激光技術-第三章

1、第三章 超短脈沖技術,,,第三章 超短脈沖技術,鎖模的原理和輸出特性鎖模的方法:主動鎖模， 被動鎖模測量鎖模脈沖光的方法,3.1 鎖模原理鎖模的目的一般多模激光器的輸出特性多模激光器縱模鎖定的輸出特性,一.目的 壓縮脈沖寬度,高峰值功率,Q開關激光器一般脈寬達10-8s-10-9s量級,如果再壓縮脈寬,Q開關激光器已經無能為力,但有很多實際應用需要更窄的脈沖.例: 1.激光測距，為了提高測距

2、的精度,則脈寬越窄越好. 2.激光高速攝影.為了拍照高速運動的物體,提高照片的清晰度,也要壓縮脈寬. 3.對一些超快過程的研究,激光核聚變,激光光譜,熒 光壽命的測定,非線性光學的研究等需窄的脈寬.,二.多模激光器的輸出特性. 未鎖模的連續(xù)激光器輸出的是連續(xù)的激光。多縱橫，主要討論各模之間的關系，把每一模式的光波做為一束光來處理。,縱模頻率,頻率間隔,式中L－光學長度 q－縱模序數,

3、假定在激光器工作物質凈增益線寬內超過閾值的縱模－即在腔內振蕩的模式有2N＋1個。 縱模表示式 式中 和 分別是第q模的角頻率和相位， －第q模的電場振幅，q －激光器內2N＋1個振蕩模中第q個縱模數，而不是 縱模序數。,1.激光器輸出特性①各振蕩模的振幅和相位無規(guī)則分布 ---中心頻率處的振幅大，遠離中心小，且它

4、們之間變化無規(guī)律。---各模的初相位，在 之間分布， 或 常數。 對于不同的時間，每個模的振幅和相位也有變化， 隨時間漂移。,,,,,,,圖3.1-2 非鎖模和理想鎖模激光器的信號結構模, (a)-非鎖模, (b)-理想鎖模,②輸出的光強是各個縱模無規(guī)疊加。輸出的光強是各縱模光強的無規(guī)疊加，接收到的光強是時間的平均值。,,總光強的平均值是各縱模光強之和的1/2。 相

5、位分布對輸出光強有影響的， 不同，各模不相干。 假定在一般激光器中設法使相鄰兩縱模間的位相固定。相位有規(guī)律。常數 由于各相鄰模之間的頻率間隔是固定的，各模的振動方向（偏振光）或振動方式（自然光）對于一定激光器是相同的。各振蕩模具備了上述三個條件，各模光波變成相干波。，因此輸出的光波可能是一序列的脈沖形式。對于每一脈沖來說，脈寬窄了，峰值功率大大增加，鎖相激光器－鎖模。,,,2.鎖模要使各模

6、變成時間相干波，需要具備三個條件，而各縱模頻率間隔相等并固定，各模振動方向或方式相同--激光器固有性質，只要使各相鄰模之間具有固定的相位關系即： 常數鎖模：即是使各相鄰模之間的相位固定，使各模變成時間相干波。注意：每一模式看成一束光波。對于多模激光器，包括多個縱模，橫模，模式不同類型不同。,,3.鎖模的類型（激光器縱模橫模）(1)縱模鎖定 指同一橫模中不同縱模之間的鎖定，一般采用基橫模中不

7、同的縱模， ，q是縱模序數，這種縱模鎖定理論成熟，應用廣。經過縱模鎖定后，激光器輸出的是脈寬在ps或更窄飛秒量級的一序列脈沖。(2)橫模鎖定 指的是同一縱模不同橫模鎖定。在中，q--固定值，m、n是變化的。如果是圓對稱橫模，輸出的光束是一個其橫向強度分布圖是高斯型的基橫模的形狀，但光束半徑周期性變化。(3)縱橫模同時鎖定對于，m、n、q變化。輸出的光束，無論在軸向或橫向，光都被限制在一個小的空間

8、范圍內，這一光點將在激光腔內按照幾何光學的路程來回掃描，因此輸出的脈沖以激光輸出鏡的不同位置來出現。,,（2）、（3）種目前理論上尚不成熟，實現起來難度大，而目前不如第一種應用廣泛，因此主要討論第一種情況。三．多模激光器縱模鎖定的輸出特性1．鎖模激光產生的頻域和時域：（鎖模原理） 設法使腔內光場的分布狀態(tài)逐漸集中到一很窄的局部，分為時域和頻域來描述。 頻域：在激光振蕩中使各頻率在相位上實現鎖定，形成極窄

