ()cos12cos()2cos

6、2()2cos 3()2 cos()cos()cos()2coscos11sincos122coscos 2cos1sin2cos(NNqqNqNE tE tEqtqEttttNtt 利用和則11sin()cos (1)()22)cos2()cos()1sin ()21cos sinsin()sin()211sin (21)()sin ()122,12sin ()2NtNtttNttabababNttt利用所以 上式0000011sin (21)()sin ()22( )cos11sin ()21sin (21)()2cos( )cos1sin ()2NttE tEttNtEtA ttt 01

7、sin2121sin2tA tEt式中2N+1個(gè)縱模鎖相以后，總的光場(chǎng)變?yōu)轭l率為個(gè)縱模鎖相以后，總的光場(chǎng)變?yōu)轭l率為 0的調(diào)幅波。振幅的調(diào)幅波。振幅是一隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，光強(qiáng)是一隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，光強(qiáng)I(t)正比于正比于A2(t)，光強(qiáng)也受到了，光強(qiáng)也受到了調(diào)制。調(diào)制。為討論方便，假定為討論方便，假定 =0 01sin2121sin2tA tEt（對(duì)比物理光學(xué)中的（對(duì)比物理光學(xué)中的多縫衍射）多縫衍射）A(t)為周期函數(shù)，從周期、極值、零點(diǎn)的角度討論其變化規(guī)律：為周期函數(shù)，從周期、極值、零點(diǎn)的角度討論其變化規(guī)律：A(t)的周期為的周期為2L/c，在一個(gè)周期內(nèi)有，在一個(gè)周期內(nèi)有2N個(gè)零值點(diǎn)，

8、以及個(gè)零值點(diǎn)，以及2N+1個(gè)個(gè)極值點(diǎn)；極值點(diǎn)；在在t=0和和t=2L/c時(shí)，時(shí)，A(t)取得極大值，振幅為取得極大值，振幅為(2N+1)E0;A2(t)在一個(gè)周期內(nèi)有在一個(gè)周期內(nèi)有2N-1個(gè)次級(jí)大，各極大值之間的間隔相等。個(gè)次級(jí)大，各極大值之間的間隔相等。作業(yè)：用作業(yè)：用MATLAB畫(huà)出畫(huà)出A(t)和和A2(t)，取，取N=3，E0=1，L=100mm。兩個(gè)主脈沖的間隔恰好是一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)往返一周的時(shí)間，所兩個(gè)主脈沖的間隔恰好是一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)往返一周的時(shí)間，所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)來(lái)回傳播。以鎖模振蕩也可以理解為只有一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)來(lái)回傳播。 01sin2121sin2

9、tA tEt主脈沖主脈沖次脈沖次脈沖多個(gè)縱模鎖模的結(jié)果，出現(xiàn)了下列有意義的現(xiàn)象：多個(gè)縱模鎖模的結(jié)果，出現(xiàn)了下列有意義的現(xiàn)象：激光器的輸出是激光器的輸出是間隔為間隔為 =2L/c的規(guī)則脈沖序列；的規(guī)則脈沖序列；每個(gè)每個(gè)脈沖的寬度脈沖的寬度即近似等于即近似等于振蕩線(xiàn)寬的倒數(shù)振蕩線(xiàn)寬的倒數(shù)；在極限情況下，增益線(xiàn)寬越寬，可在極限情況下，增益線(xiàn)寬越寬，可能得到的鎖模脈寬越窄；能得到的鎖模脈寬越窄；輸出脈沖的峰值功率正比于輸出脈沖的峰值功率正比于E02(2N+1)2，而自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，而自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器的平均功率正比于的平均功率正比于E02(2N+1)；多模激光器相位鎖定后，多模激光器相位鎖定后，輸出一

10、個(gè)峰值功率高、脈沖寬度窄的輸出一個(gè)峰值功率高、脈沖寬度窄的脈沖序列，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨(dú)立，每個(gè)模的功率應(yīng)脈沖序列，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨(dú)立，每個(gè)模的功率應(yīng)看成是所有振蕩模提供的看成是所有振蕩模提供的。 01sin2121sin2tA tEt主脈沖主脈沖次脈沖次脈沖12121(21)qLNcN6.1.3 6.1.3 鎖模的方法鎖模的方法除了鎖縱模以外，還可以鎖橫模，或縱橫模同時(shí)鎖定。但鎖縱模除了鎖縱模以外，還可以鎖橫模，或縱橫模同時(shí)鎖定。但鎖縱模是主流，本章主要討論以下幾種鎖模方式是主流，本章主要討論以下幾種鎖模方式1. 主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模周期性調(diào)制諧振腔的參量，當(dāng)周期性調(diào)制諧振腔

