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1、第2章脉冲技术现在学习的是第1页，共38页二二.解决的思路解决的思路1.数学描述数学描述激光器的振荡域值条件激光器的振荡域值条件:(1)(2)为光在腔内传播单程损耗率为光在腔内传播单程损耗率,Q为谐振腔的品质因数为谐振腔的品质因数不易起振不易起振容易起振容易起振现在学习的是第2页，共38页2.物理描述物理描述(Q开关技术开关技术)通过突变谐振腔的通过突变谐振腔的Q值，即光在腔内的损耗，即可实现在极短值，即光在腔内的损耗，即可实现在极短时间的时间内，形成巨脉冲输出。在激光器开始泵浦的初期，时间的时间内，形成巨脉冲输出。在激光器开始泵浦的初期，将激光器的振荡阈值提高，即通过增大腔内损耗，来抑制激光
2、将激光器的振荡阈值提高，即通过增大腔内损耗，来抑制激光振荡的产生，使激光上能级的粒子数翻转数积累。达到一定程振荡的产生，使激光上能级的粒子数翻转数积累。达到一定程度时，将激光振荡阈值降低，即减少腔内损耗，此时上能级粒度时，将激光振荡阈值降低，即减少腔内损耗，此时上能级粒子数雪崩式的跃迁到下能级，即在极短时间内，将能量释放出子数雪崩式的跃迁到下能级，即在极短时间内，将能量释放出来。来。3.实现实现Q开关技术的条件开关技术的条件a 激光工作物质具有较长的寿命（激光上能级寿激光工作物质具有较长的寿命（激光上能级寿 命尽命尽可能长）可能长）b 激光晶体，调制晶体的抗损伤域值高激光晶体，调制晶体的抗损伤
3、域值高c 腔内的腔内的Q值突变要快值突变要快现在学习的是第3页，共38页三三.脉冲反射式（脉冲反射式（PRM）调调Q器件器件调制晶体上未加电压时调制晶体上未加电压时:Q开关处于打开状态开关处于打开状态调制晶体调制晶体M上加上加 电压电压 假假设设沿沿X的的线线偏偏振振光光，经经过过调调制制晶晶体体后后，偏偏振振方方向向沿沿Z向向，M2反反射射后后再再经经调调制制晶晶体体后后，偏偏振振方方向向沿沿Y向向。Q开开关关处处于于关关闭闭状状态。态。1.带偏转器的电光调带偏转器的电光调Q器件器件a 原理图原理图b 物理描述物理描述现在学习的是第4页，共38页2.单块双单块双450电光调制器电光调制器a.
4、原理图原理图 LN为负单轴晶体为负单轴晶体（n0ne）现在学习的是第5页，共38页b.b.物理描述物理描述2.Vx=V/2（加电压）：加电压）：a.双450LN晶体等效于在两个偏振器（起偏器，检 偏器）间加一块调制晶体。b.LN调Q处于关闭状态1.Vx=0(未加电压）未加电压）：LN处于开启状态处于开启状态现在学习的是第6页，共38页四四.脉冲透射式（脉冲透射式（PTM）调调Q1.实验装置实验装置2.物理描述:电光调制晶体上不加电压（Vz=0）：光顺利通过P2,形成不了巨脉冲。电光晶体上加 电压：光不能通过P2，瞬间撤去电压，巨脉冲输出。现在学习的是第7页，共38页五五.PRM和和 PTM比较
5、比较1.概念概念（1）PRM：由输出反射镜输出激光脉冲的调由输出反射镜输出激光脉冲的调Q方式方式（Pulse Reflection Mode)。（2）PTM：由输出耦合镜输出激光脉冲的调由输出耦合镜输出激光脉冲的调Q方式方式（Pulse Transmission Mode)。2.比较比较输出方式：输出方式：PRM的光输出方式为经过透反镜输出，的光输出方式为经过透反镜输出，PTM的的光由腔内的特定光学器件输出。光由腔内的特定光学器件输出。效率：效率：，PRM振振荡荡与与输输出出同同时时进进行行。PTM先先振振荡，腔内储存光能后再输出。荡，腔内储存光能后再输出。脉冲宽度：脉冲宽度：PRM脉宽脉宽
