1、調(diào)Q技術(shù) 最早出現(xiàn)在1962年 抑制普通脈沖激光器輸出的馳豫振蕩 輸出巨脈沖：高峰值功率的窄脈沖 產(chǎn)生非線(xiàn)性光學(xué)分支 推動(dòng)激光雷達(dá)、激光測(cè)距、高速攝影、核聚變等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展 激光熱核反應(yīng)激光同位素分離精密測(cè)量等,脈寬ns量級(jí) 峰值功率106W以上,需要寬度更窄的脈沖（10-1510-12s），怎么辦？ 鎖模，可獲得超短脈沖。,問(wèn)題1：一般多模激光器的輸出特性是怎樣的？,7.6 鎖模 (Mode Locking)超短脈沖( ps-fs )技術(shù),已知：腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的諧振腔中每個(gè)縱模的電矢量為：,則相鄰縱模間的頻率間隔和位相差為：,多模,頻率不同、位相差不恒定的光疊加的結(jié)果是怎樣的？,各縱模建立時(shí)間不

2、同，Eq, wq, jq不同，輸出為多個(gè)縱模無(wú)規(guī)疊加的結(jié)果。,總輻射場(chǎng)為：,問(wèn)題2：鎖模是什么意思？ 多縱模相位鎖定,即采取措施使腔內(nèi)各個(gè)縱模的初始相位保持一致或各縱模間有確定的相位關(guān)系。,舉例: 三個(gè)縱模鎖定后的光波疊加,n1 , n2 , n3 n2 = 2n1, n3 = 3n1 E1 = E2 = E3 = E0 , j1 = j2 = j3 = 0,（振幅相等）,（初始相位為0）,這樣做有什么好處？,極大值,極大值,極小值,極小值,其周期應(yīng)為多少？,即每間隔 有一個(gè)鎖模脈沖輸出,當(dāng)三個(gè)縱模有相同的初相位，且它們的頻率都是某一數(shù)值的整數(shù)倍時(shí)，疊加后得到的周期性脈沖的幅度近似為原來(lái)的3倍

3、。,表明：鎖模脈沖的周期T等于光在腔內(nèi)來(lái)回 一次所需的時(shí)間。所以我們可以把鎖模激光器的工作過(guò)程看作有一個(gè)脈沖在腔內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)，每當(dāng)此脈沖行進(jìn)到輸出反射鏡時(shí)，便有一個(gè)鎖模脈沖輸出。,結(jié)論：,問(wèn)題：若腔中有 2N+1 個(gè)振幅相同、相位差恒定、相鄰縱模角頻率間隔相等的模, 其輸出是不是也有此規(guī)律？,討論: 假設(shè) 2N+1 個(gè)模, 振幅皆為E0,相鄰縱模間相位差,相鄰縱模角頻率間隔,鎖定時(shí),.,.,.,.,按指數(shù)形式展開(kāi)，再用三角函數(shù)表示,振幅調(diào)制包絡(luò),可得：,利用三角函數(shù)關(guān)系：,振幅：,總的光場(chǎng)變?yōu)轭l率為0 的調(diào)幅波。 振幅(t)是一隨時(shí)間變化的周期函數(shù)。,光強(qiáng)(t)正比于(t) ，也是時(shí)間的函數(shù)，光

4、強(qiáng)受到調(diào)制。,由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化情況，即可了解輸出激光的特性。,為討論方便，假定= 0，則,左式分子、分母均為周期函數(shù)，因此A(t)也是周期函數(shù)。只要得到它的周期、零點(diǎn)，即可以得到A(t)的變化規(guī)律。,在t=0和t=2L/c時(shí)， A(t)取得極大值。 因A(t)分子、分母同時(shí)為零，利用羅彼塔法則可求得此時(shí)振幅為(2N+1)E0，,因?yàn)?所以，周期,頻率間隔=c/2L,極值點(diǎn) 等 ,由于光強(qiáng)正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c時(shí)的極大值，稱(chēng)為主脈沖。 在兩個(gè)相鄰主脈沖之間，共有2N個(gè)零點(diǎn)，并有2N-1個(gè)次極大值，稱(chēng)為次脈沖。 所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個(gè)光脈沖

