激光原理：第七章 激光特性的控制與改善

本科生《激光原理》課程

第七章

激光特性的控制與改善6.5鎖模技術(shù)利用多縱模輸出的激光束，經(jīng)過特殊的調(diào)制，使其各縱模之間有確定的相位關(guān)系，從而發(fā)生相干疊加，形成窄脈沖。1.未鎖模多縱模激光器的輸出特性N個(gè)模式互不相干，完全獨(dú)立，位相差不是常數(shù)激光輸出的總光場(chǎng)是各個(gè)不同頻率光場(chǎng)的無規(guī)則疊加的結(jié)果，平均光強(qiáng)是各個(gè)縱模光強(qiáng)之和。2.鎖?；驹聿扇∵m當(dāng)措施，使各縱模頻率等間隔，位相差為常數(shù)。6.5.1鎖模原理1.未鎖模多縱模激光器的輸出特性

設(shè)激光器有2N＋1個(gè)縱模振蕩，則其輸出的光波電場(chǎng)為：特點(diǎn)：由于頻率牽引，各縱模頻率不等間隔，初位相無確定關(guān)系。2.鎖模的基本原理設(shè)腔內(nèi)有共2N＋1個(gè)模式振蕩且滿足相位鎖定條件：（2N＋1）個(gè)縱模的合成電場(chǎng)強(qiáng)度：輸出光強(qiáng)：

峰值功率

周期（相鄰脈沖峰值間隔）等于光在腔內(nèi)來回一次所需的時(shí)間

脈沖寬度

熒光線寬縱模鎖模有2N-1個(gè)次脈沖。次脈沖的個(gè)數(shù)為2N-1，參與鎖模的縱模數(shù)越多，次脈沖的幅度越低；6.5.2鎖模方法1.主動(dòng)鎖模

在激光諧振腔內(nèi)插入一個(gè)受外部信號(hào)控制的調(diào)制器，用一定調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。相位調(diào)制鎖模（頻率調(diào)制鎖模）采用電光調(diào)制器振幅調(diào)制鎖模（損耗調(diào)制鎖模）采用聲光調(diào)制器主動(dòng)鎖模(1)振幅調(diào)制鎖模損耗調(diào)制頻率：（角頻率

）設(shè)t1時(shí)刻：損耗為這部分光信號(hào)每往返一次就受到一次損耗這部分光信號(hào)每次無損耗通過時(shí)刻：損耗為則①時(shí)域角度分析調(diào)制信號(hào)波形腔內(nèi)損耗波形調(diào)制器透過率波形調(diào)制前腔內(nèi)光波電場(chǎng)調(diào)制后腔內(nèi)光波電場(chǎng)激光器輸出的鎖模光脈沖損耗變化頻率是信號(hào)頻率的2倍

光波通過調(diào)制器，產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量,它們與具有相同的相位，從而使與相鄰的兩個(gè)縱模開始振蕩。的光通過調(diào)制器時(shí)，出現(xiàn)的振蕩模。此過程繼續(xù)進(jìn)行，直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)。各模具有相同初位相，且頻率等間隔，從而達(dá)到鎖模目的。②頻域角度分析余弦調(diào)制后的電場(chǎng)強(qiáng)度為：采用聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，對(duì)調(diào)制頻率要求很高。(2)相位調(diào)制鎖模

利用晶體的電光效應(yīng)，當(dāng)調(diào)制器介質(zhì)折射率按外加調(diào)制信號(hào)而周期性改變時(shí)，光波在不同的時(shí)刻通過介質(zhì)，便有不同的相位延遲。由相位延遲對(duì)時(shí)間的微分，即可得到頻率的變化量。相位調(diào)制函數(shù)：經(jīng)調(diào)制器后的縱模電場(chǎng)：振蕩角頻率：相位隨時(shí)間變化

當(dāng)調(diào)制相位周期與光在腔內(nèi)運(yùn)行周期一致，光信號(hào)每經(jīng)過調(diào)制器一次都經(jīng)受頻移，最后移到增益曲線之外，這部分光波從腔內(nèi)消失。

