主动激光锁模技术原理.pptx
《主动激光锁模技术原理.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《主动激光锁模技术原理.pptx(53页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第七讲第七讲 超短脉冲技术超短脉冲技术 所谓模所谓模,就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型。纵模,也叫轴模。纵模,也叫轴模。在两反射镜间沿轴进行的光束,由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目,所以必然有数不清不同波长的光波,能符合加强反射的条件,2nL=k,即 2nL=k11=k22=k33=ki(正整数)是纵模模数。7.1 概述例如:L=800nm,n=1,则k=1时,对应1=1600nm;k=2,2=800nm;k=3,3=533nm 1 1=1.875=1.87510101414,2 2=3.75=3.7510101414,3 3=5.625=5.62510101414 注意:注
2、意:=c/2nL;=c/2nL;3232=2121=1.875=1.875101014148001000600荧光光谱荧光光谱横模?横模易观察,但其产生的原因复杂:1、偏离轴向的光束的干涉,偏离轴向的光束的干涉,2、工作物质的色散,3、散射效应及腔内光束的衍射效应等,都对横模有影响。下面只对情况 1 做简单地分析。除了严格平行光轴的光束(名基模TEM00)以外,总有一些偏离光轴而走Z字形的光束。虽然经多次反射也未偏出腔外,仍能符合符合2nLcos =k的条件的条件;因而,在某一方向存在着加强干涉的波长。设z代表腔轴方向,垂直z的截面为xy平面。该截面内所产生的部分横模如图,标记TEMmn 中的
3、TEM代表电磁横波,m代表x方向的波节数,n代表y方向的波节数。图图5.1-1 不同横模的光场强度不同横模的光场强度TEM00 TEM10 TEM20 TEM30图图5.1-1 不同横模的光场强度不同横模的光场强度 TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM40 TEM50 TEM21 TEM22 TEM01 TEM02 TEM03 TEM00 TEM10 TEM20 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。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸浦锁模、碰
4、撞锁摸(CPM),以及90年代出现的加成脉冲锁模加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来,锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级,70年代,脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级,到80年代则出现了一次飞跃,即在理论和实践上都有一定的突破。1981年,美国贝尔实验室的R.L.Fork等人提出碰撞锁模理论,并在六镜环形腔中实现了碰撞碰撞锁模锁模,得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后,获得了6fs的光脉冲的光脉冲。90年代自锁模技术的出现,在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。本章将讨论超短
5、脉冲激光器的原理、特点、实现的方法超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法,几种典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术,如超短脉冲脉宽的测量方法、超短脉冲的压缩技术等。为了更好地理解锁模的原理,先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器,其纵模的频率间隔为 (3.1-1)自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模,如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都不固定,一、多模激光器的输出特性 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模,如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都不固定,激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果,是一种时
6、间平均的统计值。N=11荧光光谱荧光光谱(3.1-2)假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模,那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和,即和频率描述的非锁模激光脉冲和完全锁模激光脉冲两种情况的图形。在频率域内光脉冲可以写为 (3.1-2)式中,q0,1,2,N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q个纵模的序数;Eq是纵模序数为q的场强;q及q是纵模序数为q的模的角频率及相位。图3.1-2给出了时间描述图3.1-2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模,(b)理想锁模式中,()为幅度;()为位相频谱。当脉冲带宽比平均光频0窄,在时域内光脉冲可以写成(3.1-4)式中,A(t)是
7、脉冲的振幅;是(t)相位。某一瞬时的输出光强为(2q+1)q项,即 m(m-1)/2项,m=2q+1(由3.1-2式 知)(3.1-5)(3.1-6)因为所以q=-N接收到的光强是在一段比1/q=2/q 大的时间(t1)内的平均值,其平均光强为该式说明了平均光强是各个纵模光强之和平均光强是各个纵模光强之和(除以除以2)。如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步,即把它们的相位相互联系起来,使之有一确定的关系(q+1-q常数),那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象;激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲,如图3.1-2(b)所示。图3.1-2 (b)理想锁模该激光器
8、各模的相位已该激光器各模的相位已按照按照q+1-q常数的关常数的关系被锁定,这种激光器系被锁定,这种激光器叫做锁模激光器,相应叫做锁模激光器,相应的技术称为的技术称为“锁模技术锁模技术”。先看三个不同频率光波的叠加:Ei=E0cos(2 i t+i)i=1,2,3设三个振动频率分别为1、2、3 的三个光波沿同一方向传播,且有关系式:3=31,2=21,E1=E 2=E3=E0 若相位未锁定,则此三个不同频率的光波的初位相 1、2、3 彼此无关,如左图,由于破坏性的干涉叠加破坏性的干涉叠加,所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3 E02/2级基础上有一个小的起伏扰动。
