第四章激光Q開關(guān)及鎖模技術(shù)

1、1 光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)基礎(chǔ) 授課班級(jí)授課班級(jí): 1006211: 1006211、10062211006221、20062312006231、 10061311006131 授課教師授課教師: : 左青卉左青卉 2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 第四章：激光第四章：激光Q開關(guān)及鎖模技術(shù)開關(guān)及鎖模技術(shù) 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 1 1 電光電光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 2 2 聲光聲光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 3 3 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 4 4 3 主要知識(shí)要點(diǎn)主要知識(shí)要點(diǎn) q脈沖激光器工作原理脈沖激光器工作原理 qQ調(diào)制技術(shù)原理調(diào)制技術(shù)原理 qQ調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 激光

2、激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 4 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 按激光器運(yùn)轉(zhuǎn)方式按激光器運(yùn)轉(zhuǎn)方式 連續(xù)激光器連續(xù)激光器 脈沖激光器脈沖激光器 連續(xù)激光器連續(xù)激光器 長(zhǎng)脈沖激光器長(zhǎng)脈沖激光器 : 0 t: s 激勵(lì)持續(xù)時(shí)間激勵(lì)持續(xù)時(shí)間激光上能級(jí)壽命激光上能級(jí)壽命 s t 0 s t 0 5 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 連續(xù)激光器連續(xù)激光器 脈沖激光器脈沖激光器 以連續(xù)光源激勵(lì)的固體激光器和以連續(xù)電激勵(lì)方式工作的氣體激光以連續(xù)光源激勵(lì)的固體激光器和以連續(xù)電激勵(lì)方式工作的氣體激光 器和半導(dǎo)體激光器均屬于此類。連續(xù)激光器輸出功率一般比較低，器和半導(dǎo)體激光器均屬于此類。連續(xù)激

3、光器輸出功率一般比較低， 適合于要求激光連續(xù)工作（激光通信、激光手術(shù)燈）場(chǎng)合。適合于要求激光連續(xù)工作（激光通信、激光手術(shù)燈）場(chǎng)合。 長(zhǎng)脈沖激光器長(zhǎng)脈沖激光器 泵浦功率有很短時(shí)間間隔的關(guān)斷以減小熱影響。泵浦功率有很短時(shí)間間隔的關(guān)斷以減小熱影響。 具有較大的輸出功率，適用于激光打標(biāo)、切割、測(cè)距等。常見的脈具有較大的輸出功率，適用于激光打標(biāo)、切割、測(cè)距等。常見的脈 沖激光器有釔鋁石榴石激光器、紅寶石激光器、釹玻璃激光器、氮沖激光器有釔鋁石榴石激光器、紅寶石激光器、釹玻璃激光器、氮 分子激光器和準(zhǔn)分子激光器等。分子激光器和準(zhǔn)分子激光器等。 6 脈沖激光器工作原理脈沖激光器工作原理 q脈沖激光器中，在泵

4、浦激勵(lì)過程中，當(dāng)工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密脈沖激光器中，在泵浦激勵(lì)過程中，當(dāng)工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密 度度 n 增加到閾值增加到閾值 nt時(shí)就產(chǎn)生激光，形成第一個(gè)激光尖峰；時(shí)就產(chǎn)生激光，形成第一個(gè)激光尖峰； q當(dāng)當(dāng) n 超過超過 nt 時(shí)，隨著受激輻射的增強(qiáng)，上能級(jí)粒子數(shù)大量消時(shí)，隨著受激輻射的增強(qiáng)，上能級(jí)粒子數(shù)大量消 耗，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)耗，反轉(zhuǎn)粒子數(shù) n 迅速下降，直到迅速下降，直到 n 低于閾值低于閾值 nt 時(shí)，激光時(shí)，激光 振蕩迅速衰減；振蕩迅速衰減； q然后泵浦的抽運(yùn)又使上能級(jí)逐漸積累粒子形成第二個(gè)激光尖峰；然后泵浦的抽運(yùn)又使上能級(jí)逐漸積累粒子形成第二個(gè)激光尖峰； q如此不斷重復(fù)，便產(chǎn)生一系列

