第三章超短脈沖技術(shù)

第三章超短脈沖技術(shù)第一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四第三章超短脈沖技術(shù)鎖模的原理和輸出特性鎖模的方法:主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模測量鎖模脈沖光的方法第二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鎖模原理鎖模的目的一般多模激光器的輸出特性多模激光器縱模鎖定的輸出特性第三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四一.目的

壓縮脈沖寬度,高峰值功率,Q開關(guān)激光器一般脈寬達(dá)10-8s-10-9s量級,如果再壓縮脈寬,Q開關(guān)激光器已經(jīng)無能為力,但有很多實(shí)際應(yīng)用需要更窄的脈沖.例:1.激光測距，為了提高測距的精度,則脈寬越窄越好.2.激光高速攝影.為了拍照高速運(yùn)動(dòng)的物體,提高照片的清晰度,也要壓縮脈寬.3.對一些超快過程的研究,激光核聚變,激光光譜,熒光壽命的測定,非線性光學(xué)的研究等需窄的脈寬.第四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四二.多模激光器的輸出特性.

未鎖模的連續(xù)激光器輸出的是連續(xù)的激光。多縱橫，主要討論各模之間的關(guān)系，把每一模式的光波做為一束光來處理。縱模頻率頻率間隔

式中L－光學(xué)長度q－縱模序數(shù)

假定在激光器工作物質(zhì)凈增益線寬內(nèi)超過閾值的縱模－即在腔內(nèi)振蕩的模式有2N＋1個(gè)?？v模表示式

式中和分別是第q模的角頻率和相位，－第q模的電場振幅，q－激光器內(nèi)2N＋1個(gè)振蕩模中第q個(gè)縱模數(shù)，而不是縱模序數(shù)。第五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四1.激光器輸出特性①各振蕩模的振幅和相位無規(guī)則分布

---中心頻率處的振幅大，遠(yuǎn)離中心小，且它們之間變化無規(guī)律。

---各模的初相位，在之間分布，或 常數(shù)。對于不同的時(shí)間，每個(gè)模的振幅和相位也有變化，隨時(shí)間漂移。第六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四圖3.1-2非鎖模和理想鎖模激光器的信號結(jié)構(gòu)模,(a)-非鎖模,(b)-理想鎖模第七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四②輸出的光強(qiáng)是各個(gè)縱模無規(guī)疊加。輸出的光強(qiáng)是各縱模光強(qiáng)的無規(guī)疊加，接收到的光強(qiáng)是時(shí)間的平均值。第八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四總光強(qiáng)的平均值是各縱模光強(qiáng)之和的1/2。

相位分布對輸出光強(qiáng)有影響的，不同，各模不相干。 假定在一般激光器中設(shè)法使相鄰兩縱模間的位相固定。相位有規(guī)律。 常數(shù)由于各相鄰模之間的頻率間隔是固定的，<縱模條件>各模的振動(dòng)方向（偏振光）或振動(dòng)方式（自然光）對于一定激光器是相同的。各振蕩模具備了上述三個(gè)條件，各模光波變成相干波。因此輸出的光波可能是一序列的脈沖形式。對于每一脈沖來說，脈寬窄了，峰值功率大大增加，鎖相激光器－鎖模。第九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四2.鎖模要使各模變成時(shí)間相干波，需要具備三個(gè)條件，而各縱模頻率間隔相等并固定 ，各模振動(dòng)方向或方式相同--激光器固有性質(zhì)，只要使各相鄰模之間具有固定的相位關(guān)系即： 常數(shù)鎖模：即是使各相鄰模之間的相位固定，使各模變成時(shí)間相干波。注意：每一模式看成一束光波。 對于多模激光器，包括多個(gè)縱模，橫模，模式不同類型不同。第十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四3.鎖模的類型（激光器縱模橫模）(1)縱模鎖定指同一橫模中不同縱模之間的鎖定，一般采用基橫模中不同的縱模， ，q是縱模序數(shù)，這種縱模鎖定理論成熟，應(yīng)用廣。經(jīng)過縱模鎖定后，激光器輸出的是脈寬在ps或更窄飛秒量級的一序列脈沖。(2)橫模鎖定指的是同一縱模不同橫模鎖定。在中，q--固定值，m、n是變化的。如果是圓對稱橫模，輸出的光束是一個(gè)其橫向強(qiáng)度分布圖是高斯型的基橫模的形狀，但光束半徑周期性變化。(3)縱橫模同時(shí)鎖定 對于，m、n、q變化。輸出的光束，無論在軸向或橫向，光都被限制在一個(gè)小的空間范圍內(nèi)，這一光點(diǎn)將在激光腔內(nèi)按照幾何光學(xué)的路程來回掃描，因此輸出的脈沖以激光輸出鏡的不同位置來出現(xiàn)。