11、的參量，當(dāng)選擇的調(diào)制頻率與縱模間隔相等選擇的調(diào)制頻率與縱模間隔相等時(shí)，所有的模達(dá)到同步，形成鎖模系列脈沖時(shí)，所有的模達(dá)到同步，形成鎖模系列脈沖。2. 被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模由于可飽和吸收體的非線(xiàn)性吸收特性，由于可飽和吸收體的非線(xiàn)性吸收特性，強(qiáng)度最大的激光脈沖經(jīng)強(qiáng)度最大的激光脈沖經(jīng)受最小的損耗受最小的損耗，從而得到很強(qiáng)的鎖模脈沖。，從而得到很強(qiáng)的鎖模脈沖。3. 自鎖模自鎖模利用激活介質(zhì)本身的非線(xiàn)性效應(yīng)利用激活介質(zhì)本身的非線(xiàn)性效應(yīng)，保持確定的縱模間隔和初位，保持確定的縱模間隔和初位相關(guān)系，實(shí)現(xiàn)縱模鎖定。相關(guān)系，實(shí)現(xiàn)縱模鎖定。4. 同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模通過(guò)周期性通過(guò)周期性調(diào)制諧振腔的增益調(diào)制諧振腔的增

12、益來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模。來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模。第二節(jié)第二節(jié) 主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模是主動(dòng)鎖模是在腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器在腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確的調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確的等于縱模間隔等于縱模間隔。根據(jù)調(diào)制的原理，可分為相位調(diào)制和振幅調(diào)制。根據(jù)調(diào)制的原理，可分為相位調(diào)制和振幅調(diào)制。6.2.1 6.2.1 振幅調(diào)制鎖模振幅調(diào)制鎖模利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模，損耗調(diào)制的頻率利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模，損耗調(diào)制的頻率為為c/2L，調(diào)制周期正好是光脈沖在腔內(nèi)來(lái)回一周的時(shí)間。，調(diào)制周期正好是光脈沖在腔內(nèi)來(lái)回一周的時(shí)間。將調(diào)制將調(diào)制器放在腔的一端器放在腔的一端。設(shè)在某時(shí)刻設(shè)在某時(shí)刻t

13、1通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)受到的損耗為通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)受到的損耗為 (t1)，在脈沖，在脈沖往返一周時(shí)，該信號(hào)受到同樣的調(diào)制，往返一周時(shí)，該信號(hào)受到同樣的調(diào)制，若損耗大于腔內(nèi)的增益，若損耗大于腔內(nèi)的增益，這部分光波最終消失這部分光波最終消失。在損耗在損耗 (t1)=0時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光，時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光，每次都能無(wú)損耗的通過(guò)每次都能無(wú)損耗的通過(guò)，不斷得到放大。不斷得到放大。如果腔內(nèi)的損耗及增益控制得當(dāng)，將如果腔內(nèi)的損耗及增益控制得當(dāng)，將形成脈寬很窄、周期為形成脈寬很窄、周期為2L/c的脈沖序列輸出的脈沖序列輸出。以最簡(jiǎn)單的正弦調(diào)制為例，以最簡(jiǎn)單的正弦調(diào)制為例，從頻率特從頻率特性來(lái)討論振幅調(diào)制的基

14、本原理性來(lái)討論振幅調(diào)制的基本原理。設(shè)調(diào)。設(shè)調(diào)制信號(hào)為制信號(hào)為 tAtamm21sin調(diào)制信號(hào)為零時(shí)，腔內(nèi)損耗最小調(diào)制信號(hào)為零時(shí)，腔內(nèi)損耗最小，而，而調(diào)制信號(hào)等于正負(fù)最大時(shí)，腔內(nèi)損耗調(diào)制信號(hào)等于正負(fù)最大時(shí)，腔內(nèi)損耗均為最大值。所以均為最大值。所以損耗變化的頻率為損耗變化的頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍，損耗率，損耗率 00cosmtt調(diào)制器的透過(guò)率調(diào)制器的透過(guò)率 00cosmT tTTt未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的損耗未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的損耗00未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的透過(guò)率未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的透過(guò)率001TTTT調(diào)制前腔內(nèi)的光場(chǎng)為調(diào)制前腔內(nèi)的光場(chǎng)為受到調(diào)制后的光場(chǎng)為受到調(diào)制后的