9、的時間包絡，在形成過程中不斷被放大。 時域：在激光形成過程中，對腔內的光場在時間上不斷進行周期性選切，在此過程中不斷被放大。 2．相位鎖定后的總電場假定振蕩的縱模電場表示式,q不是縱模序數 而是腔內振蕩縱模個數①定義處于增益曲線中心頻率的縱模q＝0，因此在腔內參與振蕩的模式個數共2N＋1個， （各模間隔相同）如果相鄰兩縱模之間的相位差恒定 ＝常

10、數 在處相位 ＝0②并設各縱模的振幅相等 （實際上不等）則激光器輸出的總光波場是2N＋1個縱模相干的結果,,,,,（a） 2N+1個模式經過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為 的單色調幅波，振幅A(t)－即總光波場受到振幅調制。(b) 光強 是時間的函數。(c) 光波電場調幅波按傅立葉分析是由2N+1個縱模頻率 組成，因此光波的脈沖包括2N+1個縱模的光波。,,,3.A(t)的

11、變化規(guī)律 假定 并不影響討論的結果 分子分母均為周期函數，A(t)是周期函數，找出它的周期極值點、0點，得到A(t)的規(guī)律。0點：當分子為0，分母不為0，則是A(t)的0點。分子＝0 所以 t=0 、、 是一周期,,所以在一周期內有2N個0值點： （分子為零、分母不為零的點）極值點：求出A

12、’(t)=0的解，即是A(t)的極值點當分子為0 ,A’(t)=0,,把方程化簡： 此方程t一般解只能采用作圖法或數值法對于幾個特殊解可以解：方程兩邊＝0 解 t=0 t=2L/c方程兩邊→∞ 解t=L/c然后找出使方程兩邊相等的不為0的解。只能采用作圖法，求出兩邊方程的圖形交點，即為方程的解。例如,,2N+1=5時，對于 對于各極值點是否極大或極小，則用A”(t) 的值判定。當

13、A”(t) 0時，則A(t)在取得極小值。在0～2L/c周期內有2N+1個極值點，極值點在兩零點之間把極值代入A(t)的表示式可以求得A(t)的大小。在t=0,t= 2L/c時，取得極大值中最大值，（因分子分母為0利用羅必塔法則）,,其他點 t=L/c 取得極小值中最小值，（直接代入 ）當N是偶數時，當N是奇數時， 除了以外的其他極值點介于和之間。,,總之A(t)的變化規(guī)律a.周

14、期是2L/c，在一周期內當t=0, 2L/c時極大值，t=L/c，極小值，和差值很大，差2N倍，（2N＋1）是腔中振蕩的縱模數，大約個 （非均勻，對均勻加寬的固體模式少），有2N－2個介于最大和最小之間的極值點：b．在一周期內共有2N個0點： c．I(t)的變化規(guī)律同于A(t)。極值點 一個周期 2N+10點,,圖3.1-5,4.鎖模激光器的輸出特性：①激光器的輸出是

15、脈沖間隔2L/c固定的規(guī)則脈沖序列。 2L/c －光在腔內往返一次的時間,等于在腔內只有一個脈沖在振蕩－鎖模的特點。一個脈沖中包含鎖定的縱模數。②脈沖寬度按照定義脈寬應是兩半極大值之間的寬度，在這里可以近似用極大值和0點之間的時間來表示。t=0極大值－第一個0點,,所以 式中2N+1是激光器中被鎖定的縱模個數。在調Q激光器中輸出脈寬最窄的是透射式Q開關激光器，輸出

16、的脈寬最小為2L/c，而鎖模激光器脈寬，比它窄2N＋1倍。被鎖定的縱模數越多2N＋1↑ ↓當腔內所有超過閾值的縱模數都被鎖定則 －增益線寬 ↑ ↓例如，固體激光器：釹玻璃 大， 脈沖 He-Ne=氣體激光器有的 小，因而不能得到 的脈沖，對這樣的激

17、光器進行鎖模沒有什么意義。,,,,③ 脈沖的峰值功率 輸出脈沖的峰值功率注意這是峰值功率，平均功率比自由運轉低。自由運轉的激光器輸出的平均功率 縱模鎖定以后，輸出脈沖的峰值功率提高了(2N+1)倍，如在固體激光器中，一般振蕩?？梢赃_ 個，峰值功率很高。④ 在鎖模過程中，各模之間發(fā)生功率耦合，不再獨立。鎖模的結果是輸出序列的脈沖，脈寬窄，峰值功率高，脈沖的能量是所有相位固定的縱模提供的，從下一節(jié)

18、鎖模方法中也可以看出縱模之間的功率耦合。,,3.2 主動鎖?？v模鎖定的方法主要有主動鎖模，被動鎖模，自鎖三種，主要講前兩種。根據鎖模激光器的輸出特性輸出的光波振幅和光強受到調制，利用調制方法可以進行鎖模。結構示意圖如下圖3.2-1,,,在自由運轉的激光器中加入調制器。調制器 ①振幅調制（AM）－強度調制→損耗調制易實現。聲光、電光。 ②相位調制（FM）－輸