第十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

（2）、（3）種目前理論上尚不成熟，實(shí)現(xiàn)起來難度大，而目前不如第一種應(yīng)用廣泛，因此主要討論第一種情況。三．多模激光器縱模鎖定的輸出特性1．鎖模激光產(chǎn)生的頻域和時(shí)域：（鎖模原理） 設(shè)法使腔內(nèi)光場的分布狀態(tài)逐漸集中到一很窄的局部，分為時(shí)域和頻域來描述。 頻域：在激光振蕩中使各頻率在相位上實(shí)現(xiàn)鎖定，形成極窄的時(shí)間包絡(luò)，在形成過程中不斷被放大。 時(shí)域：在激光形成過程中，對腔內(nèi)的光場在時(shí)間上不斷進(jìn)行周期性選切，在此過程中不斷被放大。

2．相位鎖定后的總電場 假定振蕩的縱模電場表示式第十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四q不是縱模序數(shù) 而是腔內(nèi)振蕩縱模個(gè)數(shù)①定義處于增益曲線中心頻率的縱模q＝0，因此在腔內(nèi)參與振蕩的模式個(gè)數(shù)共2N＋1個(gè)，

（各模間隔相同）如果相鄰兩縱模之間的相位差恒定 ＝常數(shù)在 處相位＝0②并設(shè)各縱模的振幅相等 （實(shí)際上不等）則激光器輸出的總光波場是2N＋1個(gè)縱模相干的結(jié)果第十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四（a）2N+1個(gè)模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為 的單色調(diào)幅波，振幅A(t)－即總光波場受到振幅調(diào)制。(b)光強(qiáng) 是時(shí)間的函數(shù)。(c)光波電場調(diào)幅波按傅立葉分析是由2N+1個(gè)縱模頻率 組成，因此光波的脈沖包括2N+1個(gè)縱模的光波。第十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四3.A(t)的變化規(guī)律 假定 并不影響討論的結(jié)果 分子分母均為周期函數(shù)，A(t)是周期函數(shù)，找出它的周期極值點(diǎn)、0點(diǎn)，得到A(t)的規(guī)律。0點(diǎn)： 當(dāng)分子為0，分母不為0，則是A(t)的0點(diǎn)。分子＝0

所以t=0 、 、 是一周期

第十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四所以在一周期內(nèi)有2N個(gè)0值點(diǎn)： （分子為零、分母不為零的點(diǎn)）極值點(diǎn)：求出A’(t)=0的解，即是A(t)的極值點(diǎn)當(dāng)分子為0,A’(t)=0第十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四把方程化簡：此方程t一般解只能采用作圖法或數(shù)值法對于幾個(gè)特殊解可以解： 方程兩邊＝0解t=0t=2L/c

方程兩邊→∞解t=L/c

然后找出使方程兩邊相等的不為0的解。只能采用作圖法，求出兩邊方程的圖形交點(diǎn)，即為方程的解。例如第十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四2N+1=5時(shí)，對于 對于各極值點(diǎn)是否極大或極小，則用A”(t)的值判定。 當(dāng)A”(t)<0時(shí)，則A(t)在取得極大值。 當(dāng)A”(t)>0時(shí)，則A(t)在取得極小值。在0～ 2L/c周期內(nèi)有2N+1個(gè)極值點(diǎn)，極值點(diǎn)在兩零點(diǎn)之間把極值代入A(t)的表示式可以求得A(t)的大小。在t=0,t=2L/c時(shí)，取得極大值中最大值，（因分子分母為0利用羅必塔法則）第十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四其他點(diǎn)t=L/c取得極小值中最小值，（直接代入 ） 當(dāng)N是偶數(shù)時(shí)， 當(dāng)N是奇數(shù)時(shí)， 除了 以外的其他極值點(diǎn)介于 和 之間。第二十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四總之A(t)的變化規(guī)律a.周期是2L/c，在一周期內(nèi)當(dāng)t=0,2L/c時(shí)極大值，

t=L/c，極小值 ， 和 差值很大，差2N倍，（2N＋1）是腔中振蕩的縱模數(shù)，大約個(gè) （非均勻，對均勻加寬的固體模式少），有2N－2個(gè)介于最大和最小之間的極值點(diǎn)：b．在一周期內(nèi)共有2N個(gè)0點(diǎn)：c．I(t)的變化規(guī)律同于A(t)。極值點(diǎn) 一個(gè)周期2N+10點(diǎn)第二十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