15、光場(chǎng)為對(duì)上式展開(kāi)對(duì)上式展開(kāi) sincccE tEt 00cossin1cossincmcccmccE tETTttAmtt0-ccAE T光波場(chǎng)振幅0-ccETmA調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)( )sin1sin21sin2cccccmcccmcE tAtmAtmAt載頻載頻上邊頻上邊頻下邊頻下邊頻三個(gè)頻率的光的相位均相同。第三個(gè)頻率的光的相位均相同。第q個(gè)振蕩模里會(huì)出現(xiàn)其他模的振蕩，個(gè)振蕩模里會(huì)出現(xiàn)其他模的振蕩，損耗調(diào)制的結(jié)果是把各個(gè)縱模聯(lián)系起來(lái)?yè)p耗調(diào)制的結(jié)果是把各個(gè)縱模聯(lián)系起來(lái)鎖模過(guò)程如下：鎖模過(guò)程如下：處于增益譜線(xiàn)中心的縱模角頻率為處于增益譜線(xiàn)中心的縱模角頻率為 0，其增益最高，首先開(kāi)始振蕩其增益最

16、高，首先開(kāi)始振蕩調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)變頻分量調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)變頻分量 0 m，當(dāng)損耗調(diào)制頻率與縱模間隔，當(dāng)損耗調(diào)制頻率與縱模間隔相等時(shí)相等時(shí)由調(diào)制激發(fā)的邊頻即為與由調(diào)制激發(fā)的邊頻即為與 0相鄰的兩個(gè)縱模頻率，且與相鄰的兩個(gè)縱模頻率，且與 0具有確定具有確定的振幅和相同的相位關(guān)系。的振幅和相同的相位關(guān)系。 1和和 -1又會(huì)激發(fā)新的邊頻分量，直到又會(huì)激發(fā)新的邊頻分量，直到增益線(xiàn)寬內(nèi)的所有縱模都被耦合為止。各縱模相干疊加，形成了增益線(xiàn)寬內(nèi)的所有縱模都被耦合為止。各縱模相干疊加，形成了強(qiáng)而窄的光脈沖序列，這就是振幅調(diào)制鎖模的基本原理。強(qiáng)而窄的光脈沖序列，這就是振幅調(diào)制鎖模的基本原理。 000cos

17、EtEt2mqcL 10010022mmcLcL相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)電光調(diào)制器，相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)電光調(diào)制器，光波在不同的時(shí)刻光波在不同的時(shí)刻通過(guò)介質(zhì)，便有不同的相位延遲通過(guò)介質(zhì)，便有不同的相位延遲，以鈮酸鋰晶體的相位調(diào)制為例。，以鈮酸鋰晶體的相位調(diào)制為例。設(shè)光沿設(shè)光沿x方向傳播，沿方向傳播，沿z方向施加調(diào)制信號(hào)電壓，即采用橫向運(yùn)用方向施加調(diào)制信號(hào)電壓，即采用橫向運(yùn)用方式，對(duì)于方式，對(duì)于LN，主軸坐標(biāo)系不變主軸坐標(biāo)系不變，則晶體的折射率，則晶體的折射率6.2.2 6.2.2 相位調(diào)制鎖模相位調(diào)制鎖模31333301212cosxyoozzeezzmnnnnEnnnEVEtd光

18、波通過(guò)晶體后產(chǎn)生的相位延遲光波通過(guò)晶體后產(chǎn)生的相位延遲33302( )( )cosemltl n tn Vtd頻率的變化是相位變化對(duì)時(shí)間的微分頻率的變化是相位變化對(duì)時(shí)間的微分 3330sinemmdtltn Vtdtd參考：晶體光學(xué)原理，李恭亮，國(guó)防工參考：晶體光學(xué)原理，李恭亮，國(guó)防工業(yè)出版社，業(yè)出版社，1990相位調(diào)制的作用可理解為一種頻相位調(diào)制的作用可理解為一種頻移，使光波的頻率向大（或?。┮?，使光波的頻率向大（或?。┑姆较虻囊苿?dòng)。的方向的移動(dòng)。脈沖每經(jīng)過(guò)調(diào)制脈沖每經(jīng)過(guò)調(diào)制器一次，就發(fā)生一次頻移，最后器一次，就發(fā)生一次頻移，最后移到增益曲線(xiàn)之外移到增益曲線(xiàn)之外。只有那些與相位變化的極值點(diǎn)相