6、PTM脉宽。脉宽。储能方式：储能方式：PRM工作物质储能，工作物质储能，PTM谐振腔内光子谐振腔内光子储能。储能。现在学习的是第8页，共38页2.声光调声光调Q开关技术开关技术一一.声光调声光调Q的基本原理的基本原理1.原理图及简介原理图及简介声光声光Q开关由：开关由：声光介质、电声换能器、吸声材声光介质、电声换能器、吸声材料、驱动电源组成。料、驱动电源组成。2.特点：特点：a.用于增益较低的连续激光器；b.开关时间一般小于脉冲建立时间。c.调制电压小于200V。二二.声光输出的特性声光输出的特性1.重复率对输出性能的影响重复率对输出性能的影响2.参量参量 对输出性能的影响对输出性能的影响现在
7、学习的是第9页，共38页三三.原理图原理图1.未加电压：未加电压：2.加电压后：加电压后：四四.电光与声光的比较电光与声光的比较1.调制晶体上加电压：调制晶体上加电压：2.泵浦源：泵浦源：MW；KW3.调制晶体：调制晶体：“波片波片”；“相位光栅相位光栅”现在学习的是第10页，共38页3.锁模原理锁模原理一一.自由运转激光器的输出特征自由运转激光器的输出特征1.若干个超过域值的纵模若干个超过域值的纵模.2.模的振幅及相位不固定。模的振幅及相位不固定。3.激光输出随着时间的变化是多个纵模无规则叠激光输出随着时间的变化是多个纵模无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。加的结果，是一种时间平均的统
8、计值。现在学习的是第11页，共38页2N+1个纵模个纵模 设设2N+1个个纵纵模模在在净净增增益益曲曲线线内内，激激光光器器输输出出的的光光波场是波场是2N+1个纵模电场之和。个纵模电场之和。(q=-N0,1,2N)瞬时光强：瞬时光强：现在学习的是第12页，共38页 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。平均光强平均光强：二二 锁模思路锁模思路使各个纵模相邻频率间隔相等并固定在使各个纵模相邻频率间隔相等并固定在 或或 ，即模间位相即模间位相锁定，实现窄脉宽，高峰值功率的激光输锁定，实现窄脉宽，高峰值功率的激光输出。出。现在学习的是第13页，共38页三三.锁模的理论锁模的理论1
9、.定义：定义：2.激光输出与锁定的关系激光输出与锁定的关系3.锁模特点锁模特点4.锁模方法锁模方法现在学习的是第14页，共38页1.定义定义采取适当的措施将激光器各模的相位采取适当的措施将激光器各模的相位按照按照 的关系锁定，出现输出的关系锁定，出现输出脉宽极窄、峰值功率极高的光脉冲，脉宽极窄、峰值功率极高的光脉冲，此技术为锁模技术。此技术为锁模技术。现在学习的是第15页，共38页2.激光输出与锁定的关系激光输出与锁定的关系设设：腔腔内内超超过过域域值值的的纵纵模模有有2N+1个个，均均具具有有相相同同的的振振幅幅E0，设设中中间间的的模模角角频频率率 ，初初位位相相为为0，即即序序数数q=0
10、。有：有：现在学习的是第16页，共38页 由由E(t)E(t)可知，可知，2 2N+1N+1个模经过锁定之后，总光强变为个模经过锁定之后，总光强变为频率为频率为 的调幅波。由于的调幅波。由于 ，光强受到光强受到调制。即激光输出脉冲时包括调制。即激光输出脉冲时包括2 2N+1N+1个纵模的光波。个纵模的光波。A(t)A(t)为周期函数，周期为周期函数，周期t=2L/ct=2L/c，恰好是一个光脉恰好是一个光脉冲在腔内往返一次所用的时间。冲在腔内往返一次所用的时间。设第设第q个振荡模为：个振荡模为：(1)激光器输出总光强为激光器输出总光强为2 2N+1N+1个纵模相干叠加：个纵模相干叠加：(2)式
