激光技術(shù)與器件2013第3章超短脈沖

1、激光技術(shù)與器件Laser Technology and Devices杜晨林深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2第3章 超短脈沖技術(shù)調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的常用技術(shù)；調(diào)Q技術(shù)一般可以獲得納秒量級(jí)脈寬、MW（106W）量級(jí)峰值功率的激光脈沖；鎖模技術(shù)一般可以獲得皮秒、飛秒脈寬，峰值功率可達(dá)TW（1012W）量級(jí)。33.1 概述Q開關(guān)激光器一般脈寬達(dá)10-8s10-9s量級(jí)；腔倒空法可以獲得脈寬最窄的調(diào)Q脈沖，脈寬2L/c；要壓窄脈寬，就必須縮短腔長(zhǎng)；但是腔長(zhǎng)短，又會(huì)限制輸出功率；鎖模技術(shù)可以進(jìn)一步將脈寬壓縮到皮秒、飛秒量級(jí)，也稱作超短脈沖技術(shù)；1964年，鎖模技術(shù)首次用于He

2、-Ne激光器。4超短脈沖技術(shù)是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光電子學(xué)，以及激光光譜學(xué)等學(xué)科對(duì)微觀世界進(jìn)行研究和揭示新的超快過(guò)程的重要手段。超短脈沖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖摸(CPM)，以及90年代出現(xiàn)的加成脈沖鎖模(APM)或耦合腔鎖模(CCM)、自鎖模等階段。560年代實(shí)現(xiàn)激光鎖模以來(lái)，鎖模光脈沖寬度為皮秒(10-12s)量級(jí)；70年代，脈沖寬度達(dá)到亞皮秒(10-13s)量級(jí)；80年代則出現(xiàn)了一次飛躍，即在理論和實(shí)踐上都有一定的突破。1981年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.L.Fork等人提出碰撞鎖模理論，并在六鏡環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了碰撞鎖模，得到穩(wěn)定的90fs的光脈沖序列。采用光

3、脈沖壓縮技術(shù)后，獲得了6fs的光脈沖。90年代自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列。63.1.1一般多縱模自由振蕩激光器的輸出特性 腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其縱模的頻率間隔為自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過(guò)閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，各個(gè)模式之間互不相干。7自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過(guò)閾值的縱模，如圖3.1-1所示。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有N個(gè)縱模，那么激光器輸出的光波電場(chǎng)是N個(gè)縱模電場(chǎng)的和，即81、各縱模初相位

4、彼此無(wú)確定關(guān)系，是完全獨(dú)立、隨機(jī)的。2、由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模頻率間隔不嚴(yán)格相等，不嚴(yán)格等于c/2nL。因此各縱模之間是不相干的。3、輸出光強(qiáng)呈現(xiàn)出隨機(jī)的無(wú)規(guī)則起伏，平均光強(qiáng)為各縱模光強(qiáng)之和。9某一瞬時(shí)光強(qiáng)：因?yàn)樗越邮盏降墓鈴?qiáng)是在一段比1/ q = 2/q 大的時(shí)間(t1)內(nèi)的平均值，其平均光強(qiáng)為該式說(shuō)明了平均光強(qiáng)是各個(gè)縱模光強(qiáng)之和 。10 如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來(lái)，使之有一確定的關(guān)系(q+1 -q常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，如圖所示。該激光器各

5、模的相位已按照q+1 -q常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。113.1.2 鎖模的基本原理鎖模的含義:各振蕩縱模初相位鎖定， 即q+1 -q常數(shù)；各振蕩縱模頻率間隔相等并固定為c/2nL；故，鎖模也叫鎖相12先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：Ei = E0cos(2i t+ i) i=1,2,3設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為1 、 2 、 3 的三個(gè)光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式：3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未鎖定，則此三個(gè)不同頻率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此無(wú)關(guān)，如左圖，由于破壞性的干涉疊加，所形成的光波并沒(méi)有一個(gè)地

6、方有很突出的加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)3 E02 /2級(jí)基礎(chǔ)上有一個(gè)小的起伏擾動(dòng)。3 E02 /21314但若設(shè)法使 1 = 2 = 3 =0時(shí)，有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t) 當(dāng) t=0 時(shí), E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(31)時(shí), E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波疊加的結(jié)果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )時(shí)，E = 0；t = 1

7、/1時(shí)，E = 3E0 。這樣就會(huì)出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，見下圖。 當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“建設(shè)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值（ I = E2 = 9E02 ）。當(dāng)然, 對(duì)于諧振腔內(nèi)存在多個(gè)縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。15163 E02 /2 如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來(lái)，使之有一確定的關(guān)系(q+1 - q =常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，這就是說(shuō)，該激光器各模的相位己按照q+1 - q =常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱

8、為“鎖模技術(shù)”。17 要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，就是使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為 ，并且相鄰位相差為常量。這一點(diǎn)在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。 -5 -101 5 式中，q為腔內(nèi)振蕩縱模的序數(shù)。(3.1-7) 下面分析激光輸出與相位鎖定的關(guān)系，為運(yùn)算方便，設(shè)多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅E0，超過(guò)閾值的縱模共有2N十1個(gè)，處在介質(zhì)增益曲線中心的模，其角頻率為0，初相位為0，其模序數(shù)q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的初相位差為，模頻率間隔為 ，假定第q個(gè)振蕩模為 18激光器輸出總光場(chǎng)是2N+1個(gè)縱模相干的結(jié)果：19（a） 2N+1個(gè)模式經(jīng)過(guò)鎖定以后，