19、只有那些與相位變化的極值點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，通過(guò)調(diào)制器的光信，通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)，其號(hào)，其頻率不發(fā)生變化頻率不發(fā)生變化，在腔內(nèi)，在腔內(nèi)保存下來(lái)，不斷得到放大，從而保存下來(lái)，不斷得到放大，從而形成周期為形成周期為2L/c的脈沖序列。的脈沖序列。每個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)頻率不變點(diǎn)，每個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)頻率不變點(diǎn)，這增加了鎖模脈沖位置的相位不這增加了鎖模脈沖位置的相位不穩(wěn)定性。在不采取必要措施時(shí)，穩(wěn)定性。在不采取必要措施時(shí)，其輸出脈沖可從一列自發(fā)跳變到其輸出脈沖可從一列自發(fā)跳變到另一列。另一列?？刹捎梅答伩刂频姆绞娇刹捎梅答伩刂频姆绞椒€(wěn)定鎖模脈沖。穩(wěn)定鎖模脈沖。參考：固體激光工程，參考：固體激光工程，

20、W. 克希耐爾，克希耐爾，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2002同樣，同樣，可從頻率特性進(jìn)行分析可從頻率特性進(jìn)行分析，假設(shè)未調(diào)制的光場(chǎng)為，假設(shè)未調(diào)制的光場(chǎng)為 cosccE tAt經(jīng)過(guò)相位調(diào)制后的光場(chǎng)為經(jīng)過(guò)相位調(diào)制后的光場(chǎng)為 3330coscosccmelE tAtmtmn Vd將上式展開(kāi)，調(diào)制深度將上式展開(kāi)，調(diào)制深度m 1時(shí)，得時(shí)，得( )coscoscos22cccccmcmAAE tAtmtmt上式表示的頻譜與調(diào)幅振蕩的頻譜基本相同上式表示的頻譜與調(diào)幅振蕩的頻譜基本相同m 比較大時(shí)比較大時(shí) 0123coscoscoscos2cos2cos3cos3cccmcmcmcmcmcmE tA JmtJm

21、ttJmttJmtt調(diào)頻振蕩的頻譜由無(wú)限多個(gè)邊頻組成，而且這些邊頻光都具有相調(diào)頻振蕩的頻譜由無(wú)限多個(gè)邊頻組成，而且這些邊頻光都具有相同的頻率間隔和相位同的頻率間隔和相位，當(dāng)它們將相應(yīng)的縱模激發(fā)起來(lái)并耦合時(shí)，當(dāng)它們將相應(yīng)的縱模激發(fā)起來(lái)并耦合時(shí)，就可達(dá)到鎖模的目的。就可達(dá)到鎖模的目的。6.2.3 6.2.3 主動(dòng)鎖模激光器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主動(dòng)鎖模激光器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)最簡(jiǎn)單的主動(dòng)鎖模激光器是由自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器中插入一個(gè)調(diào)制器最簡(jiǎn)單的主動(dòng)鎖模激光器是由自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器中插入一個(gè)調(diào)制器組成的。組成的。調(diào)制器可以是聲光損耗調(diào)制器，也可以是電光相位或損調(diào)制器可以是聲光損耗調(diào)制器，也可以是電光相位或損耗調(diào)制

