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1、被动锁模原理本讲稿第一页，共十二页结合染料的性质来分析 可饱和染料的吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益的激光器所产生的高强度激光足以使染料吸收饱和，图3.2-3示出激光通过染料的透过率(T)随激光强度(I)的变化.强信号的透过率较弱信号为大,只有小部分为染料所吸收.强,弱信号大致可以饱和光强I0来划分.在没有发生锁模作用以前,假设腔内光子的分布基本上是均匀的,但还有一些小的起伏.如图3.2-4(a)中强度起伏为M1.由于染料具有饱和吸收的特性,但弱信号透过率小,降低得多;而强信号则降低得小,且绝对值的降低可由工作物质的放大而得到补偿.所以通过几次染料的吸收和工作物质的放大后,极大值与极小值
2、之差,也就是强度的起伏,由M1增加到M2;再吸收.放大几次,有增加到M3.这样,脉冲的前沿不断被削掉,而尖峰部分能有效地通过,使脉冲变窄,对比加大.图3.2-4(b)是与(a)相应的频谱.开始时仅包含 和两个较弱的边频信号 .经过几次染料的吸收和工作物质的放大后,边频信号的强度比 增加的快,并激发了新的边频信号 .再经过几次吸收与放大,边频信号 及 .又增大,又激发新的边频.如此继续,便得到一系列周期为 的 的脉冲输出序列本讲稿第二页，共十二页本讲稿第三页，共十二页三个阶段 在被动锁模激光器中,由不规则的脉冲演变到锁模脉冲的物理过程大致可分为三个阶段,见图3.2-4.其过程实质是最强的脉冲得到
3、有选择地加强,背景脉冲逐渐地被抑制.三个阶段可简述如下n线性放大阶段 初始的激光脉冲具有大致等于荧光带宽的光谱含量,并且具有随机相位关系的激光模之间的干涉,导致光强度的起伏.脉冲总量很大,大致具有腔内模数的量级,但也存在少量超过平均强度的峰值,见图3.2-4(a)在线性放大期间,发生自然模选,同时由于放大过程使频谱变窄,被放大后的信号起伏得到平滑和加宽,如图3.2-4(b)及(c).n非线性吸收阶段 工作物质的增益虽是线性的,但由于此时腔内光强已超过饱和光强,故染料的吸收变成了非线性.其结果是较强的脉冲“漂白”了染料,脉冲强度得到很快的谱长;而大量的较小脉冲受到染料较大的吸收而被有效地抑制.使
4、发射脉冲变窄,如图3.2-4(d)(e)所示同时频谱得到加宽n非线性放大阶段 在吸收跃迁完全饱和时,光强度已足够高,激光经激活介质的放大是非线性的,这是 高峰值功率阶段,见图3.2-4(F).这时背景最小脉冲几乎完全被抑制,输出的是一个高强度的脉冲序列.最终粒子数反转被倒空,脉冲逐渐衰弱。非线性放大加宽了谱线，并在时间域内变窄了脉宽。在实际的被动锁模激光器中，情况比这要复杂。本讲稿第四页，共十二页本讲稿第五页，共十二页被动锁模的评价本讲稿第六页，共十二页被动锁模的发展 在获得短脉冲或超短脉冲的手段上,主动锁模或调因为造价昂贵并且系统庞大而存在很多不利之处。被动锁模或调以前长期为染料吸收体所独占
5、,因为染料有毒性,容易变质等缺点,已经逐渐被淘汰。1992年,.1等在腔内引入反共振的法布里-帕罗标准具可饱和吸收体(-,-),实现了:自启动的被动锁模,脉宽3.3,这是-或()首次应用于固体激光器被动锁模,也是首次实现固体激光器皮秒级被动锁模。现在,国外适用于各种波长固体激光器的几乎都制作出来了,国内先后有天津大学研制出适用于:激光器飞秒锁模的800宽带半导体可饱和吸收镜,中科院半导体所研制出适用于1.06附近波长固体激光器被动锁模的。已经用在各种固体激光器和光纤激光器上用以实现被动调,被动调锁模,皮秒直接被动锁模,飞秒锁模自启动n中国科学院半导体所本讲稿第七页，共十二页平均功率达到10W的
