第六讲 激光锁模技术

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1、第六讲激光锁模技术段作梁电子工程学院光电子技术系主要内容6.1概述6.2锁模的基本理论6.3主动锁模原理6.4被动锁模原理6.5同步泵浦锁模6.6自锁模6.1概述目的:压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际应用需要更窄的脉冲.(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps）量级。)例:1)激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好.2)激光高速摄影.为了拍照高速运动的物体,提高照片的清晰度,也要

2、压缩脉宽.3)对一些超快过程的研究,激光核聚变,激光光谱,荧光寿命的测定,非线性光学的研究等需窄的脉宽).(钛宝石自锁模激光器中得到了小于5fs的超短光脉冲序列)。超短脉冲（纳秒以下的光脉冲ps-fs）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-

3、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，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，在钛宝石(掺钛蓝宝石)自锁模激光器中得到了小于5fs的超短光脉冲序列。本节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。一、多模激光器的输出特性6.2锁模

4、的基本理论激光器的模式分为纵模和横模。锁模也分为锁纵模、锁横模、锁纵横模三种。本节介绍纵模锁定。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：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。激光增益曲线与谐振腔纵模的相互作用假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有2N+1个纵模，那么激光器输出的光波电场是2N+1个纵模电场的和，即式中，q＝0，

5、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的场强;ωq及φq是纵模序数为q的模的角频率及相位。三大特点：1.各纵模初相位彼此无确定关系，完全独立、随机的。2.频谱。由于存在频率牵引和推斥作用，各相邻纵模之间频率间隔并不严格相等。各纵模不相干。3.输出光强。输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随机的无规则起伏。若振幅相同二、锁模的基本原理1.锁模的概念使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。2.锁模脉冲的特征先看三个不同频

6、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的三个光波沿同一方向传播，且有关系式：ν3=3ν1，ν2=2ν1,E1=E2=E3=E0若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相1、2、3彼此无关，如左图，由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3E02/2级基础上有一个小的起伏扰动。3E02/2未锁相前三个光波的叠加但若设法使1=2=3=0时，有E1=E0cos(2πν1t)E2=E0cos(4πν1

7、t)E3=E0cos(6πν1t)当t=0时,E=3E0,E2=9E02;t=1/(3ν1)时,E1=E0cos(2π/3)=-E0/2，E2=E0cos(4π/3)=-E0/2,E3=E0cos(2π)=E0,三波叠加的结果是：E=E1+E2+E3=0;同理可得，t=2/(3ν1)时，E=0；t=1/ν1时，E=3E0……。这样就会出现一系列周期性的脉冲，见上图。当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“相长性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值（I=E2=9E02）。当然,对于谐振腔内存在多个纵模的情况，同样有类似

8、的结果。3E02/2如果采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(q+1-q=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，这就是说，该激光器各模的相位己按照q+1-q=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