9、總的光波場(chǎng)變?yōu)轭l率為 的單色調(diào)幅波，振幅A(t)即總光波場(chǎng)受到振幅調(diào)制。(b) 光強(qiáng) 是時(shí)間的函數(shù)。(c) 光波電場(chǎng)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。 20光場(chǎng)變?yōu)轭l率為0 的調(diào)幅波。振幅(t)是一隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，光強(qiáng)(t)正比(t) ，也是時(shí)間的函數(shù)，光強(qiáng)受到調(diào)制。按傅里葉分析，總光場(chǎng)由2N十1個(gè)縱模頻率組成，因此激光輸出脈沖是包括2N十1個(gè)縱模的光波。 圖3.1-3給出了7（N=3)個(gè)振蕩模的輸出光強(qiáng)曲線。 由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化情況，即可了解輸出激光的持性。21為討論方便，假定 = 0，則(3.1-11)上式

10、分子、分母均為周期函數(shù)，因此A(t)也是周期函數(shù)。只要得到它的周期、零點(diǎn)，即可以得到A(t)的變化規(guī)律。在t=0和t=2L/c時(shí)，A(t)取得極大值，因A(t)分子、分母同時(shí)為零，利用羅彼塔法則可求得此時(shí)振幅=(2N+1)E0。由(3.1-11)式可求出A(t) 的周期為 (令分母 等； 因?yàn)?2 = c/L ,所以， ），在一個(gè)周期內(nèi)有2N個(gè)零值點(diǎn)及2N+1個(gè)極值點(diǎn)。 頻率間隔=c/2L倒數(shù)22(2)每個(gè)脈沖的寬度 可見增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬。0， t1在t=L/c時(shí)，A(t)取得極小值E0，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，A(t)=E0，N為奇數(shù)時(shí)，A(t)=-E0。除了t=0，2L/c點(diǎn)之外

11、，A(t)具有(2N-1)個(gè)次極大值。 由于光強(qiáng)正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c時(shí)的極大值，稱為主脈沖。在兩個(gè)相鄰主脈沖之間，共有2N個(gè)零點(diǎn)，并有2N-1個(gè)次極大值，稱為次脈沖。所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)來(lái)回傳播。(1)激光器的輸出是間隔為=2L/c的規(guī)則脈沖序列。通過(guò)分析可知以下性質(zhì)：振蕩線寬23注意區(qū)分增益線寬和振蕩線寬24鎖模脈寬可達(dá)到調(diào)Q最小脈寬的1/(2N+1);鎖模脈沖的脈寬近似等于器件振蕩線寬的倒數(shù)。由于器件的振蕩線寬都小于凈增益線寬，故在極限情況下，鎖模脈沖的最小脈寬。工作物質(zhì)增益線寬(即熒光譜線寬度)越寬，越能獲得更窄的鎖模脈沖；2526(4)多

12、模(0+qq )激光器相位鎖定的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了q+1 - q=常數(shù)，導(dǎo)致輸出一個(gè)峰值功率高、脈沖寬度窄的序列脈沖。因此多縱模激光器鎖模后，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨(dú)立。(3)輸出脈沖的峰值功率正比于 ，因此，由于鎖模，峰值功率比未鎖模時(shí)的平均功率增大了(2N+1)倍。 27美國(guó)相干公司鈦寶石鎖模飛秒激光系統(tǒng)振蕩級(jí)：Mira900F，7001000nm，900mW，200fs，76MHz；放大級(jí)：RegA9000，800nm，1W，170fs，250kHz；28Mira900F振蕩級(jí)293.1.3 實(shí)現(xiàn)鎖模的主要方法1.主動(dòng)鎖模 主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。 分為：振幅調(diào)制（或損

13、耗調(diào)制）鎖模和相位調(diào)制（或頻率調(diào)制）鎖模。2.被動(dòng)鎖模 產(chǎn)生超短脈沖的另一種有效的方法是被動(dòng)鎖模。 被動(dòng)鎖模與被動(dòng)Q開關(guān)的區(qū)別：被動(dòng)鎖模要求可飽和吸收體上能級(jí)的壽命非常短，弛豫時(shí)間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎖模脈沖的脈寬。304. 同步泵浦鎖模通過(guò)周期性地調(diào)制諧振腔的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)激光器來(lái)獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。3.自鎖模 當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個(gè)振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)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。摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器是典型代表。313.2 主動(dòng)鎖模主

14、動(dòng)鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為fc/2L的鎖模脈沖序列。根據(jù)調(diào)制的原理，可分為相位調(diào)制(PM)(或頻率調(diào)制FM)鎖模及振幅調(diào)制(AM或稱為損耗調(diào)制)鎖模。32333.2.1、振幅調(diào)制鎖模(AM)利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。設(shè)在某時(shí)刻t1通過(guò)調(diào)制器光信號(hào)受到的損耗為(t1)，則在脈沖往返一周時(shí)，這個(gè)光信號(hào)將受到同樣的損耗， 如(t1) 0，則這部分信號(hào)就會(huì)消失。而在損耗(t1) 0時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光，那么將形成脈寬很窄，周期為2L/c的脈沖序列輸出。1、工作原理式中， 為調(diào)制器的平均損耗；為損耗變化的幅度；m 為式中，