22、器。設(shè)計(jì)主動(dòng)鎖模激光器時(shí)，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：耗調(diào)制器。設(shè)計(jì)主動(dòng)鎖模激光器時(shí)，應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：1. 主動(dòng)鎖模激光器中所有光學(xué)元件的要求應(yīng)比一般調(diào)主動(dòng)鎖模激光器中所有光學(xué)元件的要求應(yīng)比一般調(diào)Q器件更加器件更加嚴(yán)格，端面的反射率必須控制在最小，否則由于嚴(yán)格，端面的反射率必須控制在最小，否則由于標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)會(huì)減少縱模個(gè)數(shù)，破壞鎖模的效果減少縱模個(gè)數(shù)，破壞鎖模的效果。為此，。為此，各元件的反射端面應(yīng)各元件的反射端面應(yīng)切成布儒斯特角，或鍍?cè)鐾改?，反射鏡作成楔形。切成布儒斯特角，或鍍?cè)鐾改?，反射鏡作成楔形。2. 調(diào)制器應(yīng)放在腔內(nèi)盡量靠近反射鏡處調(diào)制器應(yīng)放在腔內(nèi)盡量靠近反射鏡處，以便得到最大的縱模之，

23、以便得到最大的縱模之間的耦合效果。間的耦合效果。假定調(diào)制器放在腔中間，則光束兩次通過(guò)調(diào)制器的時(shí)間間隔是假定調(diào)制器放在腔中間，則光束兩次通過(guò)調(diào)制器的時(shí)間間隔是L/c。如果腔內(nèi)損耗變化的頻率。如果腔內(nèi)損耗變化的頻率 m=c/2L，當(dāng)光束第一次通過(guò)調(diào)，當(dāng)光束第一次通過(guò)調(diào)制器時(shí)假定損耗最小，第二次通過(guò)調(diào)制器時(shí)損耗最大，則得不制器時(shí)假定損耗最小，第二次通過(guò)調(diào)制器時(shí)損耗最大，則得不到鎖模脈沖輸出。到鎖模脈沖輸出。另外，另外，調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小，這時(shí)鎖模效果最好。，這時(shí)鎖模效果最好。此時(shí)，光波通過(guò)調(diào)制器時(shí)損耗更小。此時(shí)，光波通過(guò)調(diào)制器時(shí)損耗更小。3. 鎖模調(diào)制器的頻

24、率必須嚴(yán)格調(diào)諧鎖模調(diào)制器的頻率必須嚴(yán)格調(diào)諧到到否則會(huì)使激光器工作越出鎖模區(qū)否則會(huì)使激光器工作越出鎖模區(qū)1224mqmqccffLL （Phas e m odul at i on）（Am pl i t ude m odul at i on）4. 主動(dòng)鎖模激光器的失諧問(wèn)題主動(dòng)鎖模激光器的失諧問(wèn)題調(diào)制器的激勵(lì)頻率嚴(yán)格地等于腔的縱模間隔的情況稱(chēng)為無(wú)失諧調(diào)制器的激勵(lì)頻率嚴(yán)格地等于腔的縱模間隔的情況稱(chēng)為無(wú)失諧情況，反之，即為失諧情況。定義情況，反之，即為失諧情況。定義失諧量失諧量為為mqqq 為了補(bǔ)償失諧，除采用被動(dòng)的穩(wěn)定腔長(zhǎng)和調(diào)制頻率外，還應(yīng)采為了補(bǔ)償失諧，除采用被動(dòng)的穩(wěn)定腔長(zhǎng)和調(diào)制頻率外，還應(yīng)采用用電

25、子反饋線(xiàn)路（鎖相環(huán)路）進(jìn)行補(bǔ)償電子反饋線(xiàn)路（鎖相環(huán)路）進(jìn)行補(bǔ)償。第三節(jié)第三節(jié) 被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗，當(dāng)滿(mǎn)足，當(dāng)滿(mǎn)足鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。被動(dòng)鎖模分為固體激鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。被動(dòng)鎖模分為固體激光器的被動(dòng)鎖模和染料激光器的被動(dòng)鎖模兩種類(lèi)型。光器的被動(dòng)鎖模和染料激光器的被動(dòng)鎖模兩種類(lèi)型。6.3.1 6.3.1 固體激光器的被動(dòng)鎖模固體激光器的被動(dòng)鎖模1. 工作原理工作原理由于染料的可飽和吸收特性，弱的信號(hào)透由于染料的可飽和吸收特性，弱的信號(hào)透過(guò)率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號(hào)