只有與相位變化極值點(diǎn)（極大或極?。┫鄬?duì)應(yīng)的時(shí)刻通過調(diào)制器的光信號(hào)，不發(fā)生頻移，能在腔內(nèi)保存下來。采用電光調(diào)制器，不同時(shí)刻通過的光波具有不同的相位延遲。

有二個(gè)完全無關(guān)的脈沖列（實(shí)線和虛線），可將調(diào)制信號(hào)及其倍頻信號(hào)同時(shí)加上，造成相位調(diào)制函數(shù)的不對(duì)稱，從而讓一列優(yōu)先運(yùn)行。2.被動(dòng)鎖模在諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收體來調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗。可飽和吸收體必須具備以下幾個(gè)條件：第一，染料的吸收線應(yīng)和激光波長(zhǎng)很接近；第二，吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；第三，其馳豫時(shí)間應(yīng)短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間，否則就成為被動(dòng)調(diào)Q激光器了。

快飽和吸收體：

恢復(fù)時(shí)間小于脈沖寬度；慢飽和吸收體：

恢復(fù)時(shí)間大于脈沖寬度，小于脈沖周期。

染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以弱信號(hào)損耗大，強(qiáng)信號(hào)損耗小，光脈沖每經(jīng)過染料和工作物質(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)循環(huán)多次后，極大值與極小值之差會(huì)越來越大。結(jié)果是腔脈沖形成振蕩，弱脈沖消失；同時(shí)強(qiáng)脈沖的前后沿也被吸收，強(qiáng)脈沖越來越窄。由于吸收體的吸收頻率與增益曲線頻率一致，經(jīng)吸收后只剩譜線中心頻率及其邊頻，邊頻又激發(fā)新的邊頻，如此進(jìn)行，使所有模式參與振蕩。

(2)采用晶體或半導(dǎo)體納米材料被動(dòng)鎖模PowermeterOSCGaAsNd:YAGPIN(1)采用有機(jī)染料被動(dòng)鎖模3.同步泵浦鎖模通過調(diào)制諧振腔內(nèi)的增益來實(shí)現(xiàn)。

用一臺(tái)鎖模激光器輸出的鎖模脈沖序列作為種子脈沖，去泵浦另一臺(tái)激光器并實(shí)現(xiàn)鎖模。

要求被泵浦激光器與泵浦激光器二者之間諧振腔長(zhǎng)度相等或是其整數(shù)倍。

同步泵浦鎖模獲得的鎖模脈沖寬度比泵浦脈沖窄。利用增益介質(zhì)自身的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模。

在強(qiáng)光作用下，增益介質(zhì)的非線性效應(yīng)為：（1）自振幅調(diào)制光脈沖通過介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生自聚焦，其焦距為：4.自鎖模

從脈沖包絡(luò)的時(shí)域看，前后沿的光強(qiáng)小于中部光強(qiáng)，所以脈沖中部對(duì)應(yīng)的類透鏡焦距小于前后沿對(duì)應(yīng)的焦距。當(dāng)脈沖通過介質(zhì)時(shí)，脈沖在時(shí)間上的光強(qiáng)變化在空間上反映出來。如果在適當(dāng)位置有一光闌，脈沖前后沿通過時(shí)的損耗大，脈沖中部通過時(shí)的損耗小，相當(dāng)于可飽和吸收體，這種效應(yīng)成為自振幅調(diào)制。由于自聚焦效應(yīng)與光闌的存在，使激光受到一個(gè)與光強(qiáng)有關(guān)的調(diào)制在帶有被動(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：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)使脈沖前后沿的凈增益小于1，而脈沖中間部分的凈增益大于1。

脈沖在腔內(nèi)往返傳播的過程，即是被整形放大的過程，直至脈寬被壓窄，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模。（2)自相位調(diào)制與頻率啁啾