19、出脈寬窄，實現難（電光）加小孔欄的目的，選出單一基橫模－縱模鎖定。 1.振幅調制 以聲光調制器為例。聲光調制，一般采用駐波式，布拉格衍射。布拉格產生兩級光,在鎖模中以0級光做為輸出光。則1級光做為損耗光,,設光波電場： ， 調制信號：受到調制的光波電場為：光波受到振幅調制的頻譜。光波的頻率 與其邊頻 之間的相位差為0。這幾個頻率的光波被鎖定。同樣，當 的光

20、波被調制時,又激發(fā)邊頻 它們之間的相位差為0，又被固定。依次類推 ，如果這些模是激光器中的縱模,則被鎖定。設在調制器上加一交變信號a(t)。,,,在a(t)變化的一周期中，分析一下腔內損耗變化的情況。 輸出光 損耗光a(t)=0 最大 ＝0,損耗 最小a(t)=Am

21、 最小 最大,損耗 最大a(t)=0 最大 ＝0,損耗 最小a(t)=－ Am 最小 最大,損耗 最大因此，損耗變化的頻率為調制頻率的2倍，損耗變化率為損耗率 透過率 式中 －平均損耗率, －損耗變化的幅值,

22、 －平均透過率, －透過率變化的振幅。注：假定損耗和透過率的變化和調制信號成線性關系，實際上根據前面調制公式，不是線性關系，但這樣的假定不影響討論。,,聲光介質的折射率： 式中： 調制前： －調制器的吸收散射，反射等損耗 設加調制器前光波電場為（即光波在進入調制器前）所以光波的電場變?yōu)?,式中 －振幅的平均值，調制系數 ， －振幅變化幅值。,,頻域：

23、如果使 ， 這時--是腔內的相鄰縱模。 第一章已經分析了振幅調制以后的頻譜：調制以后的光波頻率為。三光波的相位為 ，因此滿足相位固定的條件： 結論：當一束頻率為的光波受到振幅調制以后，又產生了兩個頻率為 的光波（邊頻）并且三個光波的相位相同，滿足相位固定的鎖模條件。鎖模過程： 假設處于增益曲線中心的頻率為 ，由于它的增益最大，首先開始振蕩,,

24、當此光波通過腔內的調制器時受到調制注意： －腔內損耗變化的角頻率， 是調制信號角頻率的兩倍。調制的結果產生了兩個邊頻分量 ，當損耗變化的頻率和腔內縱模的頻率間隔相等調制信號的頻率＝ 則 調制激發(fā)的邊頻實際上是和相鄰的兩個縱模頻率，這樣中心頻率調制的結果，使與它相鄰的兩個縱模振蕩。 通過激光介質被

25、放大，當它們通過調制器時，這兩個模又受到調制，調制的結果又激發(fā)了新的邊頻 和,,這個過程繼續(xù)下去，直到在激光線寬內所有縱模振蕩為止。這些模式的相位相同 －符合鎖模條件可見，鎖模的關鍵，必須使腔內損耗的變化頻率和腔內縱模頻率間隔相等。 調制信號的頻率對鎖模的過程可以理解為（時域） 由于損耗變化的周期正好是光波在腔內來回一次需要的時間 ，當把調制器放到腔

26、的一端時，假設一束光波通過調制器時損耗為 ，當它第二次通過調制器時經歷了 的時間，因,,此，調制器的損耗，損耗的周期為。 所以 　　　　，以后這束光波每次通過調制器時損耗相同。腔內工作物質的增益一定，適當的控制調制度，使只有在調制器損耗最小時通過的光波滿足閾值條件形成振蕩?！】梢哉f：在損耗最小時通過調制器的模式形成振蕩，激發(fā)新的模式，這樣把所有的模式耦合在一起，這個光波兩次通過調制器的時

27、間是，所以輸出的脈沖間隔是　。在光波兩次通過激活介質的間隔，工作物質可以有的時間由光泵浦建立反轉粒子數，因此當光波通過激活介質時，會得到更大的能量－峰值功率高。,,振幅調制鎖模的特點：①調制器的信號頻率為　　，損耗變化的頻率為 ②調制的結果，使各縱模之間的相位固定③輸出的光波的間隔為的脈沖序列，具有鎖模激光器的輸出特性。,,２.相位調制只能利用電光相位調制。使光波的相位按調制信號的規(guī)律變化。選用的晶體 KD