圖3.1-5第二十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四4.鎖模激光器的輸出特性：①激光器的輸出是脈沖間隔2L/c固定的規(guī)則脈沖序列。

2L/c－光在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間,等于在腔內(nèi)只有一個(gè)脈沖在振蕩－鎖模的特點(diǎn)。一個(gè)脈沖中包含鎖定的縱模數(shù)。②脈沖寬度 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和0點(diǎn)之間的時(shí)間來表示。

t=0極大值 －第一個(gè)0點(diǎn)第二十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四所以 式中2N+1是激光器中被鎖定的縱模個(gè)數(shù)。 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2N＋1倍。被鎖定的縱模數(shù)越多2N＋1↑↓當(dāng)腔內(nèi)所有超過閾值的縱模數(shù)都被鎖定則 －增益線寬 ↑↓例如，固體激光器：釹玻璃大， 脈沖

He-Ne=氣體激光器有的 小，因而不能得到 的脈沖，對這樣的激光器進(jìn)行鎖模沒有什么意義。第二十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四③脈沖的峰值功率 輸出脈沖的峰值功率注意這是峰值功率，平均功率比自由運(yùn)轉(zhuǎn)低。自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器輸出的平均功率 縱模鎖定以后，輸出脈沖的峰值功率提高了(2N+1)倍，如在固體激光器中，一般振蕩模可以達(dá) 個(gè)，峰值功率很高。④在鎖模過程中，各模之間發(fā)生功率耦合，不再獨(dú)立。 鎖模的結(jié)果是輸出序列的脈沖，脈寬窄，峰值功率高，脈沖的能量是所有相位固定的縱模提供的，從下一節(jié)鎖模方法中也可以看出縱模之間的功率耦合。第二十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四鎖模的方法主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法，即在激光諧振腔內(nèi)插入一個(gè)受外部信號控制的調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。被動(dòng)鎖模把可飽和吸收體放在激光諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)的?？娠柡臀阵w是一種非線性吸收介質(zhì)，對腔內(nèi)激光的吸收是隨光場強(qiáng)度而變化的，當(dāng)光場較弱時(shí)對光吸收很強(qiáng)，因此光透過率很低；隨著激光強(qiáng)度增加吸收減少，當(dāng)達(dá)到一特性值時(shí)吸收飽和，光透過率達(dá)100%，使強(qiáng)度最大的激光脈沖受到最小的損耗，從而得到很強(qiáng)的鎖模脈沖。當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個(gè)縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位光系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實(shí)現(xiàn)縱模鎖定的方法。第二十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四3.2主動(dòng)鎖模 縱模鎖定的方法主要有主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模，自鎖三種，主要講前兩種。 根據(jù)鎖模激光器的輸出特性 輸出的光波振幅和光強(qiáng)受到調(diào)制，利用調(diào)制方法可以進(jìn)行鎖模。結(jié)構(gòu)示意圖如下

第二十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四在自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器中加入調(diào)制器。調(diào)制器①振幅調(diào)制（AM）－強(qiáng)度調(diào)制→損耗調(diào)制易實(shí)現(xiàn)。聲光、電光。②相位調(diào)制（FM）－輸出脈寬窄，實(shí)現(xiàn)難（電光）加小孔欄的目的，選出單一基橫模－縱模鎖定。1.振幅調(diào)制 以聲光調(diào)制器為例。 聲光調(diào)制，一般采用駐波式，布拉格衍射。 布拉格產(chǎn)生兩級光 ,在鎖模中以0級光做為輸出光。則1級光做為損耗光第二十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四 設(shè)光波電場： ，調(diào)制信號：受到調(diào)制的光波電場為：光波受到振幅調(diào)制的頻譜。 光波的頻率與其邊頻 之間的相位差為0。這幾個(gè)頻率的光波被鎖定。同樣，當(dāng) 的光波被調(diào)制時(shí),又激發(fā)邊頻 它們之間的相位差為0，又被固定。依次類推，如果這些模是激光器中的縱模,則被鎖定。設(shè)在調(diào)制器上加一交變信號a(t)。第二十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四在a(t)變化的一周期中，分析一下腔內(nèi)損耗變化的情況。輸出光損耗光a(t)=0 最大＝0,損耗最小a(t)=Am

最小最大,損耗 最大a(t)=0 最大＝0,損耗最小a(t)=－Am

最小最大,損耗最大 因此，損耗變化的頻率為調(diào)制頻率的2倍，損耗變化率為損耗率透過率式中－平均損耗率,－損耗變化的幅值,－平均透過率,

－透過率變化的振幅。注：假定損耗和透過率的變化和調(diào)制信號成線性關(guān)系，實(shí)際上根據(jù)前面調(diào)制公式，不是線性關(guān)系，但這樣的假定不影響討論。第三十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四聲光介質(zhì)的折射率：