5、小的尖峰脈沖。如此不斷重復(fù)，便產(chǎn)生一系列小的尖峰脈沖。 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 7 脈沖激光器輸出特點(diǎn)脈沖激光器輸出特點(diǎn) q由于每個(gè)激光脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，所以輸出脈沖的峰值由于每個(gè)激光脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，所以輸出脈沖的峰值 功率較低，一般為幾十千瓦數(shù)量級(jí)。增大輸入能量時(shí)，只能使尖功率較低，一般為幾十千瓦數(shù)量級(jí)。增大輸入能量時(shí)，只能使尖 峰脈沖的數(shù)目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；峰脈沖的數(shù)目增多，而不能有效地提高峰值功率水平； q在泵浦燈閃光的整個(gè)時(shí)間寬度中，激光出現(xiàn)的時(shí)間較早，結(jié)束較在泵浦燈閃光的整個(gè)時(shí)間寬度中，激光出現(xiàn)的時(shí)間較早，結(jié)束較 晚，整個(gè)激光脈沖寬

6、度很寬；晚，整個(gè)激光脈沖寬度很寬； q激光脈沖不夠平滑。激光脈沖不夠平滑。 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 8 調(diào)調(diào)Q技術(shù)原理技術(shù)原理 q通過某種方法使諧振腔的損耗通過某種方法使諧振腔的損耗 (或或Q值值)按照規(guī)定的程序變化，按照規(guī)定的程序變化， 在泵浦激勵(lì)剛開始時(shí)，先使光腔具有高損耗在泵浦激勵(lì)剛開始時(shí)，先使光腔具有高損耗 ，激光器由于閾值，激光器由于閾值 高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較 高的水平；高的水平； q然后在適當(dāng)時(shí)刻，使腔的損耗突然降低到然后在適當(dāng)時(shí)刻，使腔的損耗突然降低到 ，閾值也隨之突然降，

7、閾值也隨之突然降 低，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)；低，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)； q于是于是, 在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぴ跇O短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧?光能量，在輸出端有一個(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。光能量，在輸出端有一個(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。 q采用調(diào)采用調(diào)Q技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦，脈寬為幾十毫微秒技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦，脈寬為幾十毫微秒 的激光巨脈沖。的激光巨脈沖。 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 9 調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù) q凡能使諧振腔損耗發(fā)生突變的元件都能用作凡能使諧振腔損耗發(fā)生突

8、變的元件都能用作Q開關(guān)；開關(guān)； q常用調(diào)常用調(diào)Q方法有方法有電光調(diào)電光調(diào)Q、聲光調(diào)聲光調(diào)Q和飽和吸收調(diào)和飽和吸收調(diào)Q等；等； q前兩種方法中諧振腔損耗由外部驅(qū)動(dòng)源控制，稱為主動(dòng)調(diào)前兩種方法中諧振腔損耗由外部驅(qū)動(dòng)源控制，稱為主動(dòng)調(diào) Q。后一種方法中，諧振腔損耗取決于腔內(nèi)激光光強(qiáng)，因。后一種方法中，諧振腔損耗取決于腔內(nèi)激光光強(qiáng)，因 此稱為被動(dòng)調(diào)此稱為被動(dòng)調(diào)Q。 激光激光Q Q開關(guān)技術(shù)概論開關(guān)技術(shù)概論 10 電光效應(yīng)電光效應(yīng) q某些晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，使通過晶體的某些晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，使通過晶體的 不同偏振方向的光之間產(chǎn)生位相差，從而使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變不同

9、偏振方向的光之間產(chǎn)生位相差，從而使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變 化的現(xiàn)象稱為化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)電光效應(yīng)。 q電光晶體中折射率的變化和電場(chǎng)成正比的效應(yīng)稱為電光晶體中折射率的變化和電場(chǎng)成正比的效應(yīng)稱為普克爾效應(yīng)普克爾效應(yīng)， 折射率的變化和電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比的效應(yīng)稱為折射率的變化和電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比的效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)克爾效應(yīng)。電光。電光 調(diào)調(diào)Q就是利用晶體的就是利用晶體的普克爾效應(yīng)普克爾效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)Q突變的方法突變的方法 q最常用的電光晶體主要有最常用的電光晶體主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等等 電光電光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 11 電光電光Q Q開關(guān)原理開關(guān)原理 電光電光Q

