长春理工大学-激光器件与技术第三章-2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§3.2主动锁模主动锁模1.定义•在激光腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的某个参量而实现锁模的方法。调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，便可得到脉冲重复频率为c/2L的锁模脉冲序列。2.方法•振幅调制(AM)－强度调制→损耗调制，易实现。声光、电光。•相位调制(FM)－输出脉宽窄，但难实现。电光。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§3.2主动锁模调制器放置腔一端，设t1时刻通过调制器的光损耗为α(t1)，则脉冲往返一周在(t1+2L/c)时刻，光信号将受到同样的损耗α(t1+2L/c)=α(t1)。若α(t1)≠0，则这部分信号光在谐振腔内每往返一次就受到一次损耗，若损耗大于增益，则这部分光最终将消失。而在损耗α(t1)=0时刻通过调制器的光，每次都能无损耗的通过，且往返通过增益介质得到放大。如果腔内损耗及增益控制得当，将形成脉宽很窄、周期2L/c的脉冲序列输出。1.振幅调制锁模----声光或电光调制器1).锁模原理1.振幅调制锁模----声光或电光调制器1).锁模原理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其中，Am、ωm/2分别为调制信号的振幅和角频率。§3.2主动锁模00cosmtt00cosmTtTTt设调制信号为：1sin2mmAtAtα0为调制器的平均损耗，Δα0为损耗变化的幅度，ωm为腔内损耗变化的角频率，其频率等于纵模频率间隔Δvq。调制器的透过率为：T0为平均透过率，ΔT0为透过率变化的幅度。调制器放入腔内，未加调制信号时，调制器损耗为：调制器的透过率为：A(t)=0时腔内损耗最小，A(t)取正负最大值时，腔内损耗最大。损耗变化的频率为调制信号频率的2倍。损耗为：0000TTT(1)(2)(3)(4)(5)α+T=1(6)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§3.2主动锁模可见：一个频率为ωc的光波，经过外加频率为ωm/2的信号调制后，频谱频率包括：ωc、上边频(ωc+ωm)、下边频(ωc-ωm)，且这三个频率的光波相位均相同。()sin()cccEtEt1sinsin21sin2ccccccccmcmEtAtmAtmAt•设调制前光波电场：•受到调制后，光波电场为：•光波受到振幅调制的频谱：00sincossin1cossinccccmcccmccEtETttETTttAmtt(7)(8)(9)00cosmTtTTt(3)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§3.2主动锁模•调制信号的波形图•腔内损耗的波形•调制器透过率波形•腔内未调制的光波电场•腔内经过调制后的光波电场•锁模激光器输出的光脉冲1sin2mmAtAt00cosmtt1sin2mmAtAt00cosmTtTTt()sin()cccEtEt1sinsin21sin2ccccccccmcmEtAtmAtmAt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•假设处于增益曲线中心的频率为v0，由于它的增益最大，首先开始振荡，电场表达式为：§3.2主动锁模2).锁模过程：000cosEtEt•当此光波通过腔内的调制器时受到调制后，调制的结果产生了两个边频分量：v0±vm。•当损耗变化的频率vm和腔内纵模的频率间隔vq相等时：2mqcvvL1002mcvvvvL1002mcvvvvL•可见：调制激发的边频实际上是和中心频率相邻的两个纵模频率，这样中心频率调制的结果，是使与它相邻的两个纵模振荡。•所以两边频分别为：(10)(11)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§3.2主动锁模频率为v1和v-1的光波通过激光介质被放大，当它们通过调制器时，这两个模又受到调制，调制的结果又激发了新的边频：2112mcL2112mcL3222mcL3222mcL这个过程继续下去，直到落在激光线宽内的所有纵模被耦合为止。这些振荡模满足以下条件：①具有相同的初始相位；②频率间隔相同。锁模的条件！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§3.2主动锁模3).锁模的关键必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。2mqcvvL12m2mqcvvL10qq2Lc①调制器的信号频率为，损耗变化的频率为：②调制的结果，使各纵模之间的相位固定③输出的光波的间隔为的脉冲序列，具有锁模激光器的输出特性。4).振幅调制锁模的特点(11)(11)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§3.2主动锁模2.相位调制锁模----电光调制器1).