11、中：式中：(3)现在学习的是第17页，共38页3.锁模特点锁模特点(1).锁模振荡是一个光脉冲在腔内来回传播锁模振荡是一个光脉冲在腔内来回传播(2).锁模后的激光输出是间隔为锁模后的激光输出是间隔为=2L/c=2L/c的规则脉冲的规则脉冲序列。序列。(3).(3).2N+1个模经锁模后的峰值功率个模经锁模后的峰值功率:(2)(1)得到：得到：自由运转激光器的平均功率：自由运转激光器的平均功率：约约（2N+1）倍倍(3)现在学习的是第18页，共38页4.锁模方法锁模方法(5)自自锁锁模模(fs)：是是依依靠靠激激光光器器自自身身的的激激活介质的非线性效应。活介质的非线性效应。主动锁模主动锁模(n
12、s)：采用的是周期性调制谐振采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。如电光调腔参量的方法。如电光调Q，声光调声光调Q，.被动锁模被动锁模(ps):是采用可饱和吸收体改是采用可饱和吸收体改变激光脉冲过程的方法。变激光脉冲过程的方法。主主+被动锁模被动锁模(ps)：在谐振腔内插入周在谐振腔内插入周期性调制元件和可饱和吸收体。期性调制元件和可饱和吸收体。同步泵浦锁模同步泵浦锁模(fs)：采用一台已经锁模的激采用一台已经锁模的激光器泵浦另一台激光器。光器泵浦另一台激光器。现在学习的是第19页，共38页四四.主动锁模主动锁模1.分类分类2.物理描述物理描述3 主动锁模激光器的结构主动锁模激光器的结构4 振幅
13、调制锁模振幅调制锁模5.相位调制锁模相位调制锁模现在学习的是第20页，共38页1.分类分类.相位调制（相位调制（PM）或频率调制（或频率调制（FM）锁模锁模.振幅调制（损耗调制）锁模振幅调制（损耗调制）锁模现在学习的是第21页，共38页2.物理描述物理描述在在谐谐振振腔腔内内插插入入一一调调制制器器，调调制制器器的的调调制制频频率率等等于于纵纵模模间间隔隔，以以获获得得重重复频率为复频率为f=c/2L的锁模脉冲序列。的锁模脉冲序列。现在学习的是第22页，共38页3 主动锁模激光器的结构主动锁模激光器的结构注意：注意：.调制器可以是电光晶体，也可以是声光，磁光等晶体调制调制器可以是电光晶体，也可
14、以是声光，磁光等晶体调制.各元件的端面切成布儒斯特角，避免出现子腔，形成多纵模。各元件的端面切成布儒斯特角，避免出现子腔，形成多纵模。.调调制制器器应应尽尽量量放放在在反反射射镜镜处处，以以便便得得到到最最大大的的纵纵模模间间耦耦合合输输出出。锁模调制器的频率锁模调制器的频率fm须严格调到纵模频率间隔。须严格调到纵模频率间隔。现在学习的是第23页，共38页4 振幅调制锁模振幅调制锁模(1)数学描述：数学描述：设调制信号：设调制信号：(1)在调制信号为零时，腔内损耗最小，而调制信号等于正负最在调制信号为零时，腔内损耗最小，而调制信号等于正负最大时，腔内损耗均为最大值。讨论驻波场，所以腔内损耗变大
15、时，腔内损耗均为最大值。讨论驻波场，所以腔内损耗变化的频率为调制信号频率的两倍。化的频率为调制信号频率的两倍。损耗率设为：损耗率设为：(2)调制器的透过率为调制器的透过率为(3)未加调制信号时，调制器的损耗未加调制信号时，调制器的损耗(4)透过率透过率:(5)（6）现在学习的是第24页，共38页未加调制前腔内的光场：未加调制前腔内的光场：(7)受调制后，腔内光场变为：受调制后，腔内光场变为：(8)(8)式中假设式中假设A Ac c=E=Ec c T T0 0为调制后光波的振幅，为调制后光波的振幅，为调制系数。为调制系数。由由(8)式，在频率域展开为：式，在频率域展开为：(9)结论结论:(1).
