2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：被動鎖模

被動鎖模被動鎖模固體激光器的被動鎖模:

在腔內(nèi)放一個裝有機(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)。時域的分析頻域的分析和Q開關(guān)的區(qū)別①染料的激發(fā)態(tài)壽命不同②染料盒緊靠全反鏡

被動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－自發(fā)輻射的熒光－G>時，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，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.

在一周期2L/c時間內(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，脈沖個數(shù)減少，頻譜變窄－這種變化的周期2L/c。結(jié)果：脈沖個數(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。（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?。Ｈ趺}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)果脈沖個數(shù)減少到1－2個（頻譜窄）。ⅱ）從時間域看，脈沖的寬度變窄，對脈沖的前后沿有壓縮，當(dāng)馳豫時間即染料的上能級≤脈寬時，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，可以激發(fā)更多的邊頻耦合了更多的模式，這時腔內(nèi)的損耗具有周期形。（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，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，最后腔中剩下一個脈沖振蕩。從形成過程看，被動鎖模是由很多脈沖相互競爭的結(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Q開關(guān)脈沖相似。被動鎖模的過程

(1)頻譜：寬頻譜－窄－寬

(2)光強(qiáng)：光的隨機(jī)起伏－光有規(guī)律－形成一個脈沖。

(3)相位－由相位隨機(jī)－相位固定。特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：被動鎖模的結(jié)構(gòu)簡單，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)其弛豫時間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時間泵浦功率以略高于激光閾值為宜染料激光器的被動鎖模被動鎖模染料激光器的結(jié)構(gòu)被動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)對鎖模的影響鎖模的穩(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