式中：調(diào)制前： －調(diào)制器的吸收散射，反射等損耗設(shè)加調(diào)制器前光波電場為（即光波在進(jìn)入調(diào)制器前）

所以光波的電場變?yōu)榈谌豁摚舶耸?，編輯?023年，星期四式中 －振幅的平均值，調(diào)制系數(shù) ，－振幅變化幅值。第三十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四頻域：如果使，這時(shí) --是腔內(nèi)的相鄰縱模。第一章已經(jīng)分析了振幅調(diào)制以后的頻譜：調(diào)制以后的光波頻率為 。三光波的相位為，因此滿足相位固定的條件： 結(jié)論：當(dāng)一束頻率為的光波受到振幅調(diào)制以后，又產(chǎn)生了兩個(gè)頻率為 的光波（邊頻）并且三個(gè)光波的相位相同，滿足相位固定的鎖模條件。鎖模過程： 假設(shè)處于增益曲線中心的頻率為，由于它的增益最大，首先開始振蕩第三十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)此光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時(shí)受到調(diào)制注意：－腔內(nèi)損耗變化的角頻率，是調(diào)制信號角頻率的兩倍。調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量 ，當(dāng)損耗變化的頻率和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等調(diào)制信號的頻率＝ 則 調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是和相鄰的兩個(gè)縱模頻率，這樣中心頻率調(diào)制的結(jié)果，使與它相鄰的兩個(gè)縱模振蕩。 通過激光介質(zhì)被放大，當(dāng)它們通過調(diào)制器時(shí)，這兩個(gè)模又受到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)了新的邊頻 和第三十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四這個(gè)過程繼續(xù)下去，直到在激光線寬內(nèi)所有縱模振蕩為止。這些模式的相位相同－符合鎖模條件 可見，鎖模的關(guān)鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和腔內(nèi)縱模頻率間隔相等。調(diào)制信號的頻率對鎖模的過程可以理解為（時(shí)域） 由于損耗變化的周期正好是光波在腔內(nèi)來回一次需要的時(shí)間，當(dāng)把調(diào)制器放到腔的一端時(shí)，假設(shè)一束光波通過調(diào)制器時(shí)損耗為，當(dāng)它第二次通過調(diào)制器時(shí)經(jīng)歷了 的時(shí)間，因第三十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四此，調(diào)制器的損耗 ，損耗的周期為 。所以 ，以后這束光波每次通過調(diào)制器時(shí)損耗相同。腔內(nèi)工作物質(zhì)的增益一定，適當(dāng)?shù)目刂普{(diào)制度，使只有在調(diào)制器損耗最小時(shí)通過的光波滿足閾值條件 形成振蕩。 可以說：在損耗最小時(shí)通過調(diào)制器的模式形成振蕩，激發(fā)新的模式，這樣把所有的模式耦合在一起，這個(gè)光波兩次通過調(diào)制器的時(shí)間是 ，所以輸出的脈沖間隔是 。在光波兩次通過激活介質(zhì)的間隔，工作物質(zhì)可以有 的時(shí)間由光泵浦建立反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，因此當(dāng)光波通過激活介質(zhì)時(shí)，會得到更大的能量－峰值功率高。第三十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四振幅調(diào)制鎖模的特點(diǎn)：①調(diào)制器的信號頻率為，損耗變化的頻率為②調(diào)制的結(jié)果，使各縱模之間的相位固定③輸出的光波的間隔為 的脈沖序列，具有鎖模激光器的輸出特性。第三十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四２.相位調(diào)制只能利用電光相位調(diào)制。使光波的相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化。選用的晶體KDP縱向運(yùn)用LN橫向運(yùn)用。以LN橫向運(yùn)用為例說明：

在LN晶體中，沿z向加電場時(shí)，晶體的折射率變?yōu)?/p>

調(diào)制系數(shù)：第三十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

如果晶體上加調(diào)制信號為：則 式中d－z間加場的厚度光波通過晶體以后的附加相位為：l－x方向通光晶體的長度可見附加相位按調(diào)制信號的規(guī)律變化，光波的相位受到調(diào)制。相位變化－總相位變化→頻率變化→對微分得到：第三十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四設(shè)光波場為：調(diào)制后的光波電場： 式中相位調(diào)制系數(shù)：圖形如下（時(shí)域）可見：調(diào)制信號，附加相位，頻率變化的頻率相同。第四十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

