主动激光锁模技术原理.ppt

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1、第七讲超短脉冲技术所谓模，就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型。纵模，也叫轴模。在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加强反射的条件，2nL=kλ,即2nL=k1λ1=k2λ2=k3λ3=……ki（正整数）是纵模模数。7.1概述例如：L=800nm,n=1,则k=1时,对应λ1=1600nm;k=2,λ2=800nm;k=3,λ3=533nmυ1=1.875×1014,υ2=3.75×1014,υ3=5.625×1014注意：△υ=c/2nL;υ32=υ21=1.875×10148001000600λ荧

2、光光谱横模？横模易观察，但其产生的原因复杂：1、偏离轴向的光束的干涉，2、工作物质的色散，3、散射效应及腔内光束的衍射效应等，都对横模有影响。下面只对情况1做简单地分析。除了严格平行光轴的光束(名基模TEM00）以外，总有一些偏离光轴而走Z字形的光束。虽然经多次反射也未偏出腔外，仍能符合2nLcosθ=kλ的条件；因而，在某一θ方向存在着加强干涉的波长。设z代表腔轴方向，垂直z的截面为xy平面。该截面内所产生的部分横模如图，标记TEMmn中的TEM代表电磁横波，m代表x方向的波节数，n代表y方向的波节数。图5.1-1不同横模的光场强度TEM00TEM10TEM20TEM30图5

3、.1-1不同横模的光场强度TEM00TEM10TEM20TEM30TEM40TEM50TEM21TEM22TEM01TEM02TEM03TEM00TEM10TEM20超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级，70年代，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞跃，

4、即在理论和实践上都有一定的突破。1981年，美国贝尔实验室的R.L.Fork等人提出碰撞锁模理论，并在六镜环形腔中实现了碰撞锁模，得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。本章将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几种典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术，如超短脉冲脉宽的测量方法、超短脉冲的压缩技术等。为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为（3.1-1)自由运转激光器的输出一般包含

5、若干个超过阀值的纵模，如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都不固定，一、多模激光器的输出特性自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。N=11荧光光谱（3.1-2)假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即和频率描述的非锁模激光脉冲和完全锁模激光脉冲两种情况的图形。在频率域内光脉冲可以写为（3.1-2)式中，q＝0，1，2，…，N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q个纵模的序数；Eq是纵模序数为q

6、的场强;ωq及φq是纵模序数为q的模的角频率及相位。图3.1-2给出了时间描述图3.1-2非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模,（b)理想锁模式中，α(ω)为幅度；φ(ω)为位相频谱。当脉冲带宽△ω比平均光频ω0窄，在时域内光脉冲可以写成(3.1-4)式中，A(t)是脉冲的振幅；是φ(t)相位。某一瞬时的输出光强为[(2q+1)×q项，即m(m-1)/2项，m=2q+1]（由3.1-2式知）(3.1-5)(3.1-6)因为所以q=-N接收到的光强是在一段比1/νq=2π/ωq大的时间(t1)内的平均值，其平均光强为该式说明了平均光强是各个纵模光强之和(除以2)。如果采

7、用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系(φq+1-φq＝常数)，那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象；激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲，如图3.1-2(b)所示。图3.1-2（b)理想锁模该激光器各模的相位已按照φq+1-φq＝常数的关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。先看三个不同频率光波的叠加：Ei=E0cos(2πνit+i)i=1,2,3设三个振动频率分别为ν1、ν2、ν3的