15、Am，分別為調(diào)制信號(hào)的振幅和角頻率。調(diào)制信號(hào)為零值時(shí)腔內(nèi)的損耗最小, 而在調(diào)制信號(hào)為正負(fù)最大時(shí)腔內(nèi)的損耗均為最大值；所以損耗變化的頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍，損耗率 設(shè)調(diào)制信號(hào)a(t)a(t)腔內(nèi)損耗變化的角頻率，其頻率等于縱模頻率間隔q，調(diào)制器的透過(guò)率式中，To為平均透過(guò)率； T0為透過(guò)率變化的幅度。并且 +T=1假定調(diào)制前腔內(nèi)的光場(chǎng)為:調(diào)制器放入腔內(nèi)，未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的損耗 為常數(shù)，它表示調(diào)制器的吸收、散射、反射等損耗。透過(guò)率 T=T + T = - 受到調(diào)制以后，腔內(nèi)的光場(chǎng)則變?yōu)槭街?，Ac=EcT0，為光波場(chǎng)的振幅； ，為調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)。為保證無(wú)失真調(diào)制，應(yīng)取m1。(3.2-8)b

16、(t)37圖3.2-1所示為時(shí)域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖。圖(a)為調(diào)制信號(hào)的波形；圖(b)為腔內(nèi)損耗的波形，其頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍；圖(c)為調(diào)制器透過(guò)率波形；38圖(d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場(chǎng)；圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的光波電場(chǎng)；圖(f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。 39上式說(shuō)明：一個(gè)頻率為c的光波，經(jīng)過(guò)外加頻率為（1/2）m的調(diào)制信號(hào)調(diào)制后，其頻譜包括了三個(gè)頻率，即c ，上邊頻(c + m)，下邊頻(c m) ，而且這三個(gè)頻率的光波的相位均相同。由此可見，損耗是以頻率fm= m /2q （頻率間隔）變化的，因此，第q個(gè)振蕩模里會(huì)出現(xiàn)其他模的振蕩。損耗調(diào)制的結(jié)果把各個(gè)縱模聯(lián)系起來(lái)了，其鎖

17、模過(guò)程如下： (3.2-9)下面從頻率域討論鎖模原理。現(xiàn)將式(3.2-8) 展開得：40由調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是與0相鄰的兩個(gè)縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個(gè)縱模開始振蕩，它們具有確定的振幅和與0相同假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為0 ，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場(chǎng)表達(dá)式為當(dāng)該光波通過(guò)腔內(nèi)的調(diào)制器時(shí)，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量0m 。當(dāng)損耗變化的頻率m和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時(shí)， E(t)=E0cos0t41的相位關(guān)系。而后 ，1和-1通過(guò)增益介質(zhì)被放大，并通過(guò)調(diào)制器得到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻2= 1+ c/2L和-2= -1- c/2L 及3= 2+ c/2L

18、和-3 = -2- c/2L等等。此過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止，如圖3.2-2所示。42這些縱模具有相同的初相位，頻率也是等間隔的，從而達(dá)到鎖模的目的，相干疊加起來(lái)之后，發(fā)生強(qiáng)烈的耦合，形成強(qiáng)而窄的光脈沖序列。43振幅調(diào)制鎖模的特點(diǎn)：損耗變化的頻率為 調(diào)制的結(jié)果，使各縱模之間的相位固定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。442、振幅調(diào)制鎖模激光器（1）結(jié)構(gòu)45（2）調(diào)制器類型聲光調(diào)制器：調(diào)制對(duì)比度高、功耗低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；電光調(diào)制器46（3）調(diào)制器的位置和尺寸調(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。調(diào)制器在通光方向的

19、尺寸應(yīng)盡量小。47（4）對(duì)鎖模激光器的要求主動(dòng)鎖模激光器中所有光學(xué)元件的要求應(yīng)比一般調(diào)Q器件更加嚴(yán)格，端面的反射必須控制在最小，否則由于標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)會(huì)減少縱模個(gè)數(shù)，破壞鎖模的效果。為防止因標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)而減少縱模個(gè)數(shù)，腔內(nèi)各元件的端面應(yīng)切割成布儒斯特角并傾斜放置（或鍍?cè)鐾改ぃ?，反射率?yīng)控制到最小，腔反射鏡做成楔形。激光器諧振腔腔長(zhǎng) 必須保持穩(wěn)定，以確保縱模間隔穩(wěn)定。嚴(yán)格控制調(diào)制器的調(diào)制頻率，使其等于諧振腔的縱模間隔，二者達(dá)到不失諧的狀態(tài)。48標(biāo)準(zhǔn)具（etalon）自由光譜范圍（FSR）：精細(xì)常數(shù)（F）：493.2.2、相位調(diào)制鎖模（PM）相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)電光相位調(diào)制器。當(dāng)調(diào)制器介質(zhì)折射率

20、按外加調(diào)制信號(hào)而周期性改變時(shí)，光波在不同的時(shí)刻通過(guò)介質(zhì)，便有不同的相位延遲，這就是相位調(diào)制的原理。下面以鈮酸理(LN)晶體相位調(diào)制器為例予以說(shuō)明。 50式中，n0為尋常光折射率； ne為非常光折射率；13和33為電光系數(shù)；Ez為在z方向施加的電場(chǎng)， （3.2-11）設(shè)光沿x方向傳播，沿z方向施加調(diào)制信號(hào)電壓，即采用橫向運(yùn)用方式，則晶體的折射率51 (3.2-12) 式中，d為z方向晶體的長(zhǎng)度；V0為外加電壓振幅；m為調(diào)制角頻率。如果晶體在x方向的長(zhǎng)度為l，則光波通過(guò)晶體后產(chǎn)生的相位延遲為(設(shè)電矢量與Z軸平行） (3.2-13)由于頻率的變化是相位變化對(duì)時(shí)間的微分，故 52右圖表示了晶體折射率的