26、透過(guò)過(guò)率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號(hào)透過(guò)率大，損耗小率大，損耗小。所以。所以光脈沖每經(jīng)過(guò)染料和光脈沖每經(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)值就改變一次就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值和極小值之差會(huì)越來(lái)越大。最終和極小值之差會(huì)越來(lái)越大。最終強(qiáng)脈沖的強(qiáng)脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過(guò)，則使脈沖變窄過(guò)，則使脈沖變窄。要求可飽和吸收體的上能級(jí)壽命特別短。要求可飽和吸收體的上能級(jí)壽命特別短。從頻域分析從頻域分析，開(kāi)始時(shí)自發(fā)輻射的熒光以及達(dá)到閾值所產(chǎn)生的激光，開(kāi)始時(shí)自發(fā)輻射的熒光以及達(dá)

27、到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖，經(jīng)過(guò)可飽和吸收染料的選擇作用，漲落脈沖，經(jīng)過(guò)可飽和吸收染料的選擇作用，只剩下高增益的中只剩下高增益的中心波長(zhǎng)心波長(zhǎng) 0及其邊頻及其邊頻，邊頻信號(hào)又激發(fā)新的邊頻邊頻信號(hào)又激發(fā)新的邊頻，如此繼續(xù)下去，如此繼續(xù)下去，使得增益線(xiàn)寬內(nèi)所有的模式參與振蕩，于是便得到一系列周期為使得增益線(xiàn)寬內(nèi)所有的模式參與振蕩，于是便得到一系列周期為2L/c的脈沖序列輸出。的脈沖序列輸出。由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的過(guò)程的實(shí)質(zhì)是由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的過(guò)程的實(shí)質(zhì)是最強(qiáng)的脈沖得到最強(qiáng)的脈沖得到有選擇的加強(qiáng)，背景脈沖逐漸的被抑制。有選擇的加強(qiáng)，背景脈沖逐漸的被抑制。物理過(guò)程大致分為三個(gè)物理過(guò)

28、程大致分為三個(gè)階段階段線(xiàn)性放大階段線(xiàn)性放大階段如圖如圖ac所示，所示，在閃光燈泵浦下，當(dāng)超過(guò)激光閾值時(shí)，具有在閃光燈泵浦下，當(dāng)超過(guò)激光閾值時(shí)，具有隨隨機(jī)相位關(guān)系機(jī)相位關(guān)系的激光模之間發(fā)生干涉，因而導(dǎo)致的激光模之間發(fā)生干涉，因而導(dǎo)致光強(qiáng)度的起伏，光強(qiáng)度的起伏，脈沖總量很大脈沖總量很大。在可飽和吸收體中，對(duì)強(qiáng)脈沖吸收得少對(duì)弱。在可飽和吸收體中，對(duì)強(qiáng)脈沖吸收得少對(duì)弱脈沖吸收的多。在經(jīng)過(guò)激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線(xiàn)性放大，其結(jié)果脈沖吸收的多。在經(jīng)過(guò)激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線(xiàn)性放大，其結(jié)果就發(fā)生就發(fā)生自然選模作用自然選模作用。線(xiàn)性放大過(guò)程使頻譜變窄，線(xiàn)性放大過(guò)程使頻譜變窄，被放大后被放大后的信號(hào)起伏得到平滑和展寬。線(xiàn)性放

29、大階段的持續(xù)時(shí)間比較的信號(hào)起伏得到平滑和展寬。線(xiàn)性放大階段的持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)。長(zhǎng)。非線(xiàn)性吸收階段非線(xiàn)性吸收階段該階段的主要特點(diǎn)是該階段的主要特點(diǎn)是強(qiáng)脈沖使染料吸收飽和強(qiáng)脈沖使染料吸收飽和，“漂白漂白”了染了染料，從而使脈沖強(qiáng)度得到很快的增長(zhǎng)，而大量的弱脈沖受到料，從而使脈沖強(qiáng)度得到很快的增長(zhǎng)，而大量的弱脈沖受到染料的吸收而被抑制掉，染料的吸收而被抑制掉，使發(fā)射脈沖變窄，頻譜增寬使發(fā)射脈沖變窄，頻譜增寬，如圖，如圖d所示所示。非線(xiàn)性放大階段非線(xiàn)性放大階段強(qiáng)脈沖使激光增益介質(zhì)的強(qiáng)脈沖使激光增益介質(zhì)的增益達(dá)到飽和增益達(dá)到飽和，當(dāng)強(qiáng)脈沖經(jīng)過(guò)增益，當(dāng)強(qiáng)脈沖經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)時(shí)，前沿及中心部位放大得多，由于反轉(zhuǎn)粒