在晶體上加一調(diào)制信號，引起晶體的折射率變化，晶體相當(dāng)于改變了諧振腔的光學(xué)長度。相位變－頻率變，但不同時(shí)刻頻率變化不同，即頻率變化是時(shí)間的函數(shù)，因此相位調(diào)制器相當(dāng)于一個(gè)移頻器，光波通過調(diào)制器一次，發(fā)生一次頻率移動(dòng)，經(jīng)過幾次頻率移動(dòng)，移到增益曲線以外，不能振蕩。如果使（調(diào)制信號的頻率）＝，頻率變化的周期和光在腔內(nèi)傳播的時(shí)間相同。 假定光波第一次通過調(diào)制器時(shí)頻率變化，經(jīng)過時(shí)間第二次通過時(shí)頻率變化→多次移動(dòng)→移出去。只有在t=0,t1,t2時(shí)通過的光波頻率不發(fā)生變化，被保存下來－能振蕩，相位調(diào)制的結(jié)果，產(chǎn)生邊頻當(dāng)調(diào)制器的頻率 即 時(shí)，所有模式功率耦合。鎖模過程和振幅調(diào)制相同。

第四十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

鎖模過程（頻域）：首先，中心頻率增益大先振蕩。相位調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生邊頻：

注意：在每個(gè)周期內(nèi)頻率變化曲線上存在兩個(gè)頻變?yōu)?的點(diǎn)，這樣增加了輸出脈沖位置的不穩(wěn)定性。當(dāng)， 處脈沖輸出時(shí)， 的脈沖不能形成，但當(dāng)條件變化時(shí)，有可能從上一脈沖序列跳到， ·····脈沖列，實(shí)際中加以克服。相位調(diào)制的特點(diǎn)：①調(diào)制信號的頻率和相鄰縱模頻率的間隔相同。②相位調(diào)制的結(jié)果，使各縱模相位固定。 －滿足鎖模條件③輸出的光波是間隔為的脈沖序列，具有鎖模激光器特性。④脈沖位置不穩(wěn)定－必須采取一定的措施。第四十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四主動(dòng)鎖模激光器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)（1）主動(dòng)鎖模激光器中的所有光學(xué)元件的要求比調(diào)Q器件要求嚴(yán)格，端面的反射率必須控制的最小，否則由于標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)會減少縱模個(gè)數(shù)，破壞鎖模的效果。各元件的反射面應(yīng)切成布儒斯特角，傾斜放置或鍍增透膜，反射膜作成楔形。（2）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間的耦合效果。此外，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。（光波通過調(diào)制器時(shí)需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，調(diào)制器的損耗并不全為零，但通過調(diào)制的光只要增益大于損耗就能振蕩，因而脈寬會加寬。）（3）鎖模調(diào)制器的頻率必須嚴(yán)格調(diào)諧到(相位調(diào)制），或（振幅調(diào)制），否則會使激光器工作越出鎖模區(qū)，而進(jìn)入猝滅區(qū)或調(diào)頻區(qū)，從而破壞鎖模。第四十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四3.3被動(dòng)鎖模一、固體激光器的被動(dòng)鎖模:

在腔內(nèi)放一個(gè)裝有機(jī)染料的染料合，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)。1.和Q開關(guān)的區(qū)別第四十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四①染料的激發(fā)態(tài)壽命不同（很短ps量級，在ns量級）在鎖模中要求染料的激發(fā)態(tài)壽命<，光在往返一次的周期內(nèi)，染料對光的吸收具有周期性，因而光波的變化具有周期性。周期均為 ，相當(dāng)于腔內(nèi)縱模變化的頻率 。②染料合緊靠全反鏡一般把染料的一面做成全反即合為一體，使光通過染料合間隔 。第四十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

2.被動(dòng)鎖模的動(dòng)力學(xué)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A(v)大－未飽和－非線性吸收光波場－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，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)總電場可表為各模式電場之和。

各模之間的相位無規(guī)則分布即 常數(shù)，第四十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四而 和 是時(shí)間函數(shù)，、隨時(shí)間變化緩慢，在 內(nèi)，可視為常數(shù)。由于相位無規(guī)，故總場是不同相位的正弦波的疊加，－總場的強(qiáng)度是漲落的。在一周期 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。第四十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四 結(jié)果：脈沖個(gè)數(shù)減少，頻譜變窄，放大的強(qiáng)信號變得平滑和加寬。 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，因此線性區(qū)比較長。第四十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四（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ⅰ）強(qiáng)脈沖的強(qiáng)度能使染料飽和－損耗少（相對值?。?。小的弱脈沖不能使染料飽和－吸收的多－在I未達(dá)到I5，工作物質(zhì)中線性放大的少。結(jié)果脈沖個(gè)數(shù)減少到1－2個(gè)（頻譜窄）。ⅱ）從時(shí)間域看，脈沖的寬度變窄，對脈沖的前后沿有壓縮，當(dāng)馳豫時(shí)間即染料的上能級≤脈寬時(shí)，脈沖的前后沿吸收也不同。ⅲ）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。第四十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四（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，前沿變陡。對于激活介質(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。