6、Nd:YAG二级管泵浦被动锁模激光器n瑞士联邦技术研究院和瑞士dElectronique et de Microtechnique-Zurich 中心的研究人员与Time-Bandwidth产品公司的研究人员合作研制了一种Nd；YAG二级管泵浦的被动锁模激光器，该激光器具有10。7W的平均功率和7。8KW的峰值功率。单路通过KTP晶体的外倍频在532nm时能产生3。2W的平均功率，继之通过BBO的倍频产生120mW的紫外输出。激光腔的设计应适合于更高的功率，它由四反射镜组成两个曲面镜控制激光头中和半导体饱和吸收反射镜上的激光模半径，它与增益介质中较小的激光模相结合，促进稳定的自启动锁模，而无Q
7、开关的不稳定性，直接耦泵浦配置消除了与边壁泵浦相关的典型问题本讲稿第八页，共十二页有理数谐波主被动锁模掺铒光纤激光器 n在主动锁模掺铒光纤环形激光器中()接入一个非线性光学环形镜,形成结构新颖的主被动锁模掺铒光纤激光器(),利用非线性光学环形镜所具有的饱和吸收体功能,成功地抑制了4阶有理数谐波锁模()中较大的幅度噪声,在1量级的调制频率下,由主被动锁模掺铒光纤激光器获产生重复频率为5 1、幅度相当稳定的4阶有理数谐波锁模脉冲序列。本讲稿第九页，共十二页 n多年来，人们一直采用有机染料作为可饱和吸收体实现脉冲式抽运的Nd：YAG激光器的被动锁模，再配合腔外或腔内倍频方法以获得高能量的皮秒绿光脉冲
8、。然而，有机染料具有使用不方便，稳定性差，难以实现锁模激光器的全固化等缺点，本问采用了：YAG作为可饱和吸收体，KTP作为倍频器件，实现脉冲式抽运的Nd:YAG激光器的被动锁模和腔内倍频，获得输出能量13。5mJ的皮秒绿光激光器。n华侨大学信息与工程学院nYAG被动锁模Nd：YAG绿光激光器研究YAG被动锁模Nd：YAG绿光激光器研究本讲稿第十页，共十二页 Cr4+:YAG在对撞脉冲锁模的Nd：YAG激光器中实现被动锁模n提出了Cr4+:YAG作为可饱和吸收体在Nd:YAG激光器中实现被动锁模的可能性,运用速率方程组导出在强激光脉冲作用下Cr4+:YAG激发态吸收的恢复时间和饱和光强。实验上在
9、带有抗共振环结构的接近于介稳腔的脉冲式Nd:YAG激光器中用Cr4+:YAG作为可饱和吸收体实现被动锁模运转,得到能量13.5mJ、平均脉宽180ps的锁模脉冲序列 采用带有抗共振环结构的接近介稳腔的对撞脉冲锁模的非稳腔来提高Cr4+:YAG处的激光功率密度,实现在Nd:YAG激光器中用Cr4+:YAG作为可饱和吸收体进行被动锁模,得到脉冲宽度为180ps的锁模脉冲序列。王加贤张文珍(华侨大学应用物理系,泉州362011)王清月邢岐荣(天津大学精仪学院超快激光研究室,天津300072)邓佩珍徐军乔景文(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)本讲稿第十一页，共十二页用单晶硅实现被动锁模在Nd:YAG激光器中,用单晶硅实现了被动锁模,得到了脉冲定义为28ps左右,能量为约3J的锁模脉冲 用半导体材料代替染料在固体激光器中实现锁模是人们很感兴趣的课题。就已有的结果来看,Keller所用的量子阱材料1仅用于CW激光器中,且制备复杂。Yumashev所用CuInS2xSe2(1-x)材料的特性是不错的2,但后来未见到更多的报道 中国科学院上海光学精密机械研究所,高功率激光物理联合实验室 用单晶硅在Nd：YAG激光器中实现被动锁模本讲稿第十二页，共十二页