30、子數(shù)的消耗，介質(zhì)時(shí)，前沿及中心部位放大得多，由于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的消耗，增益下降，致使脈沖后沿放大的少，甚至得不到放大，增益下降，致使脈沖后沿放大的少，甚至得不到放大，其結(jié)其結(jié)果使前后沿變陡，脈沖變窄果使前后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎被完全抑制，最后，小脈沖幾乎被完全抑制，最后輸出一個(gè)高強(qiáng)度窄脈寬的脈沖序列，如圖輸出一個(gè)高強(qiáng)度窄脈寬的脈沖序列，如圖e所示所示。此階段脈沖此階段脈沖壓縮，頻譜進(jìn)一步加寬。壓縮，頻譜進(jìn)一步加寬。6.3.2 6.3.2 染料激光器的被動(dòng)鎖模染料激光器的被動(dòng)鎖模在染料激光器諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收染料，可以實(shí)現(xiàn)染料激光在染料激光器諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收染料，可以實(shí)現(xiàn)染料激光器

31、的被動(dòng)鎖模，產(chǎn)生飛秒量級(jí)超短脈沖。器的被動(dòng)鎖模，產(chǎn)生飛秒量級(jí)超短脈沖。1. 碰撞鎖模原理碰撞鎖模原理當(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)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)粒粒子數(shù)的空間周期分布粒子數(shù)分布光柵子數(shù)的空間周期分布粒子數(shù)分布光柵；兩個(gè)脈沖每經(jīng)過(guò)光柵；兩個(gè)脈沖每經(jīng)過(guò)光柵一次，前后沿均得到切削，使脈沖壓縮過(guò)程加快。一次，前后沿均得到切削，使脈

32、沖壓縮過(guò)程加快?？娠柡臀杖玖峡娠柡臀杖玖先玖显鲆娼橘|(zhì)染料增益介質(zhì)第四節(jié)第四節(jié) 同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模激光器同步泵浦鎖模激光器采用一臺(tái)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)采用一臺(tái)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)激光器，通過(guò)調(diào)制腔內(nèi)增益的方法獲得鎖模激光器，通過(guò)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。實(shí)現(xiàn)同步泵浦鎖模的關(guān)鍵是，使的關(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)倍長(zhǎng)度相等或是它的整數(shù)倍。在最大的增益時(shí)域內(nèi)形成一短脈沖，其脈沖寬度比泵浦脈沖寬度在最大的增益時(shí)域內(nèi)形成一短脈沖，其脈沖寬度比泵浦脈沖寬度

33、短得多。同步泵浦鎖模對(duì)染料激光器具有實(shí)用意義，因?yàn)槿玖暇叨痰枚?。同步泵浦鎖模對(duì)染料激光器具有實(shí)用意義，因?yàn)槿玖暇哂泻軐挼脑鲆婢€(xiàn)寬（有很寬的增益線(xiàn)寬（10131014Hz），可得到），可得到fs激光脈沖。激光脈沖。6.4.1 6.4.1 同步泵浦鎖模原理同步泵浦鎖模原理采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模氬離子激光器泵浦染采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模氬離子激光器泵浦染料激光器，泵浦脈沖寬度料激光器，泵浦脈沖寬度Tp為為100200ps，而染料激光器的激光上能，而染料激光器的激光上能級(jí)的的弛豫時(shí)間級(jí)的的弛豫時(shí)間T31為納秒量級(jí)，為納秒量級(jí)，T31大大于泵浦脈沖寬度，而小于光在諧振腔的于泵浦脈沖寬度，而小于光在諧振腔的環(huán)程時(shí)間環(huán)程

34、時(shí)間T31pTTT激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅取決于這一瞬間得到激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅取決于這一瞬間得到的泵浦能的泵浦能。泵浦使增益系數(shù)增大，達(dá)到閾值以。泵浦使增益系數(shù)增大，達(dá)到閾值以上。從這一瞬間起產(chǎn)生受激輻射，激光脈沖能上。從這一瞬間起產(chǎn)生受激輻射，激光脈沖能量迅速上升。量迅速上升。增益階段增益階段：由于泵浦脈沖序列的周期與光子在染料激光器中往由于泵浦脈沖序列的周期與光子在染料激光器中往返一周的時(shí)間相等，故返一周的時(shí)間相等，故諧振腔內(nèi)的起始脈沖，只有與泵浦脈沖同諧振腔內(nèi)的起始脈沖，只有與泵浦脈沖同時(shí)到達(dá)染料盒時(shí)，染料恰好處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)到達(dá)染料盒時(shí)，染料恰好處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，激光脈，