28、P縱向運用 LN橫向運用。以LN橫向運用為例說明：圖3.2-4在LN晶體中，沿z向加電場時，晶體的折射率變?yōu)?調制系數：,,如果晶體上加調制信號為： 則 式中d－z間加場的厚度光波通過晶體以后的附加相位為：l－x方向通光晶體的長度可見附加相位按調制信號的規(guī)律變化，光波的相位受到調制。相位變化－總

29、相位變化→頻率變化→對微分得到：,,設光波場為：調制后的光波電場： 式中相位調制系數： 圖形如下（時域）可見：調制信號，附加相位，頻率變化的頻率相同 。,,,在晶體上加一調制信號，引起晶體的折射率變化，晶體相當于改變了諧振腔的光學長度。相位變－頻率變，但不同時刻頻率變化不同，即頻率變化是時間的函數，因此相位調制器相當于一個移頻器，光波通過調制器一次， 發(fā)生一次頻率移動，經過幾次

30、頻率移動，移到增益曲線以外，不能振蕩。如果使 （調制信號的頻率）＝，頻率 變化的周期 和光在腔內傳播的時間相同。 假定光波第一次通過調制器時頻率變化 ，經過　　時間第二次通過時頻率變化　　　　→多次移動　　　　→移出去。只有在t=0,t1,t2時通過的光波頻率不發(fā)生變化，被保存下來－能振蕩，相位調制的結果，產生邊頻 當調制器的頻率 即時，所有模式功

31、率耦 合。鎖模過程和振幅調制相同。,,鎖模過程（頻域）：首先，中心頻率 增益大先振蕩。相位調制的結果產生邊頻：注意：在每個周期內頻率變化曲線上存在兩個頻變?yōu)?的點，這樣增加了輸出脈沖位置的不穩(wěn)定性。當 ，處脈沖輸出時，的脈沖不能形成，但當條件變化時，有可能從上一脈沖序列跳到，·····脈沖列，實際中加以克服。相位調制后的頻譜：,,時

32、相位調制的特點 ① 調制信號的頻率和相鄰縱模頻率的間隔相同。 ② 相位調制的結果，使各縱模相位固定。－滿足鎖模條件 ③ 輸出的光波是間隔為 的脈沖序列，具有鎖模激光器特性。 ④ 脈沖位置不穩(wěn)定－必須采取一定的措施。,,3.3被動鎖模一、固體激光器的被動鎖模:在腔內放一個裝有機染料的染料合，依靠有機染料的飽和吸收過程（有機染料的飽和吸收原理在Q開關中已經講過），染料的吸收率是頻率

33、和光強的函數。1.和Q開關的區(qū)別,① 染料的激發(fā)態(tài)壽命不同（很短ps量級，　　　在ns量級） 在鎖模中要求染料的激發(fā)態(tài)壽命<　　，光在往返一次的周期內，染料對光的吸收具有周期性，因而光波的變化具有周期性。周期均為，相當于腔內縱模變化的頻率　　。② 染料合緊靠全反鏡一般把染料的一面做成全反即合為一體，使光通過染料合間隔。,,2.被動鎖模的動力學過程，由不規(guī)則的脈沖演變?yōu)殒i模脈沖的物理過程大致分為三個階段。（一）

34、線性放大階段各模式振蕩（由光的隨機起伏－相位固定過度）,增加強弱脈沖的差別，甚至使弱脈沖消失。特點：初始階段，有機染料A(v)大－未飽和－非線性吸收光波場－自發(fā)輻射的熒光－G>　時，產生激光，在激光介質中線性放大-增益未飽和?！∽园l(fā)輻射的熒光幾乎包括腔內所有模式，頻譜寬，但光強弱，隨著的增加，當G> 　時，產生激光，激光強度波形漲落形式，腔內總電場可表為各模式電場之和?！　「髂Ｖg的相位無規(guī)

35、則分布即常數，,,而和是時間函數，　　、　　隨時間變化緩慢，在內，可視為常數。由于相位無規(guī)，故總場是不同相位的正弦波的疊加，－總場的強度是漲落的。在一周期時間內，光波通過有機染料、激活介質各一次。強脈沖吸收的少，弱脈沖吸收的多-非線性吸收；在激活介質中，強脈沖放大的多，弱脈沖放大的少－線性放大，因此強脈沖加強，弱脈沖光強減少，甚至消失，脈沖個數減少，頻譜變窄－這種變化的周期　　。,,結果：脈沖個數減少，頻譜

36、變窄，放大的強信號變得平滑和加寬。注意：由于吸收飽和的光強要比腔中剛開始振蕩的光強高若干數量級，因此線性區(qū)比較長。,（二）非線性吸收階段（進行相位固定階段）特點： 染料，強脈沖使染料飽和，弱脈沖不能使染料飽和－非線性吸收－主要作用。工作物質－增益G未飽和－線性放大。在此階段存在三個重要作用?。娒}沖的強度能使染料飽和－損耗少（相對值小）。小的弱脈沖不能使染料飽和－吸收的多－在I未達到I5，工作物質中線性放大的少。

