《激光锁模技术激光原理ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光锁模技术激光原理ppt课件.ppt（34页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、调调Q 技术：调技术：调Q激光脉宽激光脉宽百百ns-ns量级，量级，峰值功率峰值功率 W 锁模技术：锁模激光脉宽锁模技术：锁模激光脉宽ps或或fs量级，量级，峰值功率峰值功率 W目的：目的：压缩脉冲宽度压缩脉冲宽度,高峰值功率高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级量级,如果再压缩脉宽如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力开关激光器已经无能为力,但但有很多实际应用需要更窄的脉冲有很多实际应用需要更窄的脉冲.（1964年后发展了锁模年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到技术，可将脉冲压缩到10-1110-14s（ps）量级量级）应用：应用：1.激光测距，为了
2、提高测距的精度，则脉宽越窄越好。激光测距，为了提高测距的精度，则脉宽越窄越好。2.激光高速摄影。为了拍照高速运动的物体，提高照片的清激光高速摄影。为了拍照高速运动的物体，提高照片的清晰度，也要压缩脉宽。晰度，也要压缩脉宽。3.对一些超快过程的研究，激光核聚变、激光光谱、荧光寿对一些超快过程的研究，激光核聚变、激光光谱、荧光寿命的测定、非线性光学的研究等需窄的脉宽命的测定、非线性光学的研究等需窄的脉宽(掺钛蓝宝石自掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列的超短光脉冲序列)。4.7 4.7 激光激光锁模技术锁模技术4.7.1 4.7.1 锁模原理锁模原理一、多模激
3、光器的输出特性一、多模激光器的输出特性 自由运转激光器的输出一自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，般包含若干个超过阀值的纵模，如图所示。这些模的振幅及相如图所示。这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。果，是一种时间平均的统计值。假设在激光工作物质的净假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有增益线宽内包含有N个纵模，个纵模，每个纵模输出的电场分量可用每个纵模输出的电场分量可用下式表示下式表示:那么激光器输出的光波电场那么激光器输出的光波电场是是N个纵模电场的和，即个纵模电场的
4、和，即 Eq、q、q为第为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅Eq、初位、初位q均无确定关系均无确定关系,各个模式互不相干各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出输出强度随时间无规则起伏。强度随时间无规则起伏。假设有三个光波，频率分别为假设有三个光波，频率分别为v1 v2 和和 v3，沿相同方向传播，并且有如下沿相同方向传播，并且有如下关系：关系：，在未锁定时，初相彼此无关。，在未锁定时，初相彼此无关。由于由于“相消相消”的干涉，形成的光波的干涉，形成的光波没有一个地方有突出的加强，输出
5、没有一个地方有突出的加强，输出的光强只在平均光强级基础上有一的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。个小的起伏扰动。如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如1=2=3，即按关系即按关系 锁定，锁定，此时此时三个光波的方程为三个光波的方程为当当t=0时时当当 时时由于由于“相长相长”的干涉叠加，的干涉叠加，形成的光波就周期性地出现形成的光波就周期性地出现极大值。极大值。图图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模非锁模,（b)理想锁模理想锁模二、锁模的基本原理二、锁模的基本原理1.锁模基本概念
6、锁模基本概念 锁模技术锁模技术让让谐振腔中可能存在的纵模谐振腔中可能存在的纵模同步同步振荡：让各模的频率间隔振荡：让各模的频率间隔保持保持相等相等并使各模的并使各模的初位相初位相保持为保持为常数常数。2.输出光强输出光强(1)(1)定义处于增益曲线中心频率的纵模定义处于增益曲线中心频率的纵模 q0，设腔内参与振荡的模式，设腔内参与振荡的模式q=-N,-(N-1)0(N-1),N，共，共2N1个个常数常数 它们的初位相始终相等它们的初位相始终相等,并有并有q=q-1=0。(2)(2)假设各模振幅相等假设各模振幅相等 ,光强相等光强相等 I Iq q=I=Iq-1 q-1=I=I0 0激光器输出在
7、时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。(2)(2)假设各模振幅相等假设各模振幅相等 ,光强相等光强相等 I Iq q=I=Iq-1 q-1=I=I0 0则激光器输出的总光波场是则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干的结果个纵模相干的结果.则第则第q个模式的电场强度为个模式的电场强度为(2N+1)个模式合成之电场强度个模式合成之电场强度Eq=E0,q=q-1=0 按指数形式展开，再用三角函数按指数形式展开，再用三角函数可得：可得：振幅随时振幅随时间而变化间而变化输出光强输出光强光强随时间光强随时间而变化而变化例例:下图为下图为(2N+1)=7时时I(t