5、在腔內(nèi)來(lái)回傳播。 圖3.1-3給出了7(N=3)個(gè)振蕩模的輸出光強(qiáng)曲線(xiàn)。,鎖模后脈沖峰值功率是未鎖模時(shí)的2N+1倍!,分析可知：,(1)輸出脈沖的峰值功率正比于 ，未鎖定時(shí)，各模式是不相干的，輸出功率為各模功率之和，所以峰值功率正比于,振蕩模式增多的途徑： Lq N F（熒光線(xiàn)寬寬）,(2)模式個(gè)數(shù)多有利于鎖模脈沖峰值功率的提高。,(3)激光器的輸出是間隔（周期）為T(mén)=2L/c的規(guī)則脈沖序列。,(4)脈沖寬度的近似值：,可見(jiàn)其與縱模頻率間隔成反比；注意到調(diào)Q激光器脈寬最窄為2L/c，其比調(diào)Q脈寬還要窄2N+1倍。,t=to=0時(shí)，A(t)有極大值， 而分子(1/2) (2N+1) t1= 時(shí)，

6、A(t)=0, 令 t=t1-t0 并近似為半峰值寬， 則有：,(5)多模(0+q )激光器相位鎖定的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了q+1 - q=常數(shù)，導(dǎo)致輸出一個(gè)峰值功率高，脈沖寬度窄的序列脈沖。因此多縱模激光器鎖模后，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨(dú)立。每個(gè)模的功率應(yīng)看成是所有振蕩模提供的。,可見(jiàn)：鎖模即采取措施強(qiáng)制各縱模相位保持確定的關(guān)系，并使相鄰縱模頻率間隔相等，以獲得峰值功率比調(diào)Q高(2N+1)倍，而脈寬比調(diào)Q窄（2N+1）倍的巨脈沖的方法。,鎖模方法,主動(dòng)鎖模 被動(dòng)鎖模 自鎖模 同步泵浦鎖模,問(wèn)題4：怎樣才能實(shí)現(xiàn)鎖模呢？,是在激光諧振腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，周期性地調(diào)制振蕩模式的某個(gè)參量而實(shí)現(xiàn)鎖模的方法。

7、 根據(jù)調(diào)制的原理可分為： 振幅調(diào)制 相位調(diào)制,1、主動(dòng)鎖模,(1) 振幅調(diào)制(AM)法鎖模 （損耗調(diào)制鎖模）,振幅調(diào)制鎖模是通過(guò)調(diào)整激光工作物質(zhì)的增益或腔內(nèi)損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模。利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。,且 的這部分光信號(hào)將受到損耗而最后消失。 的光信號(hào)，將在腔內(nèi)往返通過(guò)激光工作物質(zhì)不斷得到放大，形成脈寬 很窄，周期為2L/c 的脈沖序列輸出。,從時(shí)域角度分析,圖(b)為調(diào)制信號(hào)調(diào)制的腔內(nèi)損耗：,圖(c)為調(diào)制器的透過(guò)率,圖(d)為調(diào)制前腔內(nèi)光場(chǎng),圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的光波電場(chǎng)；,圖(f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。,從頻域角度分析,設(shè)調(diào)制的腔內(nèi)損耗：,調(diào)制器的透過(guò)率,調(diào)制前腔內(nèi)

8、光場(chǎng),調(diào)制后的光波電場(chǎng)：,上式說(shuō)明： 頻率為0的光波，經(jīng)過(guò)頻率為（1/2）m的信號(hào)調(diào)制后，其頻譜包括了三個(gè)頻率，即0 ，上邊頻(0 + m)，下邊頻(0 m) ，而且這三個(gè)頻率的光波的相位0均相同。 若 m /2q （相鄰縱模的頻率間隔） 令,所以,而后 ，1和-1通過(guò)增益介質(zhì)被放大，并通過(guò)調(diào)制器得到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻2= 1+ c/2L和-2= -1- c/2L ，3= 2+ c/2L和-3 = -2- c/2L等等。此過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直到落在激光增益線(xiàn)寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止，如下圖所示。,振幅調(diào)制鎖模激光器結(jié)構(gòu),振幅調(diào)制器類(lèi)型 聲光調(diào)制器 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制對(duì)比度高、功耗低和熱穩(wěn)定性好