21、變化n(t)、光波相位延遲(t)及頻率變化情況。 相位調(diào)制器的作用可理解為一種頻移，使光波的頻率發(fā)生向大(或小)的方向移動(dòng)。脈沖每經(jīng)過(guò)調(diào)制器一次，就發(fā)生一次頻移，最后移到增益曲線之外。類似于損耗調(diào)制器，這部分光波就從腔內(nèi)消失掉。只有那些與相位變化的極值點(diǎn)(極大或極小)相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)，其頻率不發(fā)生移動(dòng)，才能在腔內(nèi)保存下來(lái)，不斷得到放大，從而形成周期為2L/c的脈沖序列。53 由圖3.2-3可知，每個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)頻率不變點(diǎn)，這增加了鎖模脈沖位置的相位不穩(wěn)定性。由于兩種可能情況間相位差為 ，故又稱為1800自發(fā)相位開關(guān)。鎖模激光器在不采取必要措施時(shí)，其輸出脈沖可從一列自發(fā)跳變?yōu)榱?/p>

22、一列。54從頻率持性來(lái)進(jìn)行分析。假設(shè)未調(diào)制的光場(chǎng)為E(t)=Accosct經(jīng)過(guò)相位調(diào)制后的光場(chǎng)則變?yōu)樯鲜奖硎镜念l譜與調(diào)幅振蕩的頻譜相同，系由載頻c與兩個(gè)邊頻(c m)組成。如果調(diào)制信號(hào)的角頻率m與相鄰縱模的頻率間隔相同，由于相位變化的頻率也為m ，因而，最終結(jié)果與振幅調(diào)制相同。當(dāng)調(diào)制系數(shù)m 比較大時(shí)， 55式中，Jn(m )是n階第一類貝塞爾函數(shù)。由此可知，調(diào)頻振蕩的頻譜系由無(wú)限多個(gè)包含有qnfm(n0，1，2，3，)頻率成分的邊頻組成，而且這些邊頻光都具有相同的頻率間隔和相位，且與中心縱模一致，當(dāng)它們將相應(yīng)的縱模激發(fā)起來(lái)并耦合時(shí)，就可達(dá)到鎖模的目的，得到周期為1/fm2L/c的超短脈沖輸出。

23、5657主動(dòng)鎖模振幅調(diào)制鎖模（AM） 相位調(diào)制鎖模（PM）58振幅調(diào)制鎖模（AM）振幅調(diào)制鎖模的特點(diǎn)：調(diào)制器的信號(hào)頻率為，損耗變化的頻率為 調(diào)制的結(jié)果，使各縱模之間的相位固定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。59相位調(diào)制鎖模（PM）相位調(diào)制器的作用可理解為一種頻移，使光波的頻率發(fā)生向大(或小)的方向移動(dòng)。60鎖模脈寬譜寬乘積FM調(diào)制：AM調(diào)制：613.3 被動(dòng)鎖模在自由振蕩激光器諧振腔中插入可飽和吸收染料，通過(guò)其非線性吸收特性調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗，當(dāng)滿足鎖模條件時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)鎖模。分類：固體激光器的被動(dòng)鎖模 染料激光器的被動(dòng)鎖模優(yōu)點(diǎn)：被動(dòng)鎖模脈沖的寬度比主動(dòng)鎖模的更窄。62被動(dòng)鎖模

24、與被動(dòng)Q開關(guān)的區(qū)別 染料的激發(fā)態(tài)壽命不同（很短ps量級(jí)，在ns量級(jí)） 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(duì)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。 染料盒緊靠全反鏡一般把染料盒的一面做成全反鏡，使光通過(guò)染料盒間隔為。63染料調(diào)Q64653.3.1、固體激光器的被動(dòng)鎖模1、工作原理由于染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度激光能使染料吸收飽和。右圖示出了激光通過(guò)染料的透過(guò)率T隨激光強(qiáng)度I的變化情況。強(qiáng)信號(hào)的透過(guò)率較弱信號(hào)的為大，只有小部分為染料所吸收。強(qiáng)、弱信號(hào)大致以染料的飽和光強(qiáng)Is來(lái)劃分。大于Is

25、的光信號(hào)為強(qiáng)信號(hào)，否則為弱信號(hào)。66在沒(méi)有發(fā)生鎖模以前，假設(shè)腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的，但還有一些起伏。由于染料具有可飽和吸收的特性，弱的信號(hào)透過(guò)率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號(hào)則透過(guò)率大，損耗小，且其損耗可通過(guò)工作物質(zhì)的放大得到補(bǔ)償。所以光脈沖每經(jīng)過(guò)染料和工作物質(zhì)一次，其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會(huì)越來(lái)越大。脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過(guò)，則使脈沖變窄。67 從頻率域分析，開始時(shí)自發(fā)輻射的熒光以及達(dá)到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖，經(jīng)過(guò)可飽和吸收染料在噪聲脈沖中的選擇作用，只剩下高增益的中心波長(zhǎng)、及其邊頻，隨后經(jīng)過(guò)幾次染料的吸收和工作物質(zhì)的放

