长春理工大学-激光器件与技术第三章-3讲

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§长春理工大学电子科学与技术系Page:1第3章——————————————超短脉冲技术第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:2§3.3被动锁模被动锁模1.方法•在激光谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。2.分类根据锁模形成过程的机理和特点：•固体激光器的被动锁模；•染料激光器的被动锁模。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:3§3.3被动锁模一.固体激光器的被动锁模方法：在腔内放一个装有有机染料的染料盒，依靠有机染料的饱和吸收过程。染料的吸收率是频率和光强的函数。1.工作原理染料具有可饱和吸收的特性，弱信号的透过率小，受到的损耗大，强信号的透过率大，受到的损耗小。损耗可通过工作物质的放大得到补偿，光脉冲每经过染料和工作物质一次，其强弱信号的强度相对值就改变一次。在腔内多次循环后，极大值与极小值之差会越来越大。最后强脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地通过，从而使脉冲变窄。从频率域分析，开始时自发辐射的荧光以及达到阈值所产生的激光涨落脉冲，经过可饱和吸收染料在噪声脉冲中的选择作用，只剩下高增益的中心波长υ0及其边频，随后经过几次染料的吸收和工作物质的放大，边频信号又激发新的边频，如此继续下去，使得增益线宽内所有的模式参与振荡，于是便得到一系列周期为2L/c的脉冲序列输出。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:4§3.3被动锁模2.动力学过程由不规则的脉冲演变为锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段。过程的实质就是最强的脉冲得到有选择的加强，背景脉冲逐渐地被抑制。线性放大阶段非线性吸收阶段非线性放大阶段123第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:5§3.3被动锁模泵浦刚开始，腔内光子数极少，染料吸收大，腔的损耗大，激光器处于高储能阶段。随后，介质中激光上能级原子数不断增多，腔内自发辐射加强，形成一些随机起伏的弱的噪声光辐射信号；由于粒子数反转的继续增大，腔内所建立起来的初始的尖峰和噪声脉冲分布由于反复通过增益介质而由弱变强，同时每个尖峰变宽、变光滑。在一周期2L/c时间内，强脉冲吸收的少，弱脉冲吸收的多——非线性吸收；在激活介质中，强脉冲放大的多，弱脉冲放大的少——线性放大，其结果就发生自然选模作用，使强脉冲加强，弱脉冲光强减少，甚至消失，脉冲个数减少，频谱变窄。1).线性放大阶段注：由于吸收饱和的光强要比腔中刚开始振荡的光强高若干数量级，因此线性区比较长。增益介质线性放大染料非线性吸收第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:6§3.3被动锁模2).非线性吸收阶段随后，在某个时刻，若某个光强最大的优势尖峰足以使染料“漂白”，染料“开关”被打开，优势尖峰脉冲便从噪声背景中突出出来，而且其光强获得迅速增大。而大量的弱脉冲不能使染料饱和，受到染料的吸收而被抑制掉，使发射脉冲变窄，频谱增宽。此阶段内，由于增益未达到饱和，所以激光介质的增益是线性增长的，但激光辐射场的最强脉冲使饱和吸收染料呈非线性吸收。增益介质线性放大染料非线性吸收第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:7§3.3被动锁模3).非线性放大阶段由于染料的弛豫时间非常短，当此优势尖峰通过开关之后，染料瞬间恢复到大吸收系数状态，即“开关”立即关闭，腔内损耗恢复到极大状态。直到优势尖峰在腔内一次往返经增益介质放大后，光强进一步增强而再次通过染料，“开关”被再次瞬间打开，然后关闭。如此下去，这个强脉冲不但能使染料吸收饱和，而且使激光工作物质的增益达到饱和，所以工作物质的放大进入非线性阶段。