9、 分類(lèi)：Bragg 衍射和Ramma-Nath衍射 電光調(diào)制器,與調(diào)Q激光器 的區(qū)別是什么？,對(duì)腔內(nèi)光學(xué)元件及調(diào)制器的要求比調(diào)Q嚴(yán)格 端面反射必須控制在最小，否則標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)將破壞鎖模效果 調(diào)制器應(yīng)盡量放置在靠近反射鏡處，以便得到最大的縱模耦合效果，調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小 調(diào)制器頻率必須嚴(yán)格等于縱模間隔，否則會(huì)使激光器工作越出鎖模區(qū)，而進(jìn)入猝滅區(qū)或調(diào)頻區(qū)，從而破壞鎖模。,對(duì)鎖模激光器的要求 腔長(zhǎng)L必須穩(wěn)定，以保證縱模間隔穩(wěn)定 穩(wěn)定腔長(zhǎng)的措施： 防震 隔熱 設(shè)計(jì)穩(wěn)定腔 采用電子反饋系統(tǒng)監(jiān)測(cè)腔長(zhǎng)的變化并予以補(bǔ)償,(2)相位(頻率)調(diào)制模鎖(以L(fǎng)N晶體電光鎖模為例),概念,使用電光晶體折射率隨

10、外加電壓的變化對(duì)激光進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制頻率為v=c/2L時(shí)，可以獲重復(fù)頻率也為v的激光脈沖系列。,裝置,d,LN的電光張量,設(shè)電光晶體中在x方向的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則激光通過(guò)晶體后產(chǎn)生的相位延遲 為,可忽略，見(jiàn)書(shū)上 第200頁(yè)數(shù)據(jù)表,時(shí)域角度分析,自然雙折射所致，為常數(shù),光的頻移,調(diào)相即調(diào)頻,U(t)：驅(qū)動(dòng)電光器件的調(diào)制電壓波形 (t)：相位延遲波形,I(t)：鎖模激光輸出波形,(t)：光的頻移波形,調(diào)制曲線(xiàn),相位調(diào)制器的作用可理解為一種頻移。脈沖每經(jīng)過(guò)調(diào)制器一次，就發(fā)生一次(向大或小的方向)頻移，最后移出增益曲線(xiàn)而熄滅。 只有那些與相位延遲極值點(diǎn)(極大或極小)相對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)頻率不發(fā)生移動(dòng)，才能在腔內(nèi)保存下來(lái)，不斷得到放大，從而形成周期為2L/c的脈沖序列,從圖中可見(jiàn)，每個(gè)周期內(nèi)存在兩個(gè)頻率不變點(diǎn)，這增加了鎖模脈沖位置的相位不穩(wěn)定性。由于兩種可能情況間相位差為 ，故又稱(chēng)為1800自發(fā)相位開(kāi)關(guān)。鎖模激光器在不采取必要措施時(shí)，其輸出脈沖可從一列自發(fā)跳變?yōu)榱硪涣小?為避免這種躍變，辦法是將原有調(diào)制信號(hào)及其倍頻信號(hào)同時(shí)施于電光調(diào)制晶體，造成相位調(diào)制函數(shù)的不對(duì)稱(chēng)性，從而使一列脈沖優(yōu)先運(yùn)行。,2、被動(dòng)鎖模,被動(dòng)鎖模裝置很簡(jiǎn)單，只需在腔內(nèi)插入一個(gè)裝有飽和吸收染料的“盒”即可。 原理：利用可飽和染料的吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降的特點(diǎn)。較強(qiáng)的光通過(guò)染料，被吸收的