26、大，邊頻信號(hào)又激發(fā)新的邊頻，如此繼續(xù)下去，使得增益線寬內(nèi)所有的模式參與振蕩，于是便得到一系列周期為2L/c 的脈沖序列輸出。 68被動(dòng)鎖模和主動(dòng)鎖模的相似性被動(dòng)鎖模激光器諧振腔中的激光受到的調(diào)制類似于主動(dòng)鎖模中的振幅調(diào)制，調(diào)制頻率均為c/2L。在被動(dòng)鎖模激光器中，由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過(guò)程大致分為三個(gè)階段，如圖所示。其過(guò)程的實(shí)質(zhì)是最強(qiáng)的脈沖得到有選擇的加強(qiáng)，背景脈沖逐漸地被抑制，三個(gè)階段可簡(jiǎn)述如下。 tPtPtPtPtP線性放大 線性放大 非線性 吸收 非線性 放大 70 泵浦起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生，當(dāng)超過(guò)激光閾值時(shí)，初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量，并且具有隨機(jī)相位關(guān)系的激光縱

27、模之間的干涉，因而導(dǎo)致光強(qiáng)度的起伏。在一個(gè)周期2L/c時(shí)間內(nèi)，光脈沖通過(guò)有機(jī)染料和激光介質(zhì)各一次，在吸收體染料中，對(duì)強(qiáng)脈沖吸收得少而對(duì)弱脈沖吸收得多。在激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線性放大，其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用。此階段約為幾千個(gè)循環(huán)。 (1)線性放大階段工作物質(zhì)的增益是線性的，染料吸收還沒(méi)有達(dá)到飽和，頻譜由熒光帶寬開始逐漸變窄。71(2)非線性吸收階段工作物質(zhì)的增益是線性的，強(qiáng)脈沖使染料吸收達(dá)到飽和并被迅速放大，弱脈沖被吸收抑制掉。發(fā)射脈沖變窄，譜線增寬。72 (3)非線性放大階段 染料吸收達(dá)到飽和,工作物質(zhì)的增益也達(dá)到飽和,對(duì)留下的強(qiáng)脈沖進(jìn)行非線性放大。即：強(qiáng)脈沖前沿和中心部分被放大得多，后沿部分由

28、于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)消耗，增益下降而放大得少，甚至得不到放大。結(jié)果使前后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎被完全抑制，最后輸出一個(gè)高強(qiáng)度窄脈寬的脈沖序列。此階段使脈沖壓縮，頻譜增寬。 73 典型的鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)示于下圖。這種激光器主要包括光學(xué)諧振腔、激光棒、染料盒以及小孔光闌。為了得到高重復(fù)率的高質(zhì)量鎖模脈沖序列，對(duì)染料濃度、泵浦強(qiáng)度和諧振腔的設(shè)計(jì)及調(diào)整等都有嚴(yán)格的要求，否則，激光輸出將極不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)被動(dòng)鎖模激光器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 2被動(dòng)鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)74 (2)用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件：染料的吸收譜線與激光波長(zhǎng)相匹配；其吸收線的線寬大于或等于激光線寬；其弛豫時(shí)間短于脈沖在腔內(nèi)往返

29、一次的時(shí)間。(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持角(或2o-3o傾角)，鍍以增透膜及傾斜放置等，以利于消除非工作表面的反射。為了防止末端元件的反射光進(jìn)入腔內(nèi)，全反鏡的后表面應(yīng)磨成楔形。75下表列出了用于鎖模的幾種染料的飽和光強(qiáng)(Is)和弛豫時(shí)間(T21b)。 染料盒應(yīng)盡量靠近反射鏡放置，一般為l2mm，有時(shí)可將染料盒和全反鏡合為一體，有利于脈沖反射前沿和入射后沿在染料中重疊，以利于吸收體在光強(qiáng)度大時(shí)達(dá)到飽和。76鎖模脈沖和調(diào)Q脈沖的比較染料調(diào)Q脈沖：染料馳豫時(shí)間bp（脈寬），由于參與振蕩的各縱模初相位之間無(wú)固定關(guān)系，故輸出的調(diào) 脈沖其精細(xì)結(jié)構(gòu)有漲落的特征。染料鎖模脈沖： bp

30、，染料不但吸收了脈沖的前沿，亦吸收了其后沿，脈沖前后沿因受到染料的吸收而變陡。輸出的鎖模脈沖是脈寬 的規(guī)則脈沖序列。773.3.2、染料激光器的被動(dòng)鎖模與固體鎖模激光器相同之處： 首先通過(guò)染料吸收體的非線性吸收和激光介質(zhì)的放大作用，從漲落的噪聲背景中選擇出強(qiáng)漲落峰，然后通過(guò)可飽和吸收體和激光介質(zhì)飽和狀態(tài)的共同作用，最終形成超短脈沖。不同之處：激光染料的上能級(jí)弛豫時(shí)間短（納秒量級(jí)），因此使增益衰減在脈沖產(chǎn)生中起重要作用。通常染料吸收體的吸收截面大于增益介質(zhì)的吸收截面，使吸收體達(dá)到飽和的能量小于使增益介質(zhì)飽和的能量，以及使脈沖峰值得到的有效增益大于脈沖前沿得到的有效增益，有利于脈沖的產(chǎn)生。78用閃