锁模原理使用电光晶体折射率随外加电压的变化对激光进行相位调制，调制频率为f=c/2L时，可以获重复频率也为f的激光脉冲系列。激光介质激光全反镜输出镜起偏器检偏器LNxzyUz基本原理：在激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，便有不同的相位延迟.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•光波通过晶体以后的附加相位为：§3.2主动锁模)cos(tdVEmoz•在LN晶体中，光沿x方向传播，沿z向加电场时，晶体的折射率变为：3'333'131212zeezxooznnnEnnnE•如果晶体上加调制信号为：可见：附加相位按调制信号的规律变化，光波的相位受到调制。3330sinemmdtltnVtdtd由于频率的变化是相位变化对时间的微分，所以：(12)(13)(14)(15)tVndlnltmecos2)(0333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§3.2主动锁模•相位调制器的作用可理解为一种频移，使光波的频率发生向大(或小)的方向的移动。脉冲每经过调制器一次，就发生一次频移，最后移到增益曲线之外，这部分光波就从腔内消失掉。只有那些与相位变化的极值点(极大或极小)相对应的时刻，通过调制器的光信号，其频率不发生移动，才能在腔内保存下来，不断得到放大，从而形成周期为2L/c的脉冲序列。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§3.2主动锁模coscccEtAtcoscosccmEtAtmt333emlmnVd•相位调制后的光波电场：式中相位调制系数：•设光波场为：()coscoscos22cccccmcmAAEtAtmtmt•当mφ1时：可见：调相的频谱与调幅的频谱相同，都是由载频ωc和两个边频(ωc±ωm)组成。如果调制信号的角频率ωm与相邻纵模的频率间隔相同，则情况与调幅相同。(16)(17)(18)(19)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§3.2主动锁模•当mφ比较大时：可以看出：调相振荡的频谱是由无限多个包含有频率成分νq=nfm(n=0,1,2,…)的边频组成的，而且这些边频光都具有相同的频率间隔和相位，且与中心纵模一致。当它们将相应的纵模激发起来并耦合时，就可达到锁模的目的，得到周期为2L/c的超短脉冲输出。0123{coscoscoscos2cos2cos3cos3}cccmcmcmcmcmcmEtAJmtJmttJmttJmtt其中Jn(mφ)为n阶第一类贝塞尔函数。(20)第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:152).锁模过程：在电光晶体上加一调制信号，引起晶体的折射率变化，晶体相当于改变了谐振腔的光学长度。相位变－频率变，但不同时刻频率变化不同，即频率变化是时间的函数，因此相位调制器相当于一个移频器，光波通过调制器一次，发生一次频率移动，经过几次频率移动，移到增益曲线以外，不能振荡。§3.2主动锁模()t2()t•假定光波第一次通过调制器时频率变化：•经过2L/c时间第二次通过时频率变化：相位调制的结果，产生边频：,2,3cmcmcm当调制器的频率：22mcL•经过2NL/c时间第N次通过时频率变化：()Nt→被移除增益曲线外•光波频率不发生变化的频率被保存下来并振荡，放大。具有相同的初始相位频率间隔相同频率激发耦合,实现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:16§3.2主动锁模3).锁模的关键必须使调制信号的频率和腔内纵模频率间隔相等。2mqcvvL2mqcvvL10qq2Lc①调制信号的频率与相邻纵模间隔频率相等：②调制的结果，使各纵模之间的相位固定③输出的光波的间隔为的脉冲序列，具有锁模激光器的输出特性。4).相位调制锁模的特点④脉冲位置不稳定——必须采取一定的措施。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§3.2主动锁模3.主动锁频激光器的结构及设计要点(1)元件的端面反射率必须控制在最小，否则由于标准具效应会减少纵模个数，破坏锁模的效果。如反射端面切成布儒斯特角、倾斜放置、镀增透膜等。(2)调制器应放在腔内尽量靠近反射镜处，以便得到最大的纵模之间的耦合效果。调制器在通光方向的尺寸应尽量小。(3)锁模调制器的频率必须严格调谐到fm=△υq＝c/2L，否则会使激光器工作越出锁模区，而进入猝灭区或调频区，从而破坏锁模。第三章超短脉冲技术长春理工大学电子科学与技术系Page:18主动锁模小结•什么是主动锁模？主动锁模可以分为那两类？•主动锁模激光器的设计要点有哪些？•在谐振腔中部L/2放置一损耗调制器，要获得锁模光脉冲，调制器的损耗周期T应为多大？每个脉冲的能量与调制器放在紧靠端面镜子处的情况有何差别？•有一个多纵模激光器纵模数是1000个，激光器的腔长为1.5m，输出的平均功率为1W，认为各纵模振幅相等。（1）试求在锁模情况下，光脉冲的周期、宽度和峰值功率各是多少？（2）采用声光损耗调制元件锁模时，调制器上加电压V(t)=Vmcos(ωmt)，试问电压的频率是多大？