10、 Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 12 電光電光Q Q開關(guān)原理開關(guān)原理 q未加電場(chǎng)前晶體的折射率主軸未加電場(chǎng)前晶體的折射率主軸 x，y，z ； q沿晶體光軸方向沿晶體光軸方向 z 施加一外電場(chǎng)施加一外電場(chǎng) E ，由于普克爾效應(yīng)，主軸變?yōu)椋捎谄湛藸栃?yīng)，主軸變?yōu)?x，y，z； q令光束沿令光束沿 z 軸方向傳播，經(jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏谳S方向傳播，經(jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏?x 軸的線偏振光，軸的線偏振光， 入射到晶體表面時(shí)分解為等幅的入射到晶體表面時(shí)分解為等幅的 x和和y方向的偏振光；在晶體中方向的偏振光；在晶體中 二者具有不同的折射率二者具有不同的折射率 ； q經(jīng)過晶體長(zhǎng)度經(jīng)過晶體長(zhǎng)度 d 距離后，

11、二偏振分量產(chǎn)生了相位差距離后，二偏振分量產(chǎn)生了相位差 ； 電光電光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 13 電光電光Q Q開關(guān)原理開關(guān)原理 q當(dāng)當(dāng) = /2 時(shí)，所需電壓稱作四分之一波電壓，記作時(shí)，所需電壓稱作四分之一波電壓，記作V /4；電光晶電光晶 體上施以電壓體上施以電壓 V /4 時(shí)，從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電光晶體后，時(shí)，從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電光晶體后， 沿沿 x和和 x方向的偏振分量產(chǎn)生了方向的偏振分量產(chǎn)生了 /2 位相延遲，經(jīng)全反射鏡反射位相延遲，經(jīng)全反射鏡反射 后再次通過電光晶體后又將產(chǎn)生后再次通過電光晶體后又將產(chǎn)生 = /2 延遲，合成后雖仍是線偏延遲，合成后雖仍是線偏

12、振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不能通過偏振振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不能通過偏振 器。器。 q這種情況下諧振腔的損耗很大，處于低這種情況下諧振腔的損耗很大，處于低Q值狀態(tài)，激光器不能振值狀態(tài)，激光器不能振 蕩，激光上能級(jí)不斷積累粒子；蕩，激光上能級(jí)不斷積累粒子； q如果在某一時(shí)刻，突然撤去電光晶體兩端的電壓，則諧振腔突變?nèi)绻谀骋粫r(shí)刻，突然撤去電光晶體兩端的電壓，則諧振腔突變 至低損耗、高至低損耗、高Q值狀態(tài)，于是形成巨脈沖激光。值狀態(tài)，于是形成巨脈沖激光。 電光電光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 14 電光電光Q Q開關(guān)技術(shù)特點(diǎn)開關(guān)技術(shù)特點(diǎn) q開關(guān)時(shí)間短開

13、關(guān)時(shí)間短(約約 10-9s )，屬快開關(guān)類型，適用于脈沖激光器，是目，屬快開關(guān)類型，適用于脈沖激光器，是目 前使用最廣泛的一種前使用最廣泛的一種Q開關(guān)；開關(guān)； q可以獲得脈寬窄、峰值功率高的巨脈沖。典型的可以獲得脈寬窄、峰值功率高的巨脈沖。典型的 Nd3+ :YAG 電電 光調(diào)光調(diào)Q激光器的輸出光脈沖寬度為激光器的輸出光脈沖寬度為 10-20ns，峰值功率可達(dá)數(shù)兆瓦，峰值功率可達(dá)數(shù)兆瓦 至數(shù)十兆瓦；而對(duì)于釹玻璃調(diào)至數(shù)十兆瓦；而對(duì)于釹玻璃調(diào)Q激光器，不難獲得數(shù)百兆瓦的峰激光器，不難獲得數(shù)百兆瓦的峰 值功率。值功率。 電光電光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 15 聲光介質(zhì)聲光介質(zhì) q當(dāng)聲波在某

14、些介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、 隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期 變化，形成等效的位相光柵。光束射經(jīng)此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射，一部變化，形成等效的位相光柵。光束射經(jīng)此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射，一部 分光偏離原來方向。分光偏離原來方向。 q常用的聲光介質(zhì)有熔融石英、鉬酸鉛及重火石玻璃等。常用的聲光介質(zhì)有熔融石英、鉬酸鉛及重火石玻璃等。 聲光聲光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 16 布喇格衍射布喇格衍射 聲光聲光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 現(xiàn)象現(xiàn)象：透射