第五十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四被動(dòng)鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)：主要包括諧振腔、激光棒、染料盒、小孔光闌注意：（1）為了消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，應(yīng)將光學(xué)元件表面切成布儒斯特角，鍍一增透膜及傾斜放置等，全反鏡的后表面應(yīng)磨成楔形。（2）用于鎖模的可飽和染料必須具備：i、染料的吸收譜線與激光波長相匹配ii、其吸收線的線寬大于或等于激光線寬iii、其馳豫時(shí)間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間（3）泵浦功率略高于激光閾值為宜。較高的泵浦功率會引起雙脈沖的產(chǎn)生。第五十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四二、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)在碰撞鎖模激光器中，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。使窄了3－4倍。2.裝置示意圖如下第五十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四三、自鎖 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，但穩(wěn)定性差。四、鎖模激光器的設(shè)計(jì)考慮 鎖模激光器實(shí)現(xiàn)的難度比調(diào)Q激光器大，從結(jié)構(gòu)到各元件要求是比較嚴(yán)格的，現(xiàn)討論幾個(gè)主要的問題。1.標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)①標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng):標(biāo)準(zhǔn)具是由一平行的不鍍膜的平板構(gòu)成，由于光束的多次反射，使標(biāo)準(zhǔn)具的透過率是頻率的函數(shù)。第五十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四 當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)具放入諧振腔內(nèi)，選縱模的結(jié)果是使腔內(nèi)的縱模數(shù)減少，同時(shí)一般標(biāo)準(zhǔn)具的透射線寬比介質(zhì)的增益線寬小的多，標(biāo)準(zhǔn)具改變了諧振腔的帶寬，并引起一定相位漂移。 由于脈沖的峰值功率，脈寬都和縱模個(gè)數(shù)有直接關(guān)系。 （2N＋1）↑即模多P↑

（2N＋1）↑即模多↓腔內(nèi)存在標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)時(shí)，使輸出脈沖的峰值功率下降，脈寬增加。在鎖模激光器中嚴(yán)格避免標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)。②造成標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)的因素在諧振腔中任何平行于腔反射鏡的光學(xué)表面之間形成－標(biāo)準(zhǔn)具。第五十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四③消除的辦法 對腔內(nèi)各光學(xué)元件，除了兩端面反射鏡之外，都不能做成平面和入射光束垂直。一般切成布儒斯特角或切成1～角均可。如果平面和入射光垂直，這時(shí)平面鍍增透膜。兩反射鏡作成楔形的，可以防止末端元件的反射而進(jìn)入腔內(nèi)。被動(dòng)鎖模的染料合作成楔形的。第五十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四2.調(diào)制器和染料合的位置及尺寸 調(diào)制器應(yīng)放在腔內(nèi)盡量靠近全反射鏡的地方。這樣可以得到最大的縱模之間的耦合效果。 對于染料合，一般染料合和全反鏡做成一體。①調(diào)制器離反射鏡越遠(yuǎn)，鎖模的效果越差，第五十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四②調(diào)制器的尺寸越短，鎖模效果越好。 光在損耗最小時(shí)通過調(diào)制器，振幅最大，光在調(diào)制器中通過時(shí)需要一定的時(shí)間，影響脈沖峰值功率。尺寸大－峰值小，－尺寸小－峰值高。 但主動(dòng)鎖模中，晶體不能太小，這對加工以及加壓都不利。因此脈寬的壓縮受到限制。 被動(dòng)鎖模，染料合可以做得更小，故輸出比主動(dòng)鎖模脈沖窄。第五十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四1.失諧問題 調(diào)制器的頻率必須嚴(yán)格符合下面條件： 振幅調(diào)制頻率： ，即損耗變化頻率 相位調(diào)制頻率： 只有滿足上述條件，才能使腔內(nèi)縱模產(chǎn)生最大的耦合。

