固體鎖模激光器

固體鎖模激光器鎖模原理實(shí)現(xiàn)鎖模的方法主動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模鎖模：調(diào)Q技術(shù)得到的脈寬有所極限，為了得到更窄的脈沖在光纖通訊、醫(yī)學(xué)、激光精細(xì)微加工、高密度信息存儲(chǔ)和記錄及非線性光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，從而誕生鎖模技術(shù)。激光器的分類方法有很多種,一般按照產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)不同分類,或者按照工作方式分類。用激光二極管(LD)泵浦固體工作物質(zhì)的激光器(簡(jiǎn)稱DPSSL)就是所謂的全固態(tài)激光器。鎖模激光脈沖寬度可達(dá)10-12~10-15s,相應(yīng)的具有很高的峰值功率。為了運(yùn)算方便，令激光器的所有振蕩模式具有相同的振幅設(shè)振蕩的縱模數(shù)為（2N+1）個(gè)，處于增益曲線中心的模為q=0,角頻率為 ,初相位為

，以中心模作為參考各個(gè)模式的相位差為

，模的頻率間隔為

每個(gè)縱模輸出的電場(chǎng)分量用下式表示：一.鎖模原理其中，第q個(gè)模式的電場(chǎng)強(qiáng)度為：激光器輸出的總光場(chǎng)是（2N+1）個(gè)縱模相干疊加的結(jié)果：三大特點(diǎn)：1.各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，完全獨(dú)立、隨機(jī)的。2.頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴(yán)格相等。各縱模不相干。3.輸出光強(qiáng)。輸出光強(qiáng)由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機(jī)的無規(guī)則起伏。1.鎖模的概念

使各縱模在時(shí)間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。2.鎖模脈沖的特征

先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：Ei=E0cos(2πνi

t+

i)i=1,2,3，設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為ν1、

ν2、

ν3

的三個(gè)光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式：ν3=3ν1，ν2=2ν1,E1=E2=E3=E0

若相位未鎖定，則此三個(gè)不同頻率的光波的初位相

1、

2

、

3彼此無關(guān)，如左圖，由于破壞性的干涉疊加，所形成的光波并沒有一個(gè)地方有很突出的加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)3E02/2級(jí)基礎(chǔ)上有一個(gè)小的起伏擾動(dòng)。3E02/2未鎖相前三個(gè)光波的疊加但若設(shè)法使

1=

2=

3=0時(shí)，有

E1=E0cos(2πν1t)E2=E0cos(4πν1t)E3=E0cos(6πν1t)當(dāng)t=0時(shí),E=3E0,E2=9E02;當(dāng)t=1/(3ν1)時(shí),E1=E0cos(2π/3)=-E0/2，E2=E0cos(4π/3)=-E0/2,E3=E0cos(2π)=E0,三波疊加的結(jié)果是：E=E1+E2+E3=0;

當(dāng)t=2/(3ν1)時(shí)，E=0；t=1/ν1時(shí)，E=3E0……。這樣就會(huì)出現(xiàn)一系列周期性的脈沖。當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“相長(zhǎng)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值（I=E2=9E02

）。當(dāng)然,對(duì)于諧振腔內(nèi)存在多個(gè)縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。3E02/2

如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系(q+1-q=常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，這就是說，該激光器各模的相位己按照q+1-q=常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。二、實(shí)現(xiàn)鎖模的方法主動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模自鎖模同泵浦鎖模10三.聲光駐波場(chǎng)振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模1.時(shí)域分析設(shè)在t1時(shí)刻通過調(diào)制器的光信號(hào)受到的損耗為，在經(jīng)過2L/c時(shí)間往返一周后，這部分光信號(hào)受到的損耗為，如果的周期，則這部分信號(hào)每往返一次受到相同的損耗。則有：的信號(hào)受到的增益小于的信號(hào)，的信號(hào)的光強(qiáng)越來越強(qiáng)，最終腔內(nèi)只留下信號(hào)來回振蕩，形成極窄脈寬的鎖模脈沖。11聲光駐波場(chǎng)振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模超聲波的驅(qū)動(dòng)頻率為，超聲駐波形成的折射率光柵的變化頻率為，用頻率為驅(qū)動(dòng)的超聲駐波場(chǎng)可以對(duì)調(diào)制光電場(chǎng)造成的調(diào)制效果。腔內(nèi)在非超聲場(chǎng)消失時(shí)刻形成的光波都被聲光調(diào)制器所衍射，其損耗大于增益，不能形成振蕩。只有一個(gè)滿足鎖模條件的光脈沖在腔內(nèi)往返一周輸出。四、被動(dòng)鎖模原理

在激光諧振腔中插入可飽和吸收體（半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、碳納米管、硫化鎢、黑磷）來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗．當(dāng)滿足鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機(jī)理和特點(diǎn)，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)鎖模兩種類型。1.工作原理

由于吸收體的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度激光能使吸收體吸收飽和。圖示出了激光通過吸收體的透過率T隨激光強(qiáng)度I的變化情況。強(qiáng)信號(hào)的透過率較弱信號(hào)的為大，只有小部分為吸收體所吸收。強(qiáng)、弱信號(hào)大致以吸收體的飽和光強(qiáng)Is來劃分。大于Is的光信號(hào)為強(qiáng)信號(hào)，否則為弱信號(hào)。在沒有發(fā)生鎖模以前，假設(shè)腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的，但還有一些起伏。由于染料具有可飽和吸收的特性，弱的信號(hào)透過率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號(hào)則透過率大，損耗小，且其損耗可通過工作物質(zhì)的放大得到補(bǔ)償。所以光脈沖每經(jīng)過染料和工作物質(zhì)一次。其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會(huì)越來越大。脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過，則使脈沖變窄。

在被動(dòng)鎖模激光器中，由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大致分為三個(gè)階段，如下圖所示。其過程的實(shí)質(zhì)是最強(qiáng)的脈沖得到有選擇的加強(qiáng)，背景脈沖逐漸地被抑制，三個(gè)階段可簡(jiǎn)述如下。

可飽和染料鎖模物理過程

起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生，當(dāng)超過激光閾值時(shí)，初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量，并且具有隨機(jī)相位關(guān)系的激光縱模之間的干涉，因而導(dǎo)致光強(qiáng)度的起伏，脈沖總量很大。在一個(gè)周期2L/c時(shí)間內(nèi)，光脈沖通過吸收體和激光介質(zhì)各一次，在吸收體中，對(duì)強(qiáng)脈沖吸收得少而對(duì)弱脈沖吸收得多。在激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線性放大，其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用。(1)線性放大階段

該階段的主要特點(diǎn)是強(qiáng)脈沖使吸收體吸收飽和，“漂白”了吸收體，從而使脈沖強(qiáng)度得到很快的增長(zhǎng)，而大量