15、光束分裂為：透射光束分裂為0 級(jí)與級(jí)與+1級(jí)或級(jí)或-1級(jí)衍射光，級(jí)衍射光， +1級(jí)或級(jí)或-1級(jí)衍射光與聲波級(jí)衍射光與聲波 波面的夾角亦為波面的夾角亦為 。 17 布喇格衍射條件布喇格衍射條件 q當(dāng)聲波頻率較高；當(dāng)聲波頻率較高； q聲光作用長(zhǎng)度聲光作用長(zhǎng)度 d 足夠大足夠大 q入射光波與聲波波面的夾角滿入射光波與聲波波面的夾角滿 聲光聲光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 聲波波長(zhǎng)聲波波長(zhǎng) 光波波長(zhǎng)光波波長(zhǎng) 獲得高衍射效率的方法：提高超聲驅(qū)動(dòng)功獲得高衍射效率的方法：提高超聲驅(qū)動(dòng)功 18 聲光開關(guān)原理聲光開關(guān)原理 q聲光聲光Q開關(guān)由一塊對(duì)激光波長(zhǎng)透明的聲光介質(zhì)及換能器組成，換開關(guān)由一塊對(duì)激光波長(zhǎng)透

16、明的聲光介質(zhì)及換能器組成，換 能器的作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波；能器的作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波； q聲光開關(guān)置于激光器中，在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射，由于一級(jí)衍聲光開關(guān)置于激光器中，在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射，由于一級(jí)衍 射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而使激光振蕩難以形成，激射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而使激光振蕩難以形成，激 光高能級(jí)大量積累粒子。若這時(shí)突然撤除超聲場(chǎng)，則衍射效應(yīng)即光高能級(jí)大量積累粒子。若這時(shí)突然撤除超聲場(chǎng)，則衍射效應(yīng)即 刻消失，諧振腔損耗突然下降，激光巨脈沖遂即形成?？滔?，諧振腔損耗突然下降，激光巨脈沖遂即形成。 聲光聲光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 19 聲光

17、聲光Q Q開關(guān)技術(shù)特點(diǎn)開關(guān)技術(shù)特點(diǎn) q聲光調(diào)聲光調(diào)Q開關(guān)時(shí)間一般小于光脈沖建立時(shí)間，屬快開關(guān)類型；開關(guān)時(shí)間一般小于光脈沖建立時(shí)間，屬快開關(guān)類型； q由于開關(guān)的調(diào)制電壓只需由于開關(guān)的調(diào)制電壓只需100多伏，所以可用于低增益的連續(xù)激多伏，所以可用于低增益的連續(xù)激 光器，可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復(fù)率光器，可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復(fù)率 巨脈沖；巨脈沖； q聲光開關(guān)對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力差，不宜用于高能調(diào)聲光開關(guān)對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力差，不宜用于高能調(diào)Q激光激光 器。器。 聲光聲光Q Q開關(guān)原理及技術(shù)開關(guān)原理及技術(shù) 20 多縱模疊加特性多縱模疊加特性 q一

18、般一般非均勻加寬非均勻加寬激光器，如果不采取特殊選模措施，激光器，如果不采取特殊選模措施， 總是得到總是得到多縱模輸出多縱模輸出，相鄰兩個(gè)縱模的角頻率差，相鄰兩個(gè)縱模的角頻率差 L c qqqq )(2 11 鎖模原理鎖模原理 第第n個(gè)縱模的角頻率個(gè)縱模的角頻率 , 其中其中 是中心縱模的角頻率是中心縱模的角頻率 n 0 則：第則：第n個(gè)縱模輸出的電矢量為個(gè)縱模輸出的電矢量為 0 n tni n eEtE 0 0 )( 其中，各個(gè)模式的振幅其中，各個(gè)模式的振幅 、初位相、初位相 均無確定關(guān)系，各均無確定關(guān)系，各 個(gè)模式互不相干，因而激光輸出是它們的無規(guī)疊加的結(jié)果，個(gè)模式互不相干，因而激光輸出是