35、因此，激光脈沖的能量經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)后得到放大，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后脈沖得到較沖的能量經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)后得到放大，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后脈沖得到較大的能量。大的能量。脈沖壓縮階段脈沖壓縮階段：當(dāng)脈沖比較強(qiáng)時(shí)，每經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)一次，由于：當(dāng)脈沖比較強(qiáng)時(shí)，每經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)一次，由于飽和效應(yīng)，只有飽和效應(yīng)，只有前沿及中間部分得到放大，而后沿由于得不到放前沿及中間部分得到放大，而后沿由于得不到放大而被抑制大而被抑制，脈寬得到壓縮，最后形成一穩(wěn)定的窄激光脈沖序列，脈寬得到壓縮，最后形成一穩(wěn)定的窄激光脈沖序列。典型的同步泵浦染料激光器包括泵浦源、光學(xué)諧振腔、激光介質(zhì)典型的同步泵浦染料激光器包括泵浦源、光學(xué)諧振腔、激光介質(zhì)及調(diào)諧元件

36、等。及調(diào)諧元件等。激活介質(zhì)中激活介質(zhì)中泵浦光的光束束腰必須與染料激光的光束束腰很好的泵浦光的光束束腰必須與染料激光的光束束腰很好的重疊重疊。為此，兩光束間的夾角應(yīng)盡量小，并采用良好的像散補(bǔ)償。為此，兩光束間的夾角應(yīng)盡量小，并采用良好的像散補(bǔ)償措施。措施。借助調(diào)諧元件借助調(diào)諧元件，如，如F-P標(biāo)準(zhǔn)具或雙折射濾光片等，標(biāo)準(zhǔn)具或雙折射濾光片等，可連續(xù)改變激可連續(xù)改變激光頻率光頻率，其波長(zhǎng)可在，其波長(zhǎng)可在4201000nm的光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。采用的光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。采用不同染料，就可在同步泵浦激光器中產(chǎn)生不同脈沖寬度的脈沖。不同染料，就可在同步泵浦激光器中產(chǎn)生不同脈沖寬度的脈沖。脈寬可小于脈寬可小

37、于1ps。6.4.2 6.4.2 同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu)同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu)第五節(jié)第五節(jié) 鎖模新技術(shù)與進(jìn)展鎖模新技術(shù)與進(jìn)展目前人們研究的焦點(diǎn)主要集中在目前人們研究的焦點(diǎn)主要集中在自鎖模（克爾透鏡鎖模）和自鎖模（克爾透鏡鎖模）和SESAM(半導(dǎo)體可飽和吸收體半導(dǎo)體可飽和吸收體)鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)上。上。6.5.1 6.5.1 自鎖模自鎖模在激光腔內(nèi)勿需插入任何調(diào)制元件，而是在激光腔內(nèi)勿需插入任何調(diào)制元件，而是利用激光介質(zhì)本身的利用激光介質(zhì)本身的非線(xiàn)性效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)鎖模，稱(chēng)之為自鎖模非線(xiàn)性效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)鎖模，稱(chēng)之為自鎖模，主要應(yīng)用于摻鈦藍(lán)，主要應(yīng)用于摻鈦藍(lán)寶石激光器中。其自鎖模原理至今尚無(wú)統(tǒng)一的理論解釋。寶石激光器中。其自鎖模原理至今尚無(wú)統(tǒng)一的理論解釋。大多數(shù)認(rèn)為，其自鎖?，F(xiàn)象與摻鈦藍(lán)寶石增益介質(zhì)的克爾效應(yīng)大多數(shù)認(rèn)為，其自鎖模現(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)，屬于被動(dòng)鎖模引起的光束自聚焦效應(yīng)有關(guān)，屬于被動(dòng)鎖模。從時(shí)域角度看，首先從噪聲中選取強(qiáng)度較大的脈沖作為脈沖序從時(shí)域角度看，首先從噪聲中選取強(qiáng)度較大的脈沖作為脈沖序列的種子，然后