調(diào)Q激光器基本理論

調(diào)Q激光器基本理論

Q突變過程中Dn和N的變化脈沖峰值功率、脈沖寬度鎖模原理鎖模脈沖特性

峰值功率、脈沖間隔，脈寬、鎖模方法

主動鎖模：振幅調(diào)制、相位調(diào)制被動鎖模：染料鎖模

均勻加寬激光器主動鎖模的自洽理論第11

講三、調(diào)Q激光器的基本理論

用速率方程方法討論調(diào)Q脈沖形成，研究Q突變過程中Dn和N的變化規(guī)律，脈沖峰值功率(Pm)及脈沖寬度(Dt)與Dn的關(guān)聯(lián)性

特點(diǎn):

Q開關(guān)時間極短幾ns量級

討論前提：三能級系統(tǒng)激光器（為什么？）

L＝l,hF=1,f1=f2

及各模式振幅相等

Dni0t0NNi1.調(diào)Q速率方程及其解

理想階躍開關(guān)；忽略泵浦及自發(fā)輻射引起的Dn的變化兩式相除積分Ni－

t=0時光子數(shù)密度Dni－t=0時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度(7-3-5)四能級系統(tǒng)在Q開關(guān)時間(ns)內(nèi)E1E0的粒子數(shù)很少，n1不能忽略（習(xí)題7-9）2.脈沖峰值功率(Pm)當(dāng)兩反射鏡透過率分別為T和0，光束截面＝工作物質(zhì)截面(S)調(diào)Q激光器輸出峰值功率Dni0tPNi(7.3.5)(L=l)習(xí)題7-6熒光壽命紅寶石釹玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20ns~ns工作介質(zhì)其中Q開關(guān)插入損耗小

Q開關(guān)“關(guān)死”結(jié)論：－開關(guān)比;如何使大（1）（2）（3）相同泵浦功率下為什么？3.調(diào)Q脈沖能量（E）

前提：hF=1腔內(nèi)脈沖總能量E’輸出脈沖能量能量利用率Ei－儲藏在工作物質(zhì)中可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)Q脈沖的初始能量Ef－巨脈沖熄滅后剩余的能量（通過自發(fā)輻射逐漸消耗）注意公式條件

P.174腔內(nèi)一光子往返一周因輸出而損耗的能量百分?jǐn)?shù)腔內(nèi)一光子往返一周損耗能量的百分?jǐn)?shù)思考：如果R2也較小，上式應(yīng)如何修正？結(jié)論：熄滅時調(diào)Q激光器能量利用率能量利用率4.調(diào)Q脈沖寬度DtrDte積分(7-3-5)代入上升沿下降沿(7-3-4)＋Dt＝理論計(jì)算與實(shí)際測量脈寬產(chǎn)生誤差的原因：Dn分布不均勻(泵浦、激勵不均勻，中心大，邊緣小)

脈沖建立時間不同(中心部分先建立，邊緣后建立）輸出脈沖為從中心到邊緣多個脈沖的疊加的結(jié)果，故變寬。

Q開關(guān)時間（非理想階躍）

Pm的粗略估算數(shù)值求解(1)脈寬變窄,且前沿更陡

(2)調(diào)Q激光器設(shè)計(jì),L和T要折衷考慮§7-6鎖模(ModeLocking)－超短脈沖(ps-fs)一、引言

自由運(yùn)轉(zhuǎn)（非鎖模）多模激光器的輸出特性

每個縱模的電場表達(dá)式相鄰縱模間的頻率間隔

總輸出tE二、鎖模原理多縱模相位鎖定鎖模物理機(jī)制：采取措施使腔內(nèi)各個縱模的初始相位保持一致或各縱模間有確定的相位關(guān)系,輸出為等間隔短脈沖序列各縱模建立時間不同，Eq,wq,jq不同，輸出為多個縱模無規(guī)疊加的結(jié)果舉例:

三個縱模鎖定后的光波疊加n1,n2,n3n2=2n1,n3=3n1

E1=E2=E3=E0

,j1=j2=j3=0（振幅相等）（初始相位為0）n11/3n12/3n10E(t)0極大值極大值極小值極小值I(t)引伸:

假設(shè)2N+1個模振蕩,振幅相同

(E0)相鄰縱模間相位差相鄰縱模角頻率間隔鎖定時............振幅調(diào)制包絡(luò)振幅三、鎖模脈沖特性

(1)峰值功率Im(光強(qiáng)極大值)

有極大值

鎖模后脈沖峰值功率是未鎖模時的（2N＋1）倍模式個數(shù)多有利于鎖模脈沖峰值功率的提高振蕩模式增多的途徑：模式個數(shù)未鎖定時(2)鎖模脈沖間隔－相鄰脈沖極大值之間間隔(T0)Lq

F（熒光線寬寬）(3)脈沖寬度(t)通過DnF可估算鎖模脈寬釹玻璃DnF

＝7.5×1012~ps鈦寶石(900nm)~1014fs四、鎖模方法

主動鎖模(Activelymodelocked)*

腔內(nèi)插入調(diào)制元件，強(qiáng)迫各縱模初相位相同

*振幅調(diào)制相位調(diào)制

被動鎖模(Passivemodelocking)