19、它們的無規(guī)疊加的結(jié)果， 輸出強(qiáng)度隨時(shí)間無規(guī)則起伏。輸出強(qiáng)度隨時(shí)間無規(guī)則起伏。 nE n 21 q設(shè)各模式的振幅相等，則設(shè)各模式的振幅相等，則n個(gè)縱模疊加后的電矢量個(gè)縱模疊加后的電矢量 n tni n nt n eEtEE 0 0 )( 鎖模原理鎖模原理 設(shè)光在腔內(nèi)往復(fù)一周的時(shí)間設(shè)光在腔內(nèi)往復(fù)一周的時(shí)間 ,cLT/2 則：則： 其中其中 是整數(shù)，則：是整數(shù)，則： n 0 nitniEaaaaaaa TtniETtE n n n n 0 000 0000 2expexp exp)( nn n tEtniETtE)(exp)( 000000 因此，因此，E是一個(gè)以是一個(gè)以T為周期的函數(shù)。為周期的函數(shù)

20、。 , 22 q設(shè)各個(gè)縱模的初相位相同，設(shè)各個(gè)縱模的初相位相同，0 0 n 鎖模原理鎖模原理 則：則： 設(shè)縱模數(shù)目是奇數(shù)，則：設(shè)縱模數(shù)目是奇數(shù)，則： tiwtni e t tN EeEtE N N 0 2 1 2 1 0 2 sin 2 sin )( 00 tni n eEtE 0 0 )( 23 q光強(qiáng)為：光強(qiáng)為： 2 sin 2 sin )()()( 2 2 2 0 t tN EtEtEtI L 鎖模原理鎖模原理 當(dāng)當(dāng)t=0, T, 2T, 時(shí)，時(shí)， N t tN 2 sin 2 sin 2 2 得到：得到： 2 0 2 )(ENtI L 24 結(jié)論結(jié)論 q由于各縱模的相位鎖定，鎖模激光器

21、可以輸出一周期由于各縱模的相位鎖定，鎖模激光器可以輸出一周期2L/c 的光脈沖序列；的光脈沖序列； q峰值功率較未鎖定時(shí)大峰值功率較未鎖定時(shí)大 N倍，一般峰值功率達(dá)到幾千兆瓦是不困倍，一般峰值功率達(dá)到幾千兆瓦是不困 難的。難的。 鎖模原理鎖模原理 25 q為了得到鎖模超短脈沖，須采取措施強(qiáng)制各縱模初位相保為了得到鎖模超短脈沖，須采取措施強(qiáng)制各縱模初位相保 持確定關(guān)系，并使相鄰模頻率間隔相等；持確定關(guān)系，并使相鄰模頻率間隔相等； q前采用的鎖模方法可分為前采用的鎖模方法可分為主動(dòng)鎖模主動(dòng)鎖模與與被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模兩類兩類 q主動(dòng)鎖模又可分為主動(dòng)鎖模又可分為振幅調(diào)制鎖模振幅調(diào)制鎖模和和相位調(diào)制鎖模相

22、位調(diào)制鎖模 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 26 q如果在腔內(nèi)插入一個(gè)振幅調(diào)制器，其調(diào)制頻率如果在腔內(nèi)插入一個(gè)振幅調(diào)制器，其調(diào)制頻率 )2( L c 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 未加調(diào)制前，增益曲線中心附近的縱模電矢量可寫為：未加調(diào)制前，增益曲線中心附近的縱模電矢量可寫為： tEtE c cos 0 加調(diào)制前，電矢量以頻率加調(diào)制前，電矢量以頻率 周期變化，設(shè)其按周期變化，設(shè)其按 余弦函數(shù)變化，則：余弦函數(shù)變化，則： )2( L c tftMEtE c 2cos2cos1 0 M為調(diào)制度，大小決定于調(diào)制信號(hào)的大小，將上式展開得：為調(diào)制度，大小決定于調(diào)制信號(hào)的大小，將上式展開得： 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模 27