31、光燈泵浦的被動(dòng)鎖模染料激光器結(jié)構(gòu)連續(xù)波泵浦被動(dòng)鎖模染料激光器結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)79被動(dòng)鎖模染料激光器與被動(dòng)鎖模固體激光器的區(qū)別機(jī)理有所不同，由于激光染料的上能級(jí)壽命比較短（納秒量級(jí)），因此可飽和吸收和增益衰減的聯(lián)合作用，產(chǎn)生不受吸收體弛豫時(shí)間限制的快速脈沖壓縮過(guò)程。由于激光染料的譜線寬，激光上能級(jí)壽命短，因此染料鎖模激光器可以輸出比固體鎖模激光器更窄的脈沖。碰撞鎖模染料激光器可輸出幾十飛秒的脈沖序列。80被動(dòng)鎖模的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：被動(dòng)鎖模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。81從形成過(guò)程看，被動(dòng)鎖模是由很多脈沖相互競(jìng)爭(zhēng)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

32、度，泵浦光源，諧振腔的結(jié)構(gòu)，調(diào)整誤差影響。改進(jìn)：在被動(dòng)鎖模激光器中加入主動(dòng)Q開關(guān)主被動(dòng)鎖模。 人為加入周期性損耗，控制加壓的時(shí)間可以提高穩(wěn)定度。82碰撞鎖模（補(bǔ)充）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)在被動(dòng)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(jí)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(guò)程加快。 使窄了34倍。2.裝置示意圖如下83在形成空間光柵的過(guò)程中，兩脈沖能量的前沿被吸收，它的光強(qiáng)比單一脈沖使

33、吸收體飽和快，而且由于吸收體的弛豫時(shí)間大于光脈沖寬度，脈沖后沿通過(guò)時(shí)，光柵的調(diào)制度仍然很大，便會(huì)受到后向散射而得到壓縮。因此，在時(shí)域上，兩個(gè)脈沖每經(jīng)過(guò)可飽和吸收介質(zhì)一次，前后沿受到切削，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，將使脈沖得到的壓縮加快。此外,由于脈沖相干疊加形成的駐波場(chǎng)，使可飽和吸收體中有效光場(chǎng)強(qiáng)度明顯增加。843.4 同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模激光器，是采用一臺(tái)鎖模激光器脈沖序列，泵浦另一臺(tái)激光器，通過(guò)調(diào)制腔內(nèi)增益的方法獲得鎖模。實(shí)現(xiàn)同步泵浦鎖模的關(guān)鍵是，使被泵浦激光器的諧振腔長(zhǎng)度與泵浦激光器的諧振腔長(zhǎng)度相等或是它的整數(shù)倍。85 在一定的條件下，增益受到調(diào)制其調(diào)制周期等于光在諧振腔的循環(huán)周期。與損耗調(diào)制類

34、似，在最大增益時(shí)域內(nèi)形成一短脈沖，其脈沖寬度比所用的泵浦脈沖寬度窄得多。同步泵浦鎖模對(duì)染料激光器具有實(shí)用意義，因?yàn)槿玖暇哂泻軐挼脑鲆婢€寬(10131014Hz)，同步泵浦染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在整個(gè)光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。86增益調(diào)制和損耗調(diào)制的統(tǒng)一性主動(dòng)鎖模的振幅調(diào)制是對(duì)諧振腔的損耗進(jìn)行調(diào)制；同步泵浦鎖模是對(duì)諧振腔的增益g進(jìn)行調(diào)制；兩者實(shí)際上最終是對(duì)諧振腔的凈增益Gg-進(jìn)行調(diào)制。873.4.1、同步泵浦鎖模原理88同步泵浦鎖模通過(guò)調(diào)制腔內(nèi)增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模氬離子激光器，泵浦染料激光器，泵浦脈沖的寬度Tp為100-200ps（0.1-0.2ns），而染料激光器的激光上能級(jí)的弛

35、豫時(shí)間T31為納秒量級(jí)(如若丹明6G，T315ns)，T31大于泵浦脈沖寬度Tp，而小于光在諧振腔的循環(huán)周期T2L/c即: Tp T31T同步泵浦染料激光器特性第一階段為增益階段；第二階段為脈沖壓縮階段。89 在此條件下，激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅僅取決于這一瞬間得到的泵浦能。如圖所示，泵浦使其增益系數(shù)逐漸增大，直至超過(guò)損耗，達(dá)到激光閾值以上。從這一瞬間起產(chǎn)生受激輻射，激光脈沖能量迅速上升，由于泵浦脈沖序列的周期與光子在染料激光器中往返一周的時(shí)間相等，故諧振腔內(nèi)的起始脈沖，只有與泵浦脈沖同時(shí)到達(dá)染料盒時(shí)才能得到放大。這樣由前次泵浦所產(chǎn)生的染圖3.4-1 同步泵浦染料激光器特性料激光脈沖，在腔內(nèi)往返

