第28讲 锁模原理&主动锁模技术

激光原理与技术第二十八讲锁模原理主动锁模技术228.1概述xLL为谐振腔的由图中可知，光子封闭在谐振腔中，，则光子的空间测不准量为几何长度。光子在谐振腔中往返振荡动量测，其不准量为xPkk222hkktEh2hth2tkhnhc12xnPhctQ激光技术的一个重要的发展方向就是不断获得更窄脉宽的激光输出，调技术所能获得的脉冲宽度有其极限：328.1概述12xxxPhxLnPhct12nLhhct211nLct2LLtc最终有，式中为谐振腔的光学长度。()0.152cLnstm()=0.152cLpstmm()0.152cLfstm在技术上不可能实现如此短的谐振腔。Q对于上能级寿命非常短的激光器，因为不能实现上能级粒子数的积累，也达不到好的调效果。2/tLQc调技术能获得的脉冲输出宽度极限为428.1概述Q“同步”相干锁模技术突破了调技术的限制，利用的受激辐射，实现了超短脉冲输出。ModeLocking各纵模之间锁模（）技术以在实现，模式锁定，纵模间隔严格相等，产生相位差恒同步的受多纵模激激辐射定光器中为基础，锁模技术是目前产生超短激光脉冲的最重要、最有效的方法。主动锁模被实现锁模的动锁模方法主要有，和自锁模三种。能够趋近测不准原理所确定的频宽与脉宽的付里叶变换极限，接近激光介质增益线宽所决定的最小脉冲宽度。528.1概述一、锁模技术的发展1965脉冲激光技术自年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来，发展十分迅速。2070,世纪年代中出现了对撞锁模环形染料激光器使激光脉冲的宽度进入飞秒范围。8027fs年代中，对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了。1986,19fs年中科院西安光机所的陈国夫在英国进修期间，利用对撞锁模环形染料激光器创造了的当时国际最短记录。1990.年，国际上出现了被动锁模钛宝石飞秒激光器,6501100,3,,.nmfs钛宝石增益带宽宽因而调谐范围宽～适用于产生超短脉冲理论上可以支持产生的脉冲由它构成的飞秒激光器可靠性高、使用方便掀起了国际上发展飞秒激光技术与应用飞秒脉冲的热潮628.1概述19958fs年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至19967.5fs年，西安光机所的许林在奥地利产生了的超短激光脉冲19964.5fs年，毕业于西安光机所的魏志义博士在荷兰创造了全固态腔倒空压缩后的记录1998,25,,4fsfs年西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的的脉冲产生了强白光连续谱将其近红外部分用超宽带啁啾镜腔外压缩得了的最佳结果。这些都是当时的国际最高指标。1810ass目前正进入728.1概述二、超短脉冲特性psfs超短脉冲的脉宽在、甚至更短，能够作为测量固体物理、化学、生物材料等领域超快物理过程高时的测间分辨率：量工具。超短光脉冲空间长度是脉冲宽度与光速的乘积，随着光脉宽的缩短，其空间长度也不断缩短，已经达到微米量级，这在显微成象方面高有空间分辨率：很大用途。光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级，脉宽缩短，则带高带宽：宽增加。10010fsTHz的脉冲宽度其带宽达到了，最短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分可见光光谱区，看起来象白光一样。高带宽在光通信方面非常重要。828.1概述激光器输出功率提升意味着体积的增加，也意味着费高功率激光：用的增长，fs技术可以用中等输出能量的激光器产生有极高峰值功率激光输出，152021010/WWcm目前已达到量级的峰值功率和的光强。超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段，为人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的物理条件。就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒时代进入阿秒时代。就空间角度而言，空间分辨率已经从微米向纳米发展。928.2自由运转多纵模激光器 211gqqgN向下取整纵模间隔为，设振荡增益带宽为，则腔内能够振荡的纵模数为，coscosNNqqqqqNqNEtEtEt()cosqqqqEtEt则腔内每个纵模的光电场为腔内总的光电场为：1028.2自由运转多纵模激光器多纵模激光器有如下输出特性：1、线性极化有关的色散效应，使得激光器出现纵模间距不严格相等的“频率牵引”效应：022qqqccqqLLn011112qmqqcqqLnn2、非同步的受激辐射导致的各纵模之间没有确定的相位关系各纵模初始相位随机分布：4、各纵模非相干叠加：1.qdtdtconstdtdt1.qqconst3,、外界温度变化机械振动和光腔标准具效应等随机条件引起光学频率起伏与“跳模”等。