当强脉冲经过激活介质时，前沿及中心部位放大得多，由于反转粒子数的消耗，增益下降，致使脉冲后沿放大的少，甚至得不到放大，其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几乎被完全抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的脉冲序列。此阶段脉冲压缩，频谱进一步加宽。增益介质非线性放大染料非线性吸收第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:8§3.3被动锁模3.被动锁模固体激光器的结构•组成：光学谐振腔、激光棒、染料盒和小孔光阑。•注意：为了得到高重复率的高质量锁模脉冲序列，对染料浓度、泵浦强度和谐振腔的设计及调整等都有严格要求，否则激光输出将极不稳定。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:9§3.3被动锁模1).标准具效应将光学元件表面切成布儒斯特角(或2o~3o倾角)，镀以增透膜并倾斜放置，以利于消除非工作表面的反射。为防止末端元件的反射光进入腔内，全反镜的后表面应磨成楔形。2).用于锁模的可饱和染料•染料的吸收谱线与激光波长相匹配；•染料的吸收线宽大于或等于激光线宽；•弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间3).泵浦功率以略高于激光阈值为宜。较高的泵浦功率会引起双脉冲的产生。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:10§3.3被动锁模4.被动锁模固体激光器的特点被动锁模在脉冲激光器中进行，输出的脉冲序列包络和被动Q开关脉冲相似。优点：被动锁模的结构简单，不需要人为的控制。缺点：稳定性差。输出的强度不稳定。改进：•人为加入周期性损耗，控制加压的时间2L/c，可以提高稳定度。•在被动锁模激光器中加入主动Q开关－主被动锁模。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:11§3.3被动锁模染料调Q和染料锁模的区别①染料的弛豫时间不同用于锁模的染料是一种快饱和吸收体，锁模染料在强光作用下可在瞬间饱和，变得透明，而在作用结束或光信号变弱时，又能瞬间恢复极大的吸收系数，从而具有很低的透过率。换言之，染料的弛豫时间应远远小于锁模脉冲的脉宽。用于调Q的染料，其弛豫时间达到光腔渡越时间的量级即可。不仅最大的尖峰脉冲通过并在腔内振荡，尾随其后的小脉冲也能无损耗地通过并在腔内振荡。由于参与振荡的各纵模初相位之间无固定关系，故输出地调Q脉冲其精细结构有涨落的特征。染料“开关”在最大尖峰脉冲通过的瞬间开启，腔损耗变得很小。一旦最大尖峰脉冲通过，“开关”立即关闭，腔损耗又恢复到极大值状态。当最大尖峰脉冲在腔内往返一周再次通过染料时，“开关”才再次打开。如此，谐振腔的损耗就像受到周期性的脉冲调制，调制周期为光在腔内往返一周所用的时间，调制频率等于谐振腔的纵模间隔。脉冲前后沿因受到染料的吸收而变陡，输出脉宽窄。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:12§3.3被动锁模②染料盒紧靠全反镜，一般把染料盒和全反镜合为一体。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:13§3.3被动锁模二.染料激光器的被动锁模•方法：在染料激光器谐振腔内插入可饱和吸收染料，可以实现染料激光器的被动锁模。通过染料吸收体的非线性吸收和激光介质的放大作用，从背景噪声中选择出强峰值脉冲，然后通过可饱和吸收体和激光介质饱和状态的联合作用，最终形成超短脉冲。通常染料吸收体的吸收截面大于增益介质的吸收截面，使吸收体达到饱和的能量小于使增益介质饱和的能量，同时使脉冲峰值得到的有效增益大于脉冲前沿得到的有效增益，利于脉冲的形成。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:14被动锁模小结•什么是被动锁模？•根据锁模形成过程的机理和特点可将被动锁模分为哪些类型？•固体激光器的被动锁模主要可以分为哪几个阶段？•染料调Q和染料锁模有何不同之处？