(1)失諧：不滿足上述條件即 或 時(shí)稱失諧，的效果差。（2）失諧的原因：調(diào)制器的頻率不穩(wěn)定－調(diào)制器頻率變化變，實(shí)際中采用穩(wěn)定度很高的調(diào)制器。腔長L受溫度、振動(dòng)等影響變化。 變，振蕩器一般穩(wěn)定度 。當(dāng)兩者之一有變化，產(chǎn)生失諧，主要由L變化引起。第五十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四設(shè) 式中－縱模角頻率間隔－調(diào)制角頻率－縱模角頻率與調(diào)制角頻率之差 的大小反映失諧的程度。當(dāng) 滿足上述條件，理想的鎖模狀態(tài)。 －正失諧 負(fù)失諧以相位調(diào)制器為例，實(shí)驗(yàn)測得的失諧曲線如下第五十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四可見在鎖模區(qū)：當(dāng) 時(shí)，鎖模輸出的功率最大－理想，耦合的縱模數(shù)最多。 ，輸出的功率下降，偏離 越多，輸出功率下降的多，直至輸出功率為0。進(jìn)入淬滅區(qū)－不能鎖模。③引起L變化的因素。a.泵浦燈、工作物質(zhì)、激光腔等的熱效應(yīng)，外界環(huán)境溫度的變化。使腔長熱脹冷縮改變。b.外界機(jī)械振動(dòng)的影響。④穩(wěn)定鎖模的方法： 為了減少失諧的程度，必須采取一定措施，穩(wěn)定腔長不變。一般調(diào)制器采用穩(wěn)定度高 認(rèn)為頻率不變。a.對激光器進(jìn)行冷卻，防止由于熱效應(yīng)，引起腔光學(xué)長度的變化。b.盡量采用線膨脹系數(shù)小的殷鋼或石英作支撐反射鏡的底座。采取一定恒溫措施，以減小L的變化。c.采用防震設(shè)備，減少外界振動(dòng)對L的影響。d.采用電子反饋電路以隨時(shí)補(bǔ)償失諧。第六十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四常用的電子反饋電路有兩種方法：一種方法，改變腔長即補(bǔ)償腔長的變化（在穩(wěn)頻技術(shù)中講）∵當(dāng)L變 變 不變當(dāng)L小L大輸出功率下降 采取一套電路系統(tǒng)和其他裝置使L變小時(shí)，轉(zhuǎn)為L大－小→0原理：L變,變化，通過探測輸出功率的變化及變化的方向，采取電路的反饋系統(tǒng)，使→0，穩(wěn)定輸出功率。第六十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四裝置：在一端反射鏡上放一壓電陶瓷，當(dāng)壓電陶瓷的內(nèi)外表面加電壓的極性不同，壓電陶瓷伸縮不同，因此L長短變化。 首先在壓電陶瓷上加一低頻調(diào)制信號－輸出的光強(qiáng)－低頻調(diào)制。目的－利用此信號判定光強(qiáng)變化的頻率和相位以便知L的變化方向。當(dāng)＝0－理想，L不變，輸出光強(qiáng)2f－不能通過選頻器，

>0，輸出光強(qiáng)f相位和調(diào)制信號相位相反正→大→f小

<0，輸出光強(qiáng)f和調(diào)制信號相位相同。用光電接受裝置接收到－經(jīng)過調(diào)制的光強(qiáng)，光強(qiáng)的變化：dI（誤差訊號）大小表明偏離的多少，相位表明偏離的方向經(jīng)過一套電路系統(tǒng)將誤差訊號變?yōu)橹绷麟妷杭拥綁弘娞沾缮?，控制腔長，即補(bǔ)償腔長的變化，使＝0。失諧的范圍在5－10KHz第六十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四 第二種方法，改變調(diào)制頻率適應(yīng)腔長的變化，減少失諧。此方法用于相位調(diào)制器，因?yàn)樵谙辔徽{(diào)制器中存在脈沖位置的跳變。裝置如下 圖3.3-16，圖3.3-17在調(diào)制器上加二種調(diào)制信號基波f，二次諧波2f，相位差，振幅2∶1第六十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四 疊加后的波形不對稱，因此調(diào)制度不同，邊頻的增益不同，正方的增益高，優(yōu)先振蕩，因此只可能在兩個(gè)極值處得到脈沖－克服跳變。 一般對鎖模激光器先從實(shí)驗(yàn)中測出失諧曲線，再選擇一定的電子反饋電路，改進(jìn)鎖模效果。第六十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四3.4單一脈沖的選取及超短脈沖測量技術(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，書中介紹了三種選取脈沖法，前兩種都是利用電光Q開關(guān)，這部分在Q開關(guān)的其他應(yīng)用中已經(jīng)講過。對腔內(nèi)選取法，由于增加腔內(nèi)的損耗，閾值提高，一般不采用。1．腔外選單一脈沖法 工作過程：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。第六十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四2．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－電訊號去觸發(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。第六十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四二、超短脈沖的測量 由于鎖模激光器輸出的脈寬一般幾ps-fs量級，而光電接收裝置如一般光電二極管和光電倍增管響應(yīng)時(shí)間一般在