1128.2自由运转多纵模激光器qmt以上各点互相关联，和由于色散造成的各纵模初始相位随机造成了的分布随机分布，It对于无规则变化的光场，讨论其瞬时光强意义不大，一般讨论其平均光强。最终造成输出的光场在时域随时间做无规则起伏，属于非相干叠加，没有干涉项，为非同步辐射。多纵模自由运转激光器的输出光强为各纵模光是各纵模光电场无规强的则，在通常非相干条件叠加之，和下，的结果。1228.2自由运转多纵模激光器222cos2coscosooccssNqqqqqqqqqqqNNqqqqNqItEtEtEEEttEtt22001111coscos1cos222TTqqqttdttdtTT001coscoscoscos1coscos0TqqqqTqqqqttttdtTttttdtT212NNqqqNqNIEI由以上各式可以得到光场的平均光强为：即为光场各纵模光强之和。光场的平均光强1328.3锁模原理1.qqdttconstdt即如果采用某种技术，满足，1,qqqqqqttt可以得，到：为常量则意味着激光器各纵模之间实现了同步输出，即锁模，锁模技术就是要实现各纵模之间的同步。各纵模之间具有确定的相位关纵模相互耦合，间距激光锁模技术将采取相应的措施，使得，，光严电格相场的从而相等实现系干叠加。这种时域上的“干涉”效应，将导致以线宽为倒数的超短激光脉冲输出，即时域上的“干涉”1428.3锁模原理1213N、一、锁模条件即至少三个以上纵模才能锁定，12.qqqdttconstdt、0即各纵模间隔严格相等以及各纵模之间相位差恒定一般为13gq2/2gcLgcLmin/gLc而且有最小腔长的限制，=。1..0qmqqconstconst1528.3锁模原理二、等振幅近似下锁模脉冲特性0qEE各纵模振幅相等:假设；0q初始相位相同：，0cosqqqqEEt第个则：纵模为000cos:NNqqqNqNEtEEqt总光场为000cosqEqt00021sin21sin2cosqqNtEtt00costAt021sin21sin2qqNtAtEt1628.3锁模原理0000令，，则有：0cos000s0co()NqqNEtEqtAtt0cosNqqNAtEqt00costAt代表载波为调制包络00000coscos()NqqNEtEqtAtt1728.3锁模原理213N现在讨论情况下的脉冲包络:3000cos=qqEEAtEtt233IA1828.3锁模原理锁模脉冲特性1峰值（最大值）max002/lim()lim()(21)qttAAtAtNE2周期性212qqLTc等于腔内只有一个脉冲，往返一次输出一个脉冲。3脉冲宽度：221NN两个极大值之间存在个零点和个次极大值。021sin21sin2qqNtAtEt极大值和第一个零点之间的时间间隔max0AA即21sin02qN211(21)(21)qqgNN1928.3锁模原理11(21)qgN只与激光介质本身的性质有关，增益线宽越宽，脉冲宽度越窄1g是傅里叶变换的极限，也符合测不准关系。11(21)21PTMqNN4mP峰值功率0222max2121mPAtNENP5相干叠加1个锁模脉冲由所有同相位、相干叠加的纵模一起贡献2028.3锁模原理三、高斯分布锁模脉冲特性000,gqqFWHME高斯分布中心频率，振对应，纵模间隔设激光器纵模为，幅，则有:2202expln2qqqgIEIq202expln22qgEEq0expqqqEtEit对于振幅的叠加有:00expqqqiqtE2128.3锁模原理可以得到2002ln2201qgqqiqqqtitqEtEeeeq3510~1021qgqqgNqN令，当数量级时，则有，可以认为，上式可以写成：00022expln2e21xpitqgEtidEet000expqEitKt2228.3锁模原理22expln2exp2gitdKt式中为包络函数,22expln22g可由对做傅里叶逆变换得到，有：22expln28ln22ggKtt00022expln28ln2exp2qggtEEtit2328.3锁模原理222220exp2ln24ln2ggqEItEtt2220exp2ln2ln122gNtIpIt定义为，则时域半功率点脉冲宽度可以写成：220221expln22ln2pItItN比较上面两式，可以得到：2ln20.441pgg2ln20.441pg20212ln2mIIN2428.3锁模原理光场的平均光强为202expln2qqqqgIIIq202expln21qqgIq