光脈沖通過介質(zhì)時(shí)，折射率的非線性引起的附加相位和附加頻率為：脈沖包絡(luò)不同部位的相位不同，稱為自相位調(diào)制（SPM)；不同部位的頻率不同，稱為頻率啁啾。由圖可見，脈沖前沿頻率減小，稱負(fù)啁啾或紅移；脈沖后沿頻率增大，稱正啁啾或藍(lán)移；脈沖中部頻率不變。啁啾脈沖如果通過負(fù)色散介質(zhì)（頻率大，折射率小，速度快），脈沖前沿傳輸慢，脈沖后沿傳輸快，即脈沖壓縮。啁啾脈沖如果通過正色散介質(zhì)（頻率大，折射率大，速度慢），脈沖前沿傳輸快，脈沖后沿傳輸慢，即脈沖展寬。（3）脈沖壓縮增益介質(zhì)是正色散介質(zhì)。引入負(fù)色散介質(zhì)，對(duì)光脈沖進(jìn)行腔內(nèi)壓縮，可以使之成為飛秒激光。

前沿的紅光路程長(zhǎng)，傳輸慢；后沿的紅光路程長(zhǎng)，傳輸快。脈沖壓縮。

采用快速響應(yīng)的光電二極管（幾十皮秒）和高速示波器(5G)可以測(cè)量皮秒脈沖。但是，當(dāng)脈沖寬度為幾皮秒或以下，必須采用相關(guān)測(cè)量。雙光子熒光。利用這種特性可以對(duì)皮秒脈沖的時(shí)間寬度進(jìn)行測(cè)量。5.超短脈沖測(cè)量（1）雙光子熒光法

某種物質(zhì)原子能同時(shí)吸收二個(gè)光子從基態(tài)躍遷到較高激發(fā)態(tài)，稱為雙光子吸收。原子弛豫到較低激發(fā)態(tài)后，發(fā)出熒光。如若丹明6G丙酮溶液在強(qiáng)光作用下吸收二個(gè)1064nm光子產(chǎn)生550nm的測(cè)量裝置

被測(cè)光脈沖分成強(qiáng)度相等的二個(gè)脈沖，經(jīng)過反射鏡的反射，反向通過染料溶液。在溶液中單脈沖通過的地方發(fā)出均勻的弱光，但在兩脈沖重疊處，則發(fā)生雙光子吸收而發(fā)出很強(qiáng)的熒光。如果用高感光度的膠卷拍下熒光強(qiáng)度的空間分布，置曝光底片于顯微密度計(jì)上，就可根據(jù)底片上的光密度空間分布求出脈沖寬度。染料輻射的熒光強(qiáng)度為：以溶液中心為z=0,式中第一項(xiàng)為單個(gè)脈沖作用發(fā)出熒光的貢獻(xiàn)，第二項(xiàng)為兩個(gè)脈沖共同作用發(fā)出熒光的貢獻(xiàn)。

引入相關(guān)函數(shù)：在溶液中心，兩個(gè)脈沖重合，熒光最強(qiáng):遠(yuǎn)離溶液中心，兩個(gè)脈沖完全分離，熒光最弱:所以最大和最小之比為3比1。作出F與z的關(guān)系曲線，得到半高全寬的空間距離，再求出脈沖時(shí)間寬度（2）二次諧波法

當(dāng)頻率為的基頻光通過非線性晶體時(shí)，若滿足相位匹配條件，能產(chǎn)生倍頻光（二次諧波），倍頻光強(qiáng)度與基頻光強(qiáng)度平方成正比。利用這一原理，可構(gòu)成相干檢測(cè)裝置。原理：

當(dāng)兩個(gè)脈沖完全分離時(shí)，軸向倍頻光為0；當(dāng)兩個(gè)脈沖完全重合時(shí)，軸向倍頻光最大（設(shè)為1）；當(dāng)兩個(gè)脈沖部分重合時(shí)，軸向倍頻光強(qiáng)度介于0和1之間。

二次諧波測(cè)量實(shí)質(zhì)上是把時(shí)