23、鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) tf ME tf ME tEtE cc 2cos 2 2cos 2 2cos 00 00 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模 q可見，調(diào)制的結(jié)果使中心縱模振蕩不僅包含原有頻率可見，調(diào)制的結(jié)果使中心縱模振蕩不僅包含原有頻率 的成的成 分，還含有頻率為分，還含有頻率為 ，初位相不變的兩個(gè)邊帶，邊帶，初位相不變的兩個(gè)邊帶，邊帶 的頻率正好等于無源腔中的鄰模頻率。的頻率正好等于無源腔中的鄰模頻率。 q這就是說，在激光器中，一旦在增益曲線的某個(gè)頻率這就是說，在激光器中，一旦在增益曲線的某個(gè)頻率 形成形成 振蕩，將同時(shí)激起兩個(gè)相鄰模式的振蕩，這兩個(gè)相鄰模幅度振蕩，將同時(shí)激起兩個(gè)相鄰模式的振

24、蕩，這兩個(gè)相鄰模幅度 調(diào)制的結(jié)果又將產(chǎn)生新的邊頻，因而激起頻率為調(diào)制的結(jié)果又將產(chǎn)生新的邊頻，因而激起頻率為 模模 式的振蕩，如此繼續(xù)下去，直至線寬范圍內(nèi)的縱模均以同樣式的振蕩，如此繼續(xù)下去，直至線寬范圍內(nèi)的縱模均以同樣 的相位振動(dòng)起來，也就是它們的相位同時(shí)被鎖定。的相位振動(dòng)起來，也就是它們的相位同時(shí)被鎖定。 0 f 0 0 f2 0 28 q由于實(shí)際激光器為有源腔，有源腔中存在著由于實(shí)際激光器為有源腔，有源腔中存在著頻率牽引頻率牽引和和頻率推斥頻率推斥 效應(yīng)效應(yīng)，所以自由振蕩的各縱模頻率和調(diào)制后產(chǎn)生的諸邊帶頻率有，所以自由振蕩的各縱模頻率和調(diào)制后產(chǎn)生的諸邊帶頻率有 一微小的差別，自由振蕩的相鄰

25、縱模間隔不相等，諸模式的初位一微小的差別，自由振蕩的相鄰縱模間隔不相等，諸模式的初位 相也沒有確定的關(guān)系。但當(dāng)二者的頻率差別十分微小，邊帶振幅相也沒有確定的關(guān)系。但當(dāng)二者的頻率差別十分微小，邊帶振幅 足夠強(qiáng)時(shí)，發(fā)生注入鎖定效應(yīng)，自由振蕩模被抑制，或者說自由足夠強(qiáng)時(shí)，發(fā)生注入鎖定效應(yīng)，自由振蕩模被抑制，或者說自由 振蕩模被中心縱模的諸邊帶所俘獲。振蕩模被中心縱模的諸邊帶所俘獲。 q調(diào)由于調(diào)幅產(chǎn)生的相鄰縱模間的能量耦合使所有縱模都調(diào)由于調(diào)幅產(chǎn)生的相鄰縱模間的能量耦合使所有縱模都具有相同具有相同 的初位相的初位相，即各，即各縱模的相位被鎖定縱模的相位被鎖定，且相鄰縱模頻率間隔均等于，且相鄰縱模頻率間

26、隔均等于 f=c/2L ，于是各縱模相干疊加的結(jié)果產(chǎn)生超短脈沖，于是各縱模相干疊加的結(jié)果產(chǎn)生超短脈沖 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 29 q我們還可以從另一角度來理解超短脈沖的形成。由于損耗調(diào)制的頻我們還可以從另一角度來理解超短脈沖的形成。由于損耗調(diào)制的頻 率正好是率正好是 c/2L，損耗調(diào)制的周期正好是脈沖在腔內(nèi)往返一次所需，損耗調(diào)制的周期正好是脈沖在腔內(nèi)往返一次所需 的時(shí)間的時(shí)間 T0 ( T0=2L /c )。則調(diào)制器損耗。則調(diào)制器損耗 是周期為是周期為T0 的函數(shù)：的函數(shù)： q設(shè)光信號(hào)在設(shè)光信號(hào)在 t1 時(shí)刻通過調(diào)制器，并且時(shí)刻通過調(diào)制器，并且 ，則在，則在t+T0 時(shí)刻時(shí)刻 此信號(hào)將再次無損地通