第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:15§3.6单一脉冲的选取与超短脉冲测量一、单一脉冲的选取1、脉冲透射法缺点：工作阈值较高，腔内元件容易损坏，腔内元件多导致标准具效应明显，漏光严重，稳定性差，一般不被采用。Vλ/4第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:16§3.6单一脉冲的选取与超短脉冲测量2、腔外选单一脉冲法缺点：克尔盒上需加半波电压，需要两个偏振棱镜。优点：腔内元件少，调整方便。Vλ/2第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:17§3.6单一脉冲的选取与超短脉冲测量3、闸流管触发电路利用光电开关回路取代光信号击穿火花隙的方法，即用光电二极管或雪崩光电二极管将光脉冲转换为电信号，再去触发闸流管，实现开关动作。优点：克服光信号击穿火花隙方法对光脉冲功率的要求，同时可以通过调整从光电二极管到闸流管之间的延迟时间，改变输出的单一脉冲峰值。缺点：对谐振腔镜的镀膜提出一定的要求，同时要严格调整光电二极管与透光方向的关系，避免击穿光电二极管。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:18§3.7单一脉冲选取和超短脉冲测量二、超短脉冲测量目前测量锁模的脉冲宽度有两种类型：直接测量法和相关测量法直接观察法、条纹照相法双光子荧光法、二次谐波法快速光电探测器高响应时间的宽频带示波器条纹照相机：主要由结构复杂的条纹管构成。它可把光脉冲直接记录在照相底片上，通过光密度分析获得脉冲形状和宽度。近来出现的新型条纹管，利用了光纤，可以直接给出光脉冲强度I(t)的数字记录，分辨力可以测到1－2ps。结构复杂，价格昂贵。需取出一脉冲。不能测fs脉冲。只能测量10-10s量级的脉冲宽度，无法实现ps和fs量级脉宽的测量。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:19§3.7单一脉冲选取和超短脉冲测量相关测量法利用相关函数，测出的相关函数曲线不是脉冲的实际宽度，需要通过换算得到脉宽的近似值。相关测量把对脉冲的瞬时测量变成了对具有相对延迟的两个脉冲乘积的时间积分进行测量，大大减少了对于测试仪器和接收元件时间响应的要求。双光之荧光法二次谐波法利用激光脉冲激发染料的荧光，分析荧光的强度即可获得激光脉冲二阶相关函数的宽度。结构简单，适合脉冲激光器。要求调整精度高，对各种不同波长的激光要选用不同的染料，灵敏度低，分析周期长，分析结果有误差。当两束频率为ω的光通过非线性晶体时，满足一定的相位匹配条件，产生频率为2ω的倍频光。产生的倍频光的强度与入射光的强度的平方成正比，因此通过一定的装置把光分成相等的两束，改变两束光的重合程度，从而接收到不同强度的倍频光，对脉宽进行测量。测量的精度高，分辨力高，处理数据方便。结构复杂，且需要逐点测量。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:20单一脉冲选取和超短脉冲测量小结•单一脉冲选取的方式有哪些？•超短脉冲测量的方法有哪些？它们各自具有怎样的特点？第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:21•什么是被动锁模？•根据锁模形成过程的机理和特点可将被动锁模分为哪些类型？•固体激光器的被动锁模主要可以分为哪几个阶段？•染料调Q和染料锁模有何不同之处？•单一脉冲选取的方式有哪些？•超短脉冲测量的方法有哪些？它们各自具有怎样的特点？第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:22关于提交查阅文献作业的要求提交日期:2012-4-10PDF/CAJ格式的文献，命名为：文章年份--文章题目--学生班级学号--学生姓名word2003/2007，命名为：文章年份--文章题目--学生班级学号--学生姓名内容包括：文章题目、关键词、主要内容、重要参考文献。如涉及到实验：实验装置图(visio或其他软件绘图，禁止截图)主要内容必须是对阅读文献后学到东西的总结！！！每组调研结果放置在一个文件夹下，文件夹命名为：2012春--激光技术作业--班级--学号1-学号10请进一步建立文件夹(名称为：调制、调Q、锁模、选模、稳频)，根据类别，将文献放入。