37、結果脈沖個數減少到1－2個（頻譜窄）。ⅱ）從時間域看，脈沖的寬度變窄，對脈沖的前后沿有壓縮，當馳豫時間即染料的上能級 ≤脈寬時，脈沖的前后沿吸收也不同。ⅲ）從頻譜 加寬頻譜－脈沖經過染料，激光介質時，可以激發(fā)更多的邊頻耦合了更多的模式，這時腔內的損耗具有周期形 。,,圖3.3-5,（三）非線性放大階段（主要壓縮脈寬階段）特點：染料飽和　工作物質，增益飽和－非線性放大由于脈沖強度進一步增大，耦合的模式增大，脈沖前沿

38、的光可使染料飽和，前沿變陡。對于激活介質來說，介質增益飽和，強脈沖通過放大介質時，前沿中心部位放大的多，脈沖后沿可能放大的少，經過幾次放大過程－前后沿變陡－脈沖變窄。弱脈沖進一步受到抑制，最后腔中剩下一個脈沖振蕩。 圖33.6 圖3.3-7,,鎖模脈沖的形成ta－線性階段開始，tb－非線性階段開始，tc －非線性放大，增益飽和

39、。td－增益降至閾值，到達最大光強，脈沖的包絡振幅，由飽和光強和反射鏡的透過率決定。被動鎖模在脈沖激光器中進行，輸出的脈沖序列包絡和被動Q開關脈沖相似。被動鎖模的過程(1) 頻譜：寬頻譜－窄－寬(2)光強：光的隨機起伏－光有規(guī)律－形成一個脈沖。(3) 相位－由相位隨機－相位固定。特點： 優(yōu)點：被動鎖模的結構簡單，不需要人為的控制。 缺點：穩(wěn)定性差。 輸出的強度不穩(wěn)定。,從形成過程看，被動鎖模是由很

40、多脈沖相互競爭的結果。脈沖的出現是隨機的，造成每一次輸出不同。受染料的濃度，泵浦光源，諧振腔的結構，調整誤差影響。改進：在被動鎖模激光器中加入主動Q開關－主被動鎖模。 人為加入周期性損耗，控制加壓的時間<－可以提高穩(wěn)定度。,,圖3.3-8,二、碰撞鎖模1.碰撞鎖模：是屬于被動鎖模的另外的一種形式。在被動鎖模中腔內存在一個脈沖，得到間隔為2L/c 的脈沖序列。當在被動鎖模激光器中，存在兩沿相反方向傳播的兩束光，此

41、兩束光同時達到可飽和吸收體，在吸收體中相撞產生干涉，在吸收體處形成光強的空間調制，因而造成吸收介質上下能級粒子數的空間周期分布－粒子數分布光柵；此光柵使脈沖壓縮過程加快。 使窄了3－4倍。2.裝置示意圖如下,三、自鎖定義：在一定的條件下，激光介質和諧振腔內的激光輻射之間的相互作用，可以使振蕩模之間保持一固定相位關系，而不需加任何其他鎖模元件，自鎖。鈦寶石激光器中的自鎖取得成功，但穩(wěn)定性差。四、鎖模激光器的設計考慮鎖模激光器實

42、現的難度比調Q激光器大，從結構到各元件要求是比較嚴格的，現討論幾個主要的問題。1.標準具效應①標準具效應:標準具是由一平行的不鍍膜的平板構成，由于光束的多次反射，使標準具的透過率是頻率的函數。,,,當把標準具放入諧振腔內，選縱模的結果是使腔內的縱模數減少，同時一般標準具的透射線寬比介質的增益線寬小的多，標準具改變了諧振腔的帶寬 ，并引起一定相位漂移。由于脈沖的峰值功率，脈寬都和縱模個數有直接關系。 （2N

43、＋1）↑即模多P↑ （2N＋1）↑即模多 ↓腔內存在標準效應時，使輸出脈沖的峰值功率下降，脈寬增加。在鎖模激光器中嚴格避免標準具效應。②造成標準具效應的因素 在諧振腔中任何平行于腔反射鏡的光學表面之間形成－標準具。,,③消除的辦法對腔內各光學元件，除了兩端面反射鏡之外，都不能做成平面和入射光束垂直。一般切成布儒斯特角或切成1～角均可。如果平面和入射光垂直，這時平面鍍增透膜。兩反射鏡作成楔形的，可