36、一周到達(dá)染料盒時(shí)，染料恰好被泵浦處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，激光脈沖的能量經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)后得到放大，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后脈沖得到較大的能量，這是脈沖形成的第一階段增益階段（即脈沖的建立放大階段）。90第二階段為脈沖壓縮階段，當(dāng)脈沖比較強(qiáng)時(shí)，每經(jīng)過(guò)激活介質(zhì)一次，由于飽和效應(yīng)，只有前沿及中間部分得到放大，而后沿由于得不到放大而被抑制，因此經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，脈寬得到壓縮，最后形成一穩(wěn)定的脈沖。這時(shí)，脈沖寬度、能量以及泵浦脈沖與激光脈沖的相對(duì)位置保持不變。這一階段如同被動(dòng)鎖模的非線性放大階段。91 圖3.4-3所示為典型的同步泵浦染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。它包括泵浦源、光學(xué)諧振腔、激光介質(zhì)及調(diào)諧元件等。泵浦源一般采用

37、主動(dòng)鎖模的氬離子激光器或固體鎖模激光器，這可根據(jù)激光介質(zhì)的類型來(lái)定；對(duì)于染料激光器，一般采用三個(gè)反射鏡組成的折疊腔結(jié)構(gòu)作為染料激光諧振腔。反射鏡M1將3.4.2、同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu)泵浦光脈沖序列饋入染料激光腔中。泵浦光和激光同時(shí)以一個(gè)小夾角通過(guò)染料，反射鏡M2使激光反射，然后在輸出鏡M4被部分反射、部分輸出。反射鏡在激光諧振腔中是這樣配置的，它使染料激光在反射鏡M2和M4之間振蕩，而使得（與染料激光方向成一個(gè)小角度入射的）泵浦光通過(guò)染料后則離開諧振腔。但激活介質(zhì)中泵浦光的光束束腰必須與染料激光的光束束腰很好地重疊。為此，兩光束間的夾角應(yīng)盡量小，并采用良好的像散補(bǔ)償裝置。92同步泵浦的優(yōu)點(diǎn)

38、同步泵浦鎖模技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn):能夠獲得脈沖能量很大,脈寬很窄的波長(zhǎng)可調(diào)諧脈沖。同步鎖模比起被動(dòng)鎖模染料激光器最大的優(yōu)點(diǎn)：在被動(dòng)鎖模中,可飽和吸收染料的吸收譜會(huì)強(qiáng)加一個(gè)調(diào)節(jié)范圍,而同步鎖模中沒(méi)有此限制。同步鎖模染料激光器，不僅在特定染料增益光譜范圍內(nèi)可調(diào)，而且，對(duì)于不同的激光染料，在可見光和近紅外的大部分波段也是可調(diào)的。933.5 自鎖模 在激光腔內(nèi)勿需插入任何調(diào)制元件，而是利用激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)鎖模，稱之為自鎖模。大約在1965年，人們?cè)謩e在HeNe激光器、銅蒸氣激光器、Nd:YAG激光器中觀察到了自鎖?，F(xiàn)象。但由于這些激光器中，自鎖模脈沖序列不能自維持，因此一直未引起人們的重

39、視。1991年首次在摻鈦藍(lán)寶石連續(xù)激光器中，自鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)獲得成功。從此以后，固體激光器自鎖模的研究成了超短脈沖領(lǐng)域的熱門課題。943.5.1、自鎖模原理大多數(shù)理論認(rèn)為，摻鈦藍(lán)寶石的自鎖?，F(xiàn)象與其增益介質(zhì)的克爾效應(yīng)所引起的光束自聚焦有關(guān)。這種自鎖模屬于被動(dòng)鎖模。從時(shí)域角度分析，在帶有被動(dòng)性質(zhì)的鎖模激光器中，腔內(nèi)存在具有下列性質(zhì)的元件，即能夠從噪聲中選擇出強(qiáng)度比較大的脈沖，并利用鎖模器件自身的非線性效應(yīng)使脈沖前后沿的增益小于，而脈沖中間部分的增益大于。脈沖在腔內(nèi)往返傳播的過(guò)程，即是被整形放大的過(guò)程，直至脈寬被壓窄，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模。95摻鈦藍(lán)寶石介質(zhì)折射率的非線性效應(yīng)可表示為： 式中,n0為與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的

40、折射率，n2為非線性折射率，I(t)為脈沖光強(qiáng)。由于光強(qiáng)的高斯分布，當(dāng)其通過(guò)介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)。取介質(zhì)的某一小段L，則自聚焦效應(yīng)的焦距為:n= no + n2 I (t) （電光克爾效應(yīng)） (3.5-1)96摻鈦藍(lán)寶石自聚焦介質(zhì)自聚焦空域角度時(shí)域角度97因脈沖中間部分的光強(qiáng)大于前后沿的光強(qiáng)，由式（3.5-1）、式（3.5-2）可知，脈沖中間部分對(duì)應(yīng)的類透鏡焦距小于脈沖前后沿所對(duì)應(yīng)的焦距。當(dāng)脈沖通過(guò)自焦距介質(zhì)后，脈沖在時(shí)間上的光強(qiáng)變化將在空間上反映出來(lái)。摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中有兩個(gè)束腰，一個(gè)位于摻鈦藍(lán)寶石介質(zhì)內(nèi)，一個(gè)位于腔平面反射鏡上或其附近。這樣，如在束腰附近加一光闌，則可以使光脈沖