27、過調(diào)制器。對(duì)于此信號(hào)將再次無損地通過調(diào)制器。對(duì)于 t2 時(shí)刻通過調(diào)制器的光信時(shí)刻通過調(diào)制器的光信 號(hào)而言，若號(hào)而言，若 ，則每次經(jīng)過調(diào)制器時(shí)都要損失一部分能，則每次經(jīng)過調(diào)制器時(shí)都要損失一部分能 量。這就意味著只有在損耗為零的時(shí)刻通過調(diào)制器的那部分光信量。這就意味著只有在損耗為零的時(shí)刻通過調(diào)制器的那部分光信 號(hào)能形成振蕩，而光信號(hào)的其余部分因損耗大而被抑制，因此形號(hào)能形成振蕩，而光信號(hào)的其余部分因損耗大而被抑制，因此形 成周期為成周期為 2L/c 的窄脈沖輸出。的窄脈沖輸出。 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模 30 相位調(diào)制主動(dòng)鎖模相位調(diào)制主動(dòng)鎖模 q相位調(diào)制又稱頻率調(diào)制。在激

28、光器諧振腔內(nèi)插入一電光晶相位調(diào)制又稱頻率調(diào)制。在激光器諧振腔內(nèi)插入一電光晶 體，利用晶體折射率隨外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。體，利用晶體折射率隨外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。 設(shè)調(diào)制器在光通過的方向上長(zhǎng)度設(shè)調(diào)制器在光通過的方向上長(zhǎng)度L，外加調(diào)制信號(hào)電壓以，外加調(diào)制信號(hào)電壓以 角頻率角頻率 周期變化，即：周期變化，即： tUu m cos 0 m 則折射率的變化量為：則折射率的變化量為： tkUtn 00 cos 其中，其中，k表示比例系數(shù)，由調(diào)制器性質(zhì)決定。表示比例系數(shù)，由調(diào)制器性質(zhì)決定。 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 31 q則光通過調(diào)制器時(shí)產(chǎn)生的相位延遲則光通過調(diào)制器時(shí)產(chǎn)生的相位延遲 ，其值為：，其

29、值為： q上式表明，除了在相位調(diào)制函數(shù)極值時(shí)通過調(diào)制器的那部分上式表明，除了在相位調(diào)制函數(shù)極值時(shí)通過調(diào)制器的那部分 光信號(hào)不產(chǎn)生頻移外，其他時(shí)刻通過調(diào)制器的光信號(hào)均經(jīng)受光信號(hào)不產(chǎn)生頻移外，其他時(shí)刻通過調(diào)制器的光信號(hào)均經(jīng)受 不同程度的頻移；不同程度的頻移； q如果調(diào)制相位的周期與光在腔內(nèi)運(yùn)行的周期一致，則經(jīng)受頻如果調(diào)制相位的周期與光在腔內(nèi)運(yùn)行的周期一致，則經(jīng)受頻 移的光信號(hào)每經(jīng)過調(diào)制器一次都要再次經(jīng)受頻移，最后因移移的光信號(hào)每經(jīng)過調(diào)制器一次都要再次經(jīng)受頻移，最后因移 出增益曲線以外而猝滅。出增益曲線以外而猝滅。 q只有那些在相位調(diào)制函數(shù)極值時(shí)通過調(diào)制器的光信號(hào)才能形只有那些在相位調(diào)制函數(shù)極值時(shí)通

30、過調(diào)制器的光信號(hào)才能形 成振蕩，因而產(chǎn)生超短光脈沖序列。成振蕩，因而產(chǎn)生超短光脈沖序列。 t tk dt td td m sin 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 32 q在諧振腔中插入一薄層飽和吸收體在諧振腔中插入一薄層飽和吸收體(如染料盒如染料盒)可構(gòu)成被動(dòng)鎖模激可構(gòu)成被動(dòng)鎖模激 光器。飽和吸收體的透過率與光強(qiáng)有關(guān)，如圖所示。光器。飽和吸收體的透過率與光強(qiáng)有關(guān)，如圖所示。 被動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) q 將飽和吸收體放在諧振腔中，泵浦過程開始時(shí)，由于其吸收系數(shù)大，將飽和吸收體放在諧振腔中，泵浦過程開始時(shí)，由于其吸收系數(shù)大， 諧振腔損耗很大，激光器不能起振。諧振腔損耗很大，激光器不能起振。 q隨著激光工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的積累，放大的自發(fā)輻射逐漸增加，隨著激光工作物