9、3 E02/2二、锁模的基本原理二、锁模的基本原理注意(3.1-6)式但若设法使 1=2=3=0时,有 E1=E0cos(21 t)E2=E0cos(41 t)E3=E0cos(61 t)当 t=0 时,E=3E0,E2=9E02;t=1/(31)时,E1=E0cos(2/3)=-E0/2,E2=E0cos(4/3)=-E0/2,E3=E0cos(2)=E0,三波叠加的结果是:E=E1+E 2+E3=0;同理可得,t=2/(31)时,E=0;t=1/1时,E=3E0 。这样就会出现一系列周期性的脉冲,见下图。当各光波振幅同时达到最大值处时,由于“建设性建设性”的干的干涉作用涉作用,就周期性地出
10、现了极大值出现了极大值(I=E2=9E02)。当然,对于谐振腔内存在多个纵模的情况,同样有类似的结果。3 E02/2 如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步,即把它们的相位相互联系起来,使之有一确定的关系(q+1-q=常数),那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象;激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲,这就是说,该激光器各模的相该激光器各模的相位己按照位己按照 q+1-q=常数的关常数的关系被锁定系被锁定,这种激光器叫做锁模激光器锁模激光器,相应的技术称为“锁模技术锁模技术”。要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲,只有采用锁模的方法,就是使各纵模相邻频率间隔相等并固
11、定为 ,并且相邻并且相邻位相差为常量位相差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现的。-5 -101 5 N=5,2N+1=11式中,q为腔内振荡纵模的序数。(3.1-7)下面分析激光输出与相位锁定的关系,为运算方便,设多模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅E0,超过阈值的纵模共有2N十1个,处在介质增益曲线中心的模,其角频率为0,初相位为0,其模序数q=0,即以中心模作为参考,各相邻模的相位差为各相邻模的相位差为,模频率间隔为,假定第q个振荡模为 由(3.1-8)(3.1-10)式可知,2N+1个振荡的模经过锁相以后,总的激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果:按指数形式展开,再用三角
12、函数表示(3.1-7)作业:由(3.1-7)和(3.1-8)式 推出(3.1-9)式 提示:利用倍角和半角公式光场变为频率为光场变为频率为0 的调幅波。振幅的调幅波。振幅(t)是一随时间变化的周期函数,是一随时间变化的周期函数,光强光强(t)正比正比(t),也是时间的函数,光强受到调制。按傅里叶,也是时间的函数,光强受到调制。按傅里叶分析,总光场由分析,总光场由2N十十1个纵模频率组成,因此激光输出脉冲是包括个纵模频率组成,因此激光输出脉冲是包括2N十十1个纵模的光波。个纵模的光波。图图3.1-3给出了给出了7(N=3)个振荡模的输出光强个振荡模的输出光强曲线。曲线。由上面分析可知,只要知道振
13、幅由上面分析可知,只要知道振幅A(t)的变化情况,即可了解输出的变化情况,即可了解输出激光的持性。激光的持性。为讨论方便,假定=0,则(3.1-11)上式分子、分母均为周期函数,因此A(t)也是周期函数。只要得到它的周期、零点,即可以得到A(t)的变化规律。在t=0和t=2L/c时,A(t)取得极大值,因A(t)分子、分母同时为零,利用罗彼塔法则可求得此时振幅(2N+1)E0。由(3.1-11)式可求出A(t)的周期为 (令分母 等;因为=2=c/L,所以,),在一个周期内2N个零值点及2N+1个极值点。频率间隔=c/2L倒数(2)每个脉冲的宽度 可见增益线宽愈宽,愈可能得到窄的锁模脉宽。(t
14、=to=0时,A(t)有极大值,而11式分子(1/2)(2N+1)wt1=时,A(t)=0,令 t=t1-t0 并近似为半峰值宽,则有)0,t1在t=L/c时,A(t)取得极小值E0,当N为偶数时,A(t)=E0,N为奇数时,A(t)=-E0。除了t=0,L/c及2L/c点之外,A(t)具有2N-1次极大值。由于光强正比于由于光强正比于A2(t),所以在在t=0和和t=2L/c时的极大值时的极大值,称为主脉称为主脉冲冲。在两个相邻主脉冲之间,共有2N个零点,并有2N-1个次极大值,称为次脉冲。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播腔内来回传
15、播。(1)激光器的输出是间隔为=2L/c的规则脉冲序列。通过分析可知以下性质:(4)多模(0+qq)激光器相位锁定的结果,实现了q+1-q=常数,导致输出一个峰值功率高,脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵模激光器锁模后,各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的功率应看成是所有振荡模提供的。#(3)输出脉冲的峰值功率正比于 ,因此,由于锁模,峰值功率增大了2N+1倍。(3.1-6)q=-N注意:1.主动锁模 主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。三、锁模的方法三、锁模的方法2.被动锁模 产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模。3.自锁模 当激活介质本身的非线性效应介质本身的非线性效应能够保持各
16、个振荡纵模频率的等间隔分布,并有确定的初相位关系,不需要在谐振腔内插入任何调制元件,就可以实现纵模锁定的方法。4.同步泵浦锁模如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模,则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器,调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔,这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。根据调制的原理,可分为相位调制(PM)(或频率调制FM)锁模及振幅调制(AM或称为损耗调制)锁模。下面讨论其原理及实现的方法。72 主动锁模主动锁模利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模。设在某时刻t1通过调制器光信
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 主动 激光 技术 原理
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【快乐****生活】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【快乐****生活】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。