41、前后沿的損耗大于脈沖中間部分的損耗。摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中因自聚焦效應(yīng)和腔內(nèi)光闌的存在，受到一個(gè)與光強(qiáng)有關(guān)的損耗調(diào)制，即(3.5-4)98由于增益的存在，脈沖在腔內(nèi)循環(huán)時(shí)，強(qiáng)度小的脈沖不斷被抑制而消失，強(qiáng)度大的脈沖不斷增強(qiáng)，而且使其前后沿不斷損耗，脈沖中間部分被放大，脈沖寬度被壓縮。對(duì)于一個(gè)光脈沖，自聚焦效應(yīng)與腔內(nèi)光闌的結(jié)合就相當(dāng)于一個(gè)快飽和吸收體，它對(duì)光脈沖的前后沿有壓縮作用。光闌可以是外加的，例如在靠近輸出鏡位置加的小孔光闌，亦可以直接利用摻鈦藍(lán)寶石棒內(nèi)高斯分布的增益區(qū)域所構(gòu)成的增益光闌(也可稱之為三維光闌或軟光闌)。摻鈦藍(lán)寶石激光器自鎖模脈沖的形成分為以下兩個(gè)階段： 1. 初始脈沖的形

42、成 2. 穩(wěn)定鎖模脈沖的形成99100 理論分析和大量的實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的摻鈦藍(lán)寶石激光器中的噪聲脈沖由于達(dá)不到鎖模的啟動(dòng)閾值，故該種激光器的自鎖模不能自啟動(dòng)，必須首先在腔內(nèi)引入一個(gè)瞬間擾動(dòng)，造成高損耗，當(dāng)腔鏡復(fù)位時(shí)，腔中的光強(qiáng)產(chǎn)生強(qiáng)烈漲落。當(dāng)它們通過(guò)增益介質(zhì)時(shí)，由于增益介質(zhì)的自聚焦效應(yīng)，它與腔內(nèi)光闌的結(jié)合等效于可飽和吸收體，經(jīng)過(guò)自振幅調(diào)制(SAM)和增益介質(zhì)的線性放大，對(duì)脈沖進(jìn)行選擇、放大、初步壓縮，形成初始脈沖。1. 初始脈沖的形成1012. 穩(wěn)定鎖模脈沖的形成 腔內(nèi)初始鎖模脈沖形成以后，由于它的峰值功率較大，所以在增益介質(zhì)中由于非線性克爾效應(yīng)，脈沖產(chǎn)生自相位調(diào)制(SPM)，嚴(yán)重地改變了

43、脈沖的相位。在這一階段中，增益介質(zhì)的自振幅調(diào)制和增益放大仍起主要作用，只是由于脈沖功率增大，不可避免地要產(chǎn)生自相位調(diào)制和很大的正群速度色散，不利于進(jìn)一步壓縮脈寬，而要用合適的負(fù)色散去補(bǔ)償，才可以得到最窄的脈沖寬度。102啟 動(dòng) 措 施大量的實(shí)驗(yàn)及分析計(jì)算表明，自鎖模必須采用附加措施來(lái)啟動(dòng)(最初工作在連續(xù)狀態(tài))。最簡(jiǎn)單的方法是輕敲平臺(tái)或某一腔鏡產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度擾動(dòng)以啟動(dòng)自鎖模，啟動(dòng)后的Ti:S激光器鎖模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受周圍環(huán)境擾動(dòng)的影響，一旦失鎖必須重新啟動(dòng)，為此人們發(fā)明了許多主動(dòng)及被動(dòng)的啟動(dòng)和維持Ti:S自鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)的方法：103 (1). 利用聲光調(diào)制再生啟動(dòng)的方案，即在原自鎖模激光器內(nèi)加入一個(gè)聲光調(diào)

44、制器，使其頻率與諧振腔周期的倒數(shù)匹配，激光器輸出為幾十到幾百ps量級(jí)的脈沖，脈沖重復(fù)頻率由調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)頻率決定，這時(shí)激光器處于主動(dòng)鎖模狀態(tài)。適當(dāng)調(diào)整諧振腔，使激光器進(jìn)入自鎖模，產(chǎn)生脈寬fs量級(jí)的鎖模脈沖，平均功率幾乎不變。這時(shí)脈沖重復(fù)頻率僅由腔頻決定，與調(diào)制器驅(qū)動(dòng)頻率無(wú)關(guān)，但兩個(gè)頻率精確匹配時(shí)，自鎖狀態(tài)最穩(wěn)定。104(2). 利用飽和吸收體也可以啟動(dòng)自鎖模Ti:S激光器。在Ti:S激光腔內(nèi)插入一個(gè)飽和吸收體(如HITCI)，改變?nèi)玖蠞舛戎敝磷罱K形成的鎖模脈沖的脈寬和平均功率與染料無(wú)關(guān)，只是脈沖建立時(shí)間受染料濃度的影響(濃度越大，建立時(shí)間越短)，并在去掉染料噴膜時(shí)裝置能產(chǎn)生自鎖。這說(shuō)明飽和吸收體的作用只是引入最弱的調(diào)制來(lái)啟動(dòng)自鎖模。(3)使用振動(dòng)鏡啟動(dòng)，用線性外腔或直接振動(dòng)一個(gè)腔鏡(一般為全反鏡)，可使Ti:S激光器由連續(xù)狀態(tài)進(jìn)入自鎖狀態(tài)。105自鎖模摻鈦藍(lán)寶石激光器自鎖模摻鈦藍(lán)寶石激光器的鎖模脈寬為幾十飛秒（極限值約在左右）。106 當(dāng)超短光脈沖在介質(zhì)中傳輸時(shí)，由于超短光脈沖聚焦后具有極高的峰值功率密度，因此，其傳輸