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1、被动锁模原理在一台染料调Q激光器中，只要可饱和染料的激发态寿命短于光子在腔内往返一周的时间2L/C，则在该激光器的输出中，就会出现某种锁模振荡脉冲。如果激光器制作讲究，那么其输出便出现锁模脉冲序列，其包迹便是一个调Q脉冲。结合染料的性质来分析可饱和染料的吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益的激光器所产生的高强度激光足以使染料吸收饱和，图3.2-3示出激光通过染料的透过率(T)随激光强度(I)的变化.强信号的透过率较弱信号为大,只有小部分为染料所吸收.强,弱信号大致可以饱和光强I0来划分.在没有发生锁模作用以前,假设腔内光子的分布基本上
2、是均匀的,但还有一些小的起伏.如图3.2-4(a)中强度起伏为M1.由于染料具有饱和吸收的特性,但弱信号透过率小,降低得多;而强信号则降低得小,且绝对值的降低可由工作物质的放大而得到补偿.所以通过几次染料的吸收和工作物质的放大后,极大值与极小值之差,也就是强度的起伏,由M1增加到M2;再吸收.放大几次,有增加到M3.这样,脉冲的前沿不断被削掉,而尖峰部分能有效地通过,使脉冲变窄,对比加大.图3.2-4(b)是与(a)相应的频谱.开始时仅包含和两个较弱的边频信号.经过几次染料的吸收和工作物质的放大后,边频信号的强度比增加的快,并激发了新的
3、边频信号.再经过几次吸收与放大,边频信号及.又增大,又激发新的边频.如此继续,便得到一系列周期为的的脉冲输出序列三个阶段在被动锁模激光器中,由不规则的脉冲演变到锁模脉冲的物理过程大致可分为三个阶段,见图3.2-4.其过程实质是最强的脉冲得到有选择地加强,背景脉冲逐渐地被抑制.三个阶段可简述如下线性放大阶段初始的激光脉冲具有大致等于荧光带宽的光谱含量,并且具有随机相位关系的激光模之间的干涉,导致光强度的起伏.脉冲总量很大,大致具有腔内模数的量级,但也存在少量超过平均强度的峰值,见图3.2-4(a)在线性放大期间,发生自然模选,同时由于放大
4、过程使频谱变窄,被放大后的信号起伏得到平滑和加宽,如图3.2-4(b)及(c).非线性吸收阶段工作物质的增益虽是线性的,但由于此时腔内光强已超过饱和光强,故染料的吸收变成了非线性.其结果是较强的脉冲“漂白”了染料,脉冲强度得到很快的谱长;而大量的较小脉冲受到染料较大的吸收而被有效地抑制.使发射脉冲变窄,如图3.2-4(d)(e)所示同时频谱得到加宽非线性放大阶段在吸收跃迁完全饱和时,光强度已足够高,激光经激活介质的放大是非线性的,这是高峰值功率阶段,见图3.2-4(F).这时背景最小脉冲几乎完全被抑制,输出的是一个高强度的脉冲序列.最终
5、粒子数反转被倒空,脉冲逐渐衰弱。非线性放大加宽了谱线，并在时间域内变窄了脉宽。在实际的被动锁模激光器中，情况比这要复杂。被动锁模的评价优点：被动锁模光纤激光器输出脉宽相对较窄,结构简单缺点：被动锁模激光器稳定性差，能实现锁模的激发几率一般最好达60~70%，差的竟只有10~20%，这对不少应用是不适宜的输出脉冲重复率受光纤长度的限制不可能很高,不易调整和控制被动锁模的发展在获得短脉冲或超短脉冲的手段上,主动锁模或调Ｑ因为造价昂贵并且系统庞大而存在很多不利之处。被动锁模或调Ｑ以前长期为染料吸收体所独占,因为染料有毒性,容易变质等缺点,已经
6、逐渐被淘汰。1992年,Ｕ.Ｋｅｌｌｅｒ〔1〕等在腔内引入反共振的法布里-帕罗标准具可饱和吸收体(ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔＦａｂｒｙ-ＰｅｒｏｔＳａｔｕｒａｂｌｅＡｂｓｏｒｂｅｒ,Ａ-ＦＰＳＡ),实现了Ｎｄ:ＹＬＦ自启动的被动锁模,脉宽3.3ｐｓ,这是Ａ-ＦＰＳＡ或ＳＥＳＡＭ(ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｔｕｒａｂｌｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｍｉｒｒｏｒ)首次应用于固体激光器被动锁模,也是首次实现固体激光器皮秒级被动锁模。现在,国外适用于各种波长固体激光器的ＳＥＳＡＭ几乎都制作出来了,国内先后有天津大学研制出适用于Ｔｉ:Ｓａｐｐｈｉｒｅ激
7、光器飞秒锁模的800ｎｍ宽带半导体可饱和吸收镜,中科院半导体所研制出适用于1.06μｍ附近波长固体激光器被动锁模的ＳＥＳＡＭ。ＳＥＳＡＭ已经用在各种固体激光器和光纤激光器上用以实现被动调Ｑ,被动调Ｑ锁模,皮秒直接被动锁模,飞秒锁模自启动中国科学院半导体所平均功率达到10W的Nd:YAG二级管泵浦被动锁模激光器瑞士联邦技术研究院和瑞士d’ElectroniqueetdeMicrotechnique-Zurich中心的研究人员与Time-Bandwidth产品公司的研究人员合作研制了一种Nd；YAG二级管泵浦的被动锁模激光器，该激光器具有1
8、0。7W的平均功率和7。8KW的峰值功率。单路通过KTP晶体的外倍频在532nm时能产生3。2W的平均功率，继之通过BBO的倍频产生120mW的紫外输出。激光腔的设计应适合于更高的功率，它由四反射镜组成两个