8、)随时间变化的示意图。随时间变化的示意图。T由上面分析可知，只要知道振幅由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输出的变化规律，即可了解输出激光的持性。激光的持性。找出它的周期、极值点、找出它的周期、极值点、0点点。A(t)的变化规律：的变化规律：1.当分子为当分子为0，分母不为，分母不为0，则是，则是 A(t)的的0 点点:所以 t=0 ,是 A(t)的0 点.2.分母为分母为0 的的 点点:3.3.因因A A(t t)的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值的最大值,在两个在两个最大值之间有最大值之间有2N
9、个极小值个极小值.三、锁模激光器工作特性三、锁模激光器工作特性1.输出脉冲的峰值输出脉冲的峰值(最大光强最大光强)注意：注意：如果各模式相位未被锁定如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之输出功率为各模功率之和和,即即I(2N+1)E02。由此可见。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。倍。腔长越长腔长越长,荧光线宽越大荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越锁模脉冲的峰值功率就越大。大。2.周期周期 (T)相邻脉冲峰值间的时间间隔相邻脉冲峰值间的时间
10、间隔 激光器的输出是脉冲间隔激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。固定的规则脉冲序列。2L/c 光在腔内往返一次的时间光在腔内往返一次的时间,等于在腔内只有一个脉冲在振荡等于在腔内只有一个脉冲在振荡锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9)t=0和和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在时的极大值，称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间，共有两个相邻主脉冲之间，共有2N个零点。所个零点。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲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。在腔内来回传播。3.脉冲的宽度脉冲的宽
11、度()(光脉冲持续时间的一半光脉冲持续时间的一半)按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似近似用极大值用极大值和和0点之间的时间来表示。点之间的时间来表示。所以所以t=0 为为极大值极大值 ,第一个第一个0点点:在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出的脉宽最小为2L/c，而锁模激光器脉宽，比它窄2N1倍。被锁定的纵模数越多(2N1)脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于,因而可以认为脉冲宽度因而可以认为脉冲宽度等于等于。上式中。上式中v为锁模激光的带宽为锁模激光的带宽,它显然不可能超过工作
12、物质它显然不可能超过工作物质的增益带宽的增益带宽,这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱线宽度较小线宽度较小,其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度较大较大,在适当的条件下可得到脉冲宽度为在适当的条件下可得到脉冲宽度为1010-12-12s s量级的皮秒脉冲。量级的皮秒脉冲。特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽达252535nm,35nm,其锁模脉冲宽度可达其锁模脉冲宽度可达1010-13-13s s。4.7.2 4.7.2 主动主动锁模锁模 在一般激光器中在一般激
13、光器中,各纵模振荡互不相关各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确定的关系。并且各纵模相位没有确定的关系。并且,由于频率牵引和频率推斥效应由于频率牵引和频率推斥效应,相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到锁模超短脉冲到锁模超短脉冲,须采取措施须采取措施强制强制各纵模初位相保持确定关系各纵模初位相保持确定关系,并使相邻模频率间并使相邻模频率间隔相等。目前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类。隔相等。目前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类。一、主动式锁模一、主动式锁模1、定义、定义 在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的
14、某在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的某个参量而实现锁模的方法个参量而实现锁模的方法图(4-31)锁模调制示意图2、振幅、振幅(损耗损耗)内调制锁模：声光锁模内调制锁模：声光锁模(1)概念概念使用声光调制器调制谐振腔损耗，损耗的调制频率为使用声光调制器调制谐振腔损耗，损耗的调制频率为vm=c/2L时时,损耗调制周期损耗调制周期为为Tm=2/=2L/c，可获重复频率也为，可获重复频率也为vm的激光脉冲系列的激光脉冲系列 设光信号在设光信号在t1时刻通过调制器时刻通过调制器,并且并且(t1)=0,则在则在(t1+Tm)时刻此信号将再次无损时刻此信号将再次无损地通过调制器。对于