44、以防止末端元件的反射而進入腔內。被動鎖模的染料合作成楔形的。,2.調制器和染料合的位置及尺寸調制器應放在腔內盡量靠近全反射鏡的地方。這樣可以得到最大的縱模之間的耦合效果。對于染料合，一般染料合和全反鏡做成一體。①調制器離反射鏡越遠，鎖模的效果越差，,,②調制器的尺寸越短，鎖模效果越好。光在損耗最小時通過調制器，振幅最大，光在調制器中通過時需要一定的時間，影響脈沖峰值功率。尺寸大－峰值小，－尺寸?。逯蹈?。但主動鎖模

45、中，晶體不能太小，這對加工以及加壓都不利。因此脈寬的壓縮受到限制。被動鎖模，染料合可以做得更小，故輸出比主動鎖模脈沖窄。,1.失諧問題調制器的頻率必須嚴格符合下面條件：振幅調制頻率： ，即損耗變化頻率相位調制頻率： 只有滿足上述條件，才能使腔內縱模產生最大的耦合。 (1)失諧：不滿足上述條件即 或 時稱失諧，的效果差。（2）失諧的原因：調制器的頻率不穩(wěn)

46、定－調制器頻率變化變，實際中采用穩(wěn)定度很高的調制器。腔長L受溫度、振動等影響變化。 變，振蕩器一般穩(wěn)定度。當兩者之一有變化，產生失諧，主要由L變化引起。,,設 式中 －縱模角頻率間隔 －調制角頻率 －縱模角頻率與調制角頻率之差的大小反映失諧的程度。當 滿足上述條件，理想的鎖模狀態(tài)。 －正失諧 負失諧以相位調制器為例，實

47、驗測得的失諧曲線如下,,可見在鎖模區(qū)：當 時，鎖模輸出的功率最大－理想，耦合的縱模數最多。 ，輸出的功率下降，偏離越多，輸出功率下降的多，直至輸出功率為0。進入淬滅區(qū)－不能鎖模。③引起L變化的因素。a.泵浦燈、工作物質、激光腔等的熱效應，外界環(huán)境溫度的變化。使腔長熱脹冷縮改變。b.外界機械振動的影響。④穩(wěn)定鎖模的方法：為了減少失諧的程度，必須采取一定措施，穩(wěn)定腔長不變。一般調制器采用穩(wěn)定度高

48、認為頻率不變。a.對激光器進行冷卻，防止由于熱效應，引起腔光學長度的變化。b.盡量采用線膨脹系數小的殷鋼或石英作支撐反射鏡的底座。采取一定恒溫措施，以減小L的變化。c.采用防震設備，減少外界振動對L的影響。d.采用電子反饋電路以隨時補償失諧。,,常用的電子反饋電路有兩種方法：一種方法，改變腔長即補償腔長的變化（在穩(wěn)頻技術中講）∵當L變 變 不變當L小 L大

49、 輸出功率下降采取一套電路系統(tǒng)和其他裝置使L變小時， 轉為L大－ 小→0原理：L變, 變化，通過探測輸出功率的變化及變化的方向，采取電路的反饋系統(tǒng)，使 →0，穩(wěn)定輸出功率。,,裝置：在一端反射鏡上放一壓電陶瓷，當壓電陶瓷的內外表面加電壓的極性不同，壓電陶瓷伸縮不同，因此L長短變化。首先在壓電陶瓷上加一低頻調制信號－輸出的光強－低頻調制。目的－利用此

50、信號判定光強變化的頻率和相位以便知L的變化方向。當 ＝0－理想， L不變，輸出光強2f－不能通過選頻器，>0， 輸出光強f相位和調制信號相位相反 正→ 大→f小<0， 輸出光強f和調制信號相位相同。用光電接受裝置接收到－經過調制的光強，光強的變化：dI（誤差訊號）大小表明偏離的多少， 相位表明偏離的方向經過一套電路系統(tǒng)將誤差訊號變?yōu)橹绷麟妷杭拥綁弘娞沾缮?，控制腔長，

51、即補償腔長的變化，使 ＝0。失諧的范圍在5－10KHz,,第二種方法，改變調制頻率適應腔長的變化，減少失諧。此方法用于相位調制器，因為在相位調制器中存在脈沖位置的跳變。裝置如下 圖3.3-16， 圖3.3-17在調制器上加二種調制信號基波f，二次諧波2f，相位差 ，振幅2∶1,,疊加后的波形不對稱，因此調制度不同，邊頻的增益不

52、同，正方的增益高，優(yōu)先振蕩，因此只可能在兩個極值處得到脈沖－克服跳變。一般對鎖模激光器先從實驗中測出失諧曲線，再選擇一定的電子反饋電路，改進鎖模效果。,,3.4 單一脈沖的選取及超短脈沖測量技術一、單一脈沖的選取鎖模激光器輸出的是一序列脈沖，在實際應用中往往需要單一脈沖，因此必須從多脈沖中選取一個脈沖，書中介紹了三種選取脈沖法，前兩種都是利用電光Q開關，這部分在Q開關的其他應用中已經講過。對腔內選取法，由于增加腔內的