16、(1).在无失真下，频率为在无失真下，频率为 的光波，经调制后变为的光波，经调制后变为 的多频率光波。的多频率光波。(2).损耗率：损耗率：即第即第q个模的振荡中出现了其它个模的振荡中出现了其它模的振荡。模的振荡。现在学习的是第25页，共38页锁模物理图像锁模物理图像 现在学习的是第26页，共38页5.相位调制锁模相位调制锁模(1).物理描述：物理描述：调制器的折射率随着外加调制信号而调制器的折射率随着外加调制信号而周期性改变，此时光波通过调制晶体周期性改变，此时光波通过调制晶体时，就有了相位延迟。时，就有了相位延迟。(2).以以LN为例：为例：设光沿设光沿x方向传播，方向传播，沿沿z向加调制
17、信号：向加调制信号：(1)现在学习的是第27页，共38页五五.被动锁模被动锁模1.分类分类2.大致机理：大致机理：3.被动锁模激光器的结构被动锁模激光器的结构4.物理描述物理描述5.锁模脉冲的形成过程锁模脉冲的形成过程现在学习的是第28页，共38页1.分类分类.固体激光器的被动锁模固体激光器的被动锁模.染料激光器的被动锁模染料激光器的被动锁模现在学习的是第29页，共38页2.大致机理大致机理在在激激光光器器谐谐振振腔腔中中插插入入可可饱饱和和吸吸收收材材料料调调节节腔腔中中的的损损耗耗，当当满满足足锁锁模模条条件件时时，即可获得一系列的锁模脉冲。即可获得一系列的锁模脉冲。现在学习的是第30页，
18、共38页3.被动锁模激光器的结构被动锁模激光器的结构tuning deviseDye cellYAGDye materiallight filter现在学习的是第31页，共38页4.物理描述物理描述(1).燃料的可饱和吸收系数燃料的可饱和吸收系数(或透过率或透过率T)随入射随入射光强光强I的变化：的变化：*高强度的光能使染料吸收高强度的光能使染料吸收饱和；饱和；*Is为强弱信号的分界；为强弱信号的分界；*光脉冲每经过工作物质时，信光脉冲每经过工作物质时，信 号的强弱改变，极大和极号的强弱改变，极大和极小值之差越来越大，致使脉冲的前后沿不断削陡，脉冲小值之差越来越大，致使脉冲的前后沿不断削陡，脉
19、冲尖峰部分有效通过，使脉冲变窄。尖峰部分有效通过，使脉冲变窄。(2).频率域分析频率域分析*达到阈值所产生的激光振荡脉冲，经过可饱和吸收达到阈值所产生的激光振荡脉冲，经过可饱和吸收染料后只剩下高增益的中心波长及边频，染料后只剩下高增益的中心波长及边频，现在学习的是第32页，共38页5.锁模脉冲的形成过程锁模脉冲的形成过程初始的激光脉冲具有荧光带宽的光谱含量，脉冲总量很初始的激光脉冲具有荧光带宽的光谱含量，脉冲总量很大。光脉冲通过染料可饱和吸收体时，对强脉冲吸收少，大。光脉冲通过染料可饱和吸收体时，对强脉冲吸收少，对弱脉冲吸收大。光脉冲通过工作物质时，产生线性放对弱脉冲吸收大。光脉冲通过工作物质
20、时，产生线性放大，自然选模。大，自然选模。(1).现行放大阶段：现行放大阶段：激光强脉冲使饱和吸收体呈现非线性吸收，即吸收体激光强脉冲使饱和吸收体呈现非线性吸收，即吸收体对强脉冲透明，强脉冲经过工作物质后增强，弱脉冲对强脉冲透明，强脉冲经过工作物质后增强，弱脉冲经染料吸收体而抑制经染料吸收体而抑制(2).非线性吸收阶段：非线性吸收阶段：(3).非线性放大阶段：非线性放大阶段：由于粒子反转数的消耗，使得强激光脉冲经过激光物质时，前言由于粒子反转数的消耗，使得强激光脉冲经过激光物质时，前言和中心部分得到放大，后沿得不到放大，再当脉冲通过饱和吸收和中心部分得到放大，后沿得不到放大，再当脉冲通过饱和吸