15、地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而言时刻通过调制器的光信号而言,若若(t2)0,则每次经过调制器则每次经过调制器时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信号能形成振荡光信号能形成振荡,而光信号的其余部分因损耗大而被抑制而光信号的其余部分因损耗大而被抑制,因此形成周期为因此形成周期为2L/c的窄脉冲输出。的窄脉冲输出。腔内各个纵模中的某些光子，如果是在调制器损耗为零时腔内各个纵模中的某些光子，如果是在调制器损耗为零时通过，则在腔内往返一周后，所受到的损耗仍然为零。只通过，则在腔内往返
16、一周后，所受到的损耗仍然为零。只有通过调制器时损有通过调制器时损 耗为零的光，才能不断地被放大而增长耗为零的光，才能不断地被放大而增长起来，如此得到周期为起来，如此得到周期为T T的窄脉冲输出的窄脉冲输出激光介质激光介质声光器件声光器件全反镜全反镜输出镜输出镜激光激光(2)装置装置(3)时域原理时域原理外加电调制信号外加电调制信号U0:调制电压幅度，调制电压幅度，腔损耗率腔损耗率 o:腔平均损耗率腔平均损耗率,:损耗率变化幅度损耗率变化幅度,vn:损耗频率损耗频率调制电信号为零时，损耗最小，调制电信号为极值时，调制电信号为零时，损耗最小，调制电信号为极值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍
17、损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍调制器透过率调制器透过率To:平均透过率，平均透过率，T：透过率变化的幅度透过率变化的幅度损耗最小时透过率最大，损耗最大时透过率最小损耗最小时透过率最大，损耗最大时透过率最小透过率最大时，透过率最大时，输出光脉冲输出光脉冲U(t):驱动声光器件的驱动声光器件的外加调制电信号外加调制电信号(t):腔损耗率腔损耗率T(t):调制器透过率调制器透过率I(t):锁模激光输出波形锁模激光输出波形(4)调制曲线调制曲线tU(t)(t)T(t)tttI(t)0T0 T(5)频域原理频域原理增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为E0
18、:光场振幅，光场振幅，0:频率频率声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场为声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场为:调幅系数调幅系数,A=E0T0:调制后的光场振幅调制后的光场振幅 v0v0+vm v0-vm 调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有角频率调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有角频率v0的成分的成分,还含有角频率为还含有角频率为(v0vm),),初位相不变的两个边带初位相不变的两个边带,其频谱如图所示。其频谱如图所示。因调制频率因调制频率vm正好等于相邻两纵模频率。这就是说正好等于相邻两纵模频率。这就是说,在激光器中在激光器中,一旦在增益曲线的某个角频率一旦在增益曲线的某个角频率
19、v0 形成振荡形成振荡,将同时激起两个相邻模式将同时激起两个相邻模式的振荡。并且的振荡。并且,这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新的边频这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新的边频,因因而激起角频率为而激起角频率为(v02vm)模式的振荡模式的振荡,如此继续下去如此继续下去,直至线宽范围内直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止。的纵模均被耦合而产生振荡为止。3、相位、相位(频率频率)调制模锁调制模锁:电光锁模电光锁模(1)概念概念使用电光晶体折射率随外加电压的变化对激光进使用电光晶体折射率随外加电压的变化对激光进行相位调制，调制频率为行相位调制，调制频率为vm=c/2L时，可以获重时，可以获
20、重复频率也为复频率也为vm的激光脉冲系列的激光脉冲系列激光介质激光介质 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜起偏镜起偏镜检偏镜检偏镜LNxzy Uz(2)装置装置(3)时域原理时域原理外加电调制信号外加电调制信号电光晶体中的电场电光晶体中的电场U0:调制电压幅度调制电压幅度,vm:调制频率调制频率d:晶体沿电场方向的长度晶体沿电场方向的长度折射率变化量折射率变化量 33:LN晶体有效电光系数晶体有效电光系数相移相移l:晶体沿通光方向的长度晶体沿通光方向的长度光光的的频频移为移为相位相位相移相移频移频移频频移为零时，光信号可输出形成光脉冲，频移为零时，光信号可输出形成光脉冲，频移不为零时，光信号经频
21、移积累，移出增益曲移不为零时，光信号经频移积累，移出增益曲线而熄灭线而熄灭证证存在两组无关的脉冲系列，对应于相移波形的存在两组无关的脉冲系列，对应于相移波形的极大值与极小值，随机输出其中任意一组极大值与极小值，随机输出其中任意一组tU(t),n(t),(t)tI(t)t(t)U(t):驱动电光器件的驱动电光器件的调制电信号调制电信号 n(t)、(t):电光效电光效应引起折射率变化应引起折射率变化和相移的波形和相移的波形I(t):锁模激光输出波形锁模激光输出波形(t):光的频移波形光的频移波形(4)调制曲线调制曲线(5)频域原理频域原理增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为增益曲线中心频率处的