53、損耗，閾值提高，一般不采用。1．腔外選單一脈沖法工作過程：在兩個正交的偏振棱鏡P1 和P2之間放一個電光Q開關，當鎖模脈沖經過時，被檢偏器反射，經透鏡聚焦，擊穿火花隙，將半波電壓 矩形脈沖加到電光開關上，在下一個脈沖通過電光開關時，偏振方向旋轉90度，恰好通過檢偏器，只要加壓時間< 2L/c ，得單一脈沖。至于選哪一個脈沖，可通過調整火花隙擊穿功率和由火花隙到電光開關的延遲時間來實現。一般選能量最大的脈沖。,,2．閘流

54、管觸發(fā)電路工作過程：首先在電光Q開關加電壓。由激光器輸出的脈沖通過Q開關時偏振方向旋轉90度，不能通過偏振器而被反射。當光電二極管接收到的光信號－電訊號去觸發(fā)閘流管使之導通，這時電光晶體上的電壓通過閘流管放電，退去晶體上的電壓。這時光束通過晶體時不旋轉90度，光可以通過偏振器，只要退壓時間<，得單一脈沖。,二、超短脈沖的測量 由于鎖模激光器輸出的脈寬一般幾ps-fs量級，而光電接收裝置如一般光電二極管和光電倍增管響應時間一

55、般在 s，因此響應時間大于 s，因此無法測量 s- s 脈沖。目前測量鎖模的脈沖寬度有兩種類型：1.直接觀察法直接測量脈沖的實際寬度。例：條紋照相機：主要由結構復雜的條紋管構成。它可把光脈沖直接記錄在照相底片上，通過光密度分析獲得脈沖形狀和寬度。近來出現的新型條紋管，利用了光纖，可以直接給出光脈沖強度I(t)的數字記錄，分辨力可以測到1－2ps。缺點：結構復雜，價格昂

56、貴，不適用連續(xù)鎖模激光器，－需取出一脈沖。不能測飛秒脈沖。,,2.相關測量法應用較廣，間接測量。利用相關函數的測試，－測出的相關函數曲線不是脈沖的實際寬度，要通過換算，才能得到脈寬的近似值。(1)相關函數－強度為I(t)的2光束的2階強度相關函數為二階相關函數測得的脈沖波形對稱。因 ，如果實際波形不對稱，此法測不出。用高階相關函數。n階單延遲相關函數（只能給出脈沖寬度的上限）由上式看出，相關測試把

57、對脈沖的瞬時測試變成了對具有相對延遲的兩個脈沖乘積的時間積分進行測試，這樣大大減少了對于測試儀器和接收元件時間響應的要求。,,,如果接收時間比較長則可能是多個脈沖的平均結果。（對n階當n→∞則 → 則對于一般的鎖模激光器，比較容易實現二階相關測試(2)二階相關測試 利用相關函數得到一寬度，要從此寬度得到脈沖的寬度，首先必須確定實際脈沖的形狀，然后進行換算。目前對脈

58、沖形狀主要提出四脈沖形式：高斯形（對稱，前后沿均是雙邊高斯形，否則單邊）、雙曲正割形（單，雙）、洛侖茲形和指數形。它們的相關函數解析式已求出。只要把實際測試值與這些脈沖的相關函數曲線（理論）進行比較，精度要求 10-3，即可確定實際脈沖的波形。當然注意鎖模脈沖并不是十分規(guī)則，只能利用與理論相關曲線接近的程度來判斷脈沖大概屬于何種形狀。,,例 雙邊高斯形當 ＝1 當 ＝0 雙邊洛侖茲形,

59、,,可以反映出脈沖的不對稱，但是即使一個極度不對稱的單邊形脈沖，但在的曲線上也僅呈現不大的對稱性。 目前比較成熟的二階相關函數測量法是雙光子熒光法和二次諧波法。①雙光子熒光法是利用激光脈沖激發(fā)染料的熒光，分析熒光的強度即可獲得激光脈沖二階相關函數的寬度。a.結構簡單。b.適合脈沖激光器。c.但要求調整精度高。d.對各種不同波長的激光要選用不同的染料。e.靈敏度低，分析周期長。例如若丹明6G丙酮溶液，當基態(tài)的粒子吸收兩