s，因此響應(yīng)時(shí)間大于 s，因此無法測量 s-s

脈沖。目前測量鎖模的脈沖寬度有兩種類型：1.直接觀察法直接測量脈沖的實(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，分辨力可以測到1－2ps。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。不能測飛秒脈沖。第六十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四2.相關(guān)測量法 應(yīng)用較廣，間接測量。利用相關(guān)函數(shù)的測試，－測出的相關(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)－強(qiáng)度為I(t)的2光束的2階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)為二階相關(guān)函數(shù)測得的脈沖波形對稱。因 ，如果實(shí)際波形不對稱，此法測不出。用高階相關(guān)函數(shù)。n階單延遲相關(guān)函數(shù)（只能給出脈沖寬度的上限） 由上式看出，相關(guān)測試把對脈沖的瞬時(shí)測試變成了對具有相對延遲的兩個(gè)脈沖乘積的時(shí)間積分進(jìn)行測試，這樣大大減少了對于測試儀器和接收元件時(shí)間響應(yīng)的要求。第六十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四如果接收時(shí)間比較長則可能是多個(gè)脈沖的平均結(jié)果。（對n階當(dāng)n→∞則 → 則對于一般的鎖模激光器，比較容易實(shí)現(xiàn)二階相關(guān)測試(2)二階相關(guān)測試 利用相關(guān)函數(shù)得到一寬度，要從此寬度得到脈沖的寬度，首先必須確定實(shí)際脈沖的形狀，然后進(jìn)行換算。目前對脈沖形狀主要提出四脈沖形式：高斯形（對稱，前后沿均是雙邊高斯形，否則單邊）、雙曲正割形（單，雙）、洛侖茲形和指數(shù)形。它們的相關(guān)函數(shù)解析式已求出。只要把實(shí)際測試值與這些脈沖的相關(guān)函數(shù)曲線（理論）進(jìn)行比較，精度要求10-3，即可確定實(shí)際脈沖的波形。當(dāng)然注意鎖模脈沖并不是十分規(guī)則，只能利用與理論相關(guān)曲線接近的程度來判斷脈沖大概屬于何種形狀。第六十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四例雙邊高斯形當(dāng) ＝1<雙邊高斯>當(dāng)＝0<單邊>雙邊洛侖茲形第七十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四

可以反映出脈沖的不對稱，但是即使一個(gè)極度不對稱的單邊形脈沖，但在的曲線上也僅呈現(xiàn)不大的對稱性。 目前比較成熟的二階相關(guān)函數(shù)測量法是雙光子熒光法和二次諧波法。①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)簡單。b.適合脈沖激光器。c.但要求調(diào)整精度高。d.對各種不同波長的激光要選用不同的染料。e.靈敏度低，分析周期長。 例如若丹明6G丙酮溶液，當(dāng)基態(tài)的粒子吸收兩光子躍遷到高能態(tài)③，然后無輻射躍遷到能級②，最后由能級②自發(fā)輻射躍遷到能級①發(fā)出熒光，其頻率等于入射光頻率的2倍。－雙光子效應(yīng)。第七十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四實(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)，激光脈沖是否完全鎖模。 熒光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度平方成正比－非線性。設(shè)兩束光的電場強(qiáng)度

第七十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四則 －瞬時(shí)熒光強(qiáng)度但在實(shí)際測量時(shí)，接受元件的響應(yīng)時(shí)間長，所以實(shí)際測得的不是熒光瞬時(shí)強(qiáng)度而是積分強(qiáng)度當(dāng)光電接收對相位項(xiàng)不能及時(shí)響應(yīng)時(shí)，則第七十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四式中右邊第①項(xiàng)是第1束光的熒光積分強(qiáng)度,第②項(xiàng)是第2束光的熒光積分強(qiáng)度，第3項(xiàng)是兩束光重疊部分的熒光積分強(qiáng)度。 因兩束光的強(qiáng)度相等，則兩束光的熒光積分強(qiáng)度相等，設(shè)

F’一束光熒光積分強(qiáng)度則

式中

--為歸一化的二次相關(guān)函數(shù) 主要由兩束光的相干強(qiáng)度決定：兩束光的重合程度各模的相位是否固定：第七十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四a.當(dāng)＝0兩束光完全重合b.如果入射光完全鎖定則如 ，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)中測得了熒光波形的寬度（或?qū)挾龋?，是熒光波形?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－染料的折射率第七十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期四c.如果