22、纵模首先起振，光场为E0:光场振幅，光场振幅，v0:频率频率电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场为电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场为:调相系数调相系数位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。4.7.34.7.3被动被动锁模锁模激光介质激光介质染料盒染料盒 全反镜全反镜输出镜输出镜激光激光 被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的染料的“盒盒”即可即可 ;原理：原理：当某些纵模偶然得到相干加强时，出现光场较强的部当某些纵模偶然得到相干加强时，出现光
23、场较强的部分，其他部分则较弱。这些较强的部分通过染料，被吸收分，其他部分则较弱。这些较强的部分通过染料，被吸收的少，损耗不大；较弱的部分通过染料，被吸收的多，反的少，损耗不大；较弱的部分通过染料，被吸收的多，反而更被减弱。最终造成这些强处（纵模相干叠加处）以窄而更被减弱。最终造成这些强处（纵模相干叠加处）以窄脉冲的形式被选出来。脉冲的形式被选出来。激光介质激光介质染料盒染料盒 全反镜全反镜输出镜输出镜激光激光1、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸多光脉、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸多光脉冲进行线性放大冲进行线性放大2、非线性吸收：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉、非线性吸收
24、：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉冲被吸收冲被吸收3、非线性放大：工作物质对留下的强脉冲进行非线性放、非线性放大：工作物质对留下的强脉冲进行非线性放大，使脉宽被压缩大，使脉宽被压缩tPtPtPtPtP线性线性放大放大 非线性非线性 吸收吸收 非线性非线性 吸收吸收 非线性非线性 放大放大 染料必须具备以下几个条件：染料必须具备以下几个条件：染料的吸收线应和激光波长很接近；染料的吸收线应和激光波长很接近；吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动调的时间，否则就成为被动调Q Q激
25、光器了。激光器了。信息（信息（2004）：）：中中科科院院上上海海光光学学精精密密机机械械研研究究所所在在其其建建所所40周周年年之之际际宣宣布布：上上海海小小型型化化超超短短超超强强激激光光功功率率成成功功突突破破100太太瓦瓦（1太太瓦瓦1012瓦瓦）大大关关，输输出出峰峰值值功功率率达达到到120太太瓦瓦/36飞飞秒秒，这这标标志志着着上上海海在在这这一一领领域域已已进进入入了了国国际际同同类类研研究究的的前前沿沿，目目前前，国国际际上上只只有有少少数数发发达达国国家家的的著著名名实实验验钛钛宝宝石石激激光光装装置置输输出出功功率率超超过过100太瓦。太瓦。在在1000万亿分之万亿分之3
26、6秒（秒（3610-15秒）的超短瞬间，秒）的超短瞬间，上海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网发电上海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。总和数十倍的强大功率。超短超强激光所能提供极端物理条件，自然界超短超强激光所能提供极端物理条件，自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。上海光机所在实验室用人工手段获得这一极端条在。上海光机所在实验室用人工手段获得这一极端条件，为物理学、材料学、生命科学等众多学科的研究件，为物理学、材料学、生命科学等众多学科的研究打开了一扇打开了一扇“具有美丽风景的窗户具有美丽风景的窗
27、户”。超短超强激光及其相关技术有望使细胞手术成超短超强激光及其相关技术有望使细胞手术成为可能，不久的将来，医生也许只要在人的细胞核上为可能，不久的将来，医生也许只要在人的细胞核上打个小洞就能进行手术，对周围组织的影响降至为零，打个小洞就能进行手术，对周围组织的影响降至为零，使手术创口更小、时间更短、风险更低。这种激光技使手术创口更小、时间更短、风险更低。这种激光技术在材料的切割、粉碎等加工方面也会术在材料的切割、粉碎等加工方面也会“指哪打哪指哪打哪”，损耗更微。，损耗更微。超超短短超超强强激激光光为为众众多多学学科科的的重重大大突突破破提提供供了了崭崭新新的的实实验验手手段段，科科学学家家可可
28、以以在在全全新新状状态态下下，研研究究各各种物质的行为、现象和规律。种物质的行为、现象和规律。判判断断超超强强超超短短激激光光系系统统的的性性能能有有两两个个重重要要技技术术指标：一是时间尺度，二是输出功率。指标：一是时间尺度，二是输出功率。美国德克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光，这美国德克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光，这种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的2000倍，输倍，输出功率超过出功率超过1 皮瓦皮瓦相当于相当于10的的15次方瓦。激光的输出功率由激光脉冲次方瓦。激光的
29、输出功率由激光脉冲的能量的能量(单位为焦耳单位为焦耳)和持续时间和持续时间(单位为秒单位为秒)决定。为了获得更高的输出功率，决定。为了获得更高的输出功率，你可以提高脉冲能量或者将同等能量置于持续时间更短的脉冲，当然了，你你可以提高脉冲能量或者将同等能量置于持续时间更短的脉冲，当然了，你也可以采取也可以采取“双管齐下双管齐下”的方式。但问题是，提高能量意味着更难于获得短的方式。但问题是，提高能量意味着更难于获得短脉冲。为了解决这个问题，科学家需要在一个脉冲。为了解决这个问题，科学家需要在一个1500平方英尺的净室内操作平方英尺的净室内操作一套颇有点一套颇有点“杀鸡用牛刀杀鸡用牛刀”的装置。的装置。