腔內(nèi)放入可飽和吸收體，吸收系數(shù)

與光強(qiáng)有關(guān)使各縱模相位鎖定損耗調(diào)制器工作物質(zhì)E1(t)E2(t)E3(t)(1)振幅調(diào)制(AM)法鎖模（損耗調(diào)制鎖模）從時域角度解釋AM鎖模損耗調(diào)制頻率損耗調(diào)制周期

周期為T0,寬度極窄的光開關(guān)t1時刻光信號可無損通過，經(jīng)t1＋nT0，此信號將再次無損通過；t2時刻光信號每次經(jīng)過調(diào)制器則損失一部分能量；結(jié)果：的光信號,能形成光振蕩,其余光信號損耗調(diào)制器（光開關(guān)）工作物質(zhì)從頻域角度......脈沖在時域上被壓窄的同時，在頻域上被加寬其中(調(diào)幅系數(shù))(2)相位調(diào)制鎖模

(頻率調(diào)制)－h(huán)隨外加電壓變化相位調(diào)制函數(shù)－相位調(diào)制幅度頻率偏移相位調(diào)制器工作物質(zhì)t=t0,t1,t2,t3

….t=t0,t1,t2,t3..每經(jīng)過調(diào)制器一次會產(chǎn)生頻移,使頻移增大，最終導(dǎo)致光頻移出增益曲線外，不再被放大。相位調(diào)制器的作用類似損耗調(diào)制器，縱模鎖定機(jī)制與幅度調(diào)制時相似。（3）可飽和吸收體被動鎖模Saturableabsorber脈沖壓縮機(jī)制：脈沖兩翼較脈沖中部經(jīng)歷更多損耗，足夠強(qiáng)的脈沖中部光強(qiáng)可使吸收飽和最終使兩翼光強(qiáng)越來越低，脈沖頂部越來越高，脈沖被壓窄1102I/IsT0.40.60.81.0吸收體上能級壽命上能級壽命飽和吸收體－自啟動光開關(guān)（強(qiáng)光打開，弱光關(guān)閉）強(qiáng)光尖峰脈沖－透過率大，損耗小，形成穩(wěn)定振蕩弱光信號－透過率小，損耗大，衰減殆盡(開關(guān)速度)問題1：最初的光尖峰脈沖如何形成？問題2：如何自啟動(self-starting)？問題3：實(shí)際應(yīng)用的快速飽和吸收體(<1ps)

有機(jī)染料：若丹明6G，隱化青等半導(dǎo)體吸收介質(zhì)：單層或許多量子阱層堆疊；超晶格結(jié)構(gòu)；飽和Bragg光柵；半導(dǎo)體光放大器光纖或半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)效應(yīng)問題4：被動鎖模激光器輸出脈沖周期（或頻率）？Saturableabsorber問題5：鎖模激光器中的關(guān)鍵器件？orLiNbO3主動鎖模光纖環(huán)形激光器SOA—半導(dǎo)體光放大器EAM－電吸收調(diào)制器腔長－20米輸出脈沖寬度：10ps

利用法拉第偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的被動鎖模光纖環(huán)形激光器腔長：幾十米輸出脈沖寬度：幾十飛秒(fs)orEDFA考察短脈沖在腔內(nèi)經(jīng)

增益介質(zhì)

損耗調(diào)制器

反射鏡

反射后回到起始點(diǎn)是否正好能映射自身五、均勻加寬激光器主動鎖模(AM)自洽理論自洽理論要點(diǎn)：考察腔內(nèi)某一點(diǎn)的光脈沖，在腔內(nèi)往返一周后能自再現(xiàn),即E1(t)=E3(t)

損耗調(diào)制器工作物質(zhì)E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2物理意義？

光脈沖：高斯形a－決定高斯脈沖包絡(luò)形狀

b－鎖模系統(tǒng)的線性啁啾

啁啾頻率光脈沖E(t)

增益介質(zhì)E(w)

反射鏡損耗調(diào)制器E(t)

(Self-consistenttheory)高斯脈沖頻譜：

調(diào)制器

反射鏡反射系數(shù)

(調(diào)制深度）

均勻加寬工作物質(zhì)：振幅調(diào)制器工作物質(zhì)E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2高斯脈沖1.B點(diǎn)頻譜兩次經(jīng)過增益介質(zhì)，由反射鏡1反射2.C點(diǎn)時域特性經(jīng)反射鏡2反射，并兩次通過振幅調(diào)制器？（小信號情況）振幅調(diào)制器工作物質(zhì)E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2

對進(jìn)行處理傅立葉變換得(高斯脈沖頻譜)式中代入1.B點(diǎn)頻譜兩次經(jīng)過增益介質(zhì)，由反射鏡1反射對損耗調(diào)制器作些處理：T(t)自洽條件：2.C點(diǎn)時域特性經(jīng)反射鏡2反射，并兩次通過調(diào)制器損耗調(diào)制鎖模的自洽條件，即b＝0，系統(tǒng)無啁啾(ch