21、收体时，后沿被吸收，脉冲变窄。体时，后沿被吸收，脉冲变窄。现在学习的是第33页，共38页六六.同步泵浦同步泵浦采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器，通过调制腔采用一台锁模激光器脉冲序列泵浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模。内增益的方法获得锁模。1.定义：定义：被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍；增益受到调制，调制周期等于光在谐等或是它的整数倍；增益受到调制，调制周期等于光在谐振腔的循环周期。振腔的循环周期。2.关键：关键：a.增益阶段；增益阶段；b.脉冲压缩阶段脉冲压缩阶段3.原理：原理：4.例
22、子：例子：现在学习的是第34页，共38页七七.自锁模自锁模 是利用激活介质本身的非线性效应实现锁模，称之为自锁模。是利用激活介质本身的非线性效应实现锁模，称之为自锁模。1.定义：定义：2.发展状况：发展状况：60-70年代：在年代：在He-Ne,Cu蒸汽蒸汽,YAG激光器中已观察到自锁模现象，但脉冲序激光器中已观察到自锁模现象，但脉冲序列不能自维持。直到列不能自维持。直到90年代：自锁模稳定运转在掺钛蓝宝石连续激光器中年代：自锁模稳定运转在掺钛蓝宝石连续激光器中获得成功；脉冲宽度为：获得成功；脉冲宽度为：6fs 4.7fs。3.原理：原理：属于被动锁模；腔内有这样的锁模器件，能从噪声中选取强度
23、大的脉冲作为脉属于被动锁模；腔内有这样的锁模器件，能从噪声中选取强度大的脉冲作为脉冲序列的种子；如掺钛蓝宝石介质具有非线性效应。冲序列的种子；如掺钛蓝宝石介质具有非线性效应。4.自锁模形成过程：自锁模形成过程：初始脉冲的形成；稳定脉冲的形成初始脉冲的形成；稳定脉冲的形成.5.采用的方法：采用的方法：轻击平台或腔镜；声光调制器；可饱和吸收体；量子阱反射器。轻击平台或腔镜；声光调制器；可饱和吸收体；量子阱反射器。现在学习的是第35页，共38页4.压缩技术压缩技术一一.啁啾效应：啁啾效应：脉冲包络的不同部位具有不同的瞬时频率，脉冲包络的不同部位具有不同的瞬时频率，此称为。此称为。1.定义：定义：2.
24、数学描述：数学描述：折射率的非线性效应（折射率的非线性效应（)(1)(2)(3)(4)(5)(6)正啁啾效应正啁啾效应负啁啾效应负啁啾效应现在学习的是第36页，共38页二二.色散效应色散效应1.定义：当超短脉冲通过激光工作物质时，引定义：当超短脉冲通过激光工作物质时，引起的折射率随波长的二阶或多阶变换率，此即起的折射率随波长的二阶或多阶变换率，此即为。为。2.数学公式：数学公式：（二阶（二阶GVD）3.物理描述：物理描述：超短脉冲在色散介质中传播时，由于各超短脉冲在色散介质中传播时，由于各部位传播速度不同，引起脉冲展宽。部位传播速度不同，引起脉冲展宽。4.压缩方法：光纤压缩方法：光纤-光栅对法
25、；插入负色散元件光栅对法；插入负色散元件（衍射光栅，棱镜（衍射光栅，棱镜）现在学习的是第37页，共38页5.超短脉冲的测量技术超短脉冲的测量技术一一.测量方法分类测量方法分类1.直接测量法直接测量法 2.相关测量法（间接测量法）相关测量法（间接测量法）二二.测量方法物理描述测量方法物理描述1.直接测量法直接测量法.用快速光电探测器和高相应时间的宽频带示波器直接观察用快速光电探测器和高相应时间的宽频带示波器直接观察（如（如500MHz,1GHz.).条纹照相法条纹照相法:利用条纹照相机直接观察脉冲波形。利用条纹照相机直接观察脉冲波形。2.相关测量法相关测量法.双光子荧光法双光子荧光法.二次谐波法二次谐波法现在学习的是第38页，共38页