60、光子躍遷到高能態(tài)③，然后無輻射躍遷到能級②，最后由能級②自發(fā)輻射躍遷到能級①發(fā)出熒光，其頻率等于入射光頻率的2倍。－雙光子效應。,,實驗裝置如下：M3－分束鏡，把入射光分成相等的兩束光，M1M2－全反鏡由激光器輸出的激光進入雙光子熒光測試系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，把一束光分成兩束光，沿相反方向進入染料中，得到的熒光強度與兩束光重合的程度有關。重合的少，熒光弱，光全重合，熒光最強，激光脈沖是否完全鎖模。熒光強度與入射光強度平

61、方成正比－非線性。設兩束光的電場強度,,則 －瞬時熒光強度但在實際測量時，接受元件的響應時間長，所以實際測得的不是熒光瞬時強度而是積分強度當光電接收對相位項不能及時響應時，則,,式中右邊第①項是第1束光的熒光積分強度,第②項是第2束光的熒光積分強度，第3項是兩束光重疊部分的熒光積分強度。 因兩束光的強度相等，則兩束光的

62、熒光積分強度相等，設 F’一束光熒光積分強度則 式中 --為歸一化的二次相關函數主要由兩束光的相干強度決定：兩束光的重合程度 各模的相位是否固定：,,a.當 ＝0 兩束光完全重合 b.如果入射光完全鎖定 則 如 ，兩束光完全不重疊： ――產生的背景光－是兩束光分別產

63、生的熒光強度。完全重疊與完全不重疊的熒光強度之比3∶1在實驗中測得了熒光波形的寬度 （或 寬度），是熒光波形實際空間距離，然后換算成脈沖寬度。經驗證，設脈寬則 －光脈沖的波形系數，方波： ，高斯形： ，洛侖茲形： n－染料的折射率,,c.如果入射光未鎖定 大，則當時仍有重疊，這時不能下降到0， ＝0.5

64、背景光大 對比度＝1.5 對比度 部分鎖定，設 m1個模鎖定，m2個模未鎖定以上說明當兩束光由不重合到完全重合時熒光的強度變化不大，因此實驗中測得的熒光曲線即能測出脈寬又能判斷鎖模的程度。,,特點：1.結構簡單，適合脈沖激光器。 2.底片的感光度的非線性給測量帶來誤差－分辨力底。 3.存在背景光，測量的波形不能反映實際的波形。 4.要求實際調整精度高，分析

65、周期長，靈敏度低。,②二次諧波法根據非線性光學原理，當兩束光頻率為的光通過非線性晶體時，如果滿足一定的相位匹配條件，產生頻率為2 的倍頻光，產生的倍頻光的強度與入射光的強度的平方成正比，因此通過一定的裝置（邁克爾遜干涉儀）把光分成相等的兩束光，使之改變兩束光的重合程度，從而接收到不同強度的倍頻光－相關測量。設兩束光的電場強度光電探測器接收到的不是瞬時光強，而是積分強度。,,而 ――背景

66、光當移動全反棱鏡時，則第二束光到達倍頻晶體的時間在改變，在變對于 a、b 兩束光完全不重合,,在 在 之間變化時，在1～3之間變化。因此移動全反棱鏡I2，則輸出的倍頻光不同，把輸出送到函數記錄儀中，同時測出 ，通過多點測量可以大致確定I(t)的形狀和脈寬，因此把對時間的測量轉變成對長度的測量。－脈寬 ， －波形函數與

67、同特點：測量的精度高，分辨力高，處理數據方便，結構復雜并需逐點測量。上述的倍頻即第一類角度相位匹配（共線）存在背景光造成測量誤差。如果采用①第二類共線匹配 o+e→e這時無背景光 ②非共線匹配第Ⅰ類可以實現無背景光，只要改變入射兩光相交的角度，即可對多種波長進行測試。,,小結,本章主要講了三個問題一.鎖模的原理縱模鎖定：當相鄰兩個縱模的相位固定即常數，各模相干，總光波場振幅受到調制

68、輸出特性：①脈沖間隔固定的脈沖序列。相當于腔內只有一個脈沖在振蕩。 ② 2N+1↑ ↑ 小 ③ 2N+1大 大 ④鎖模的結果使各模不再獨立，發(fā)生功率耦合。,,二.鎖模方法主動鎖模AM調制：腔內加一振幅調制器，結果使腔內的損耗周期性變化

69、 ， 損耗最小時通過調制器的光波才能保存下來。 增益大先振蕩，振幅受到調制（時間域） 調制的結果激發(fā)邊頻 ， 開始振蕩，受到調制，激發(fā)新的邊頻，直到所有的模式被耦合。FM調制：利用電光相位調制器，在晶體上加調制信號，使晶體的折射率變化，這樣相當于改變了諧振腔的光學長度，位相變－頻率變，但不同時刻頻率變化不同，相位調制器相當于－移頻器，調制器