物理答案激光課件4

1、目的: 壓縮脈沖寬度,高峰值功率,Q開關(guān)激光器一般脈寬達(dá) 10-8s-10-9s量級,如果再壓縮脈寬,Q開關(guān)激光器已經(jīng)無能為力,但有很多實(shí)際應(yīng)用需要更窄的脈沖.(1964年后發(fā)展了鎖模技術(shù)，可將脈沖壓縮到10-1110-14s（ps）量級。)例: 1.激光測距，為了提高測距的精度,則脈寬越窄越好. 2.激光高速攝影.為了拍照高速運(yùn)動的物體,提高照片的清晰度,也要壓縮脈寬. 3.對一些超快過程的研究,激光核聚變,激光光譜,熒光壽命的測定,非線性光學(xué)的研究等需窄的脈寬).(摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列)。4.7 激光鎖模技術(shù)4.7.1 鎖模原理一、多模激光器的輸出特性

2、自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個超過閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時間平均的統(tǒng)計(jì)值。 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有N個縱模，每個縱模輸出的電場分量可用下式表示:那么激光器輸出的光波電場是N個縱模電場的和，即 Eq、q、q為第q個模式的振幅、角頻率及初位相。各個模式的振幅Eq、初位q均無確定關(guān)系,各個模式互不相干,因而激光輸出是它們的無規(guī)疊加的結(jié)果,輸出強(qiáng)度隨時間無規(guī)則起伏。假設(shè)有三個光波，頻率分別為v1 v2 和 v3，沿相同方向傳播，并且有如下關(guān)系： ，在未鎖定時，初相彼此無關(guān)。 由于“破壞性”的干涉疊加，形成

3、的光波沒有一個地方有突出的加強(qiáng)，輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)級基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動。如果設(shè)法使三個光波在某時刻有固定的相位關(guān)系，例如1 =2 =3，即按關(guān)系 鎖定， 此時三個光波的方程為由于“建設(shè)性”的干涉疊加，形成的光波就周期性地出現(xiàn)極大值。當(dāng)t=0時當(dāng) 時2/3v1E(t)I(t)1/3v12/3v11/v1圖2 非鎖模和理想鎖模激光器的信號結(jié)構(gòu), (a) 非鎖模,（b)理想鎖模二、鎖模的基本原理 鎖模技術(shù)讓諧振腔中可能存在的縱模同步振蕩，讓各模的頻率間隔保持相等并使各模的初位相保持為常數(shù)，激光器輸出在時間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。1.定義處于增益曲線中心頻率的縱模 q0，在腔內(nèi)參與振蕩

4、的模式個數(shù)共2N1個常數(shù) 它們的初位相始終相等,并有q=q-1=0。 2. 假設(shè)各模振幅相等 ,光強(qiáng)相等 Iq = Iq-1 = I0則激光器輸出的總光波場是2N1個縱模相干的結(jié)果.則第q個模式的電場強(qiáng)度為(2N+1)個模式合成之電場強(qiáng)度Eq=E0, q=q-1=0 按指數(shù)形式展開，再用三角函數(shù)可得： 振幅隨時間而變化輸出光強(qiáng)光強(qiáng)隨時間而變化下圖為(2N+1)=9時I(t)隨時間變化的示意圖。T由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化規(guī)律，即可了解輸出激光的持性。找出它的周期、極值點(diǎn)、0點(diǎn)。.* 討論的問題A(t)的變化規(guī)律：1.當(dāng)分子為0，分母不為0 ，則是 A(t)的0 點(diǎn):所以 t=0

5、 , , , 是 A(t)的0 點(diǎn).2. 分母為0 的 點(diǎn):3.因A(t)的分子、分母同時為零，利用羅彼塔法則可求得此時A(t)的最大值* 結(jié)論1.輸出脈沖的峰值(最大光強(qiáng)) 注意：如果各模式相位未被鎖定,則各模式是不相干的,輸出功率為各模功率之和,即I(2N+1)E02。由此可見,鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時提高了(2N+1)倍。腔長越長,熒光線寬越大,則腔內(nèi)振蕩的縱模數(shù)目越多,鎖模脈沖的峰值功率就越大。2.周期 (T) 相鄰脈沖峰值間的時間間隔 激光器的輸出是脈沖間隔為2L/c的固定規(guī)則脈沖序列。 2L/c 光在腔內(nèi)往返一次的時間,等于在腔內(nèi)只有一個脈沖在振蕩鎖模的特點(diǎn)。一個脈沖中包含鎖定

6、的縱模數(shù)圖4-30 鎖模光強(qiáng)脈沖 (2N+1=9)t=0和t=2L/c時的極大值，稱為主脈沖。在兩個相鄰主脈沖之間，共有2N個零點(diǎn)。所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個光脈沖在腔內(nèi)來回傳播。3.脈沖的寬度 ()按照定義可以近似用極大值和0點(diǎn)之間的時間來表示。所以t=0 為極大值 , 第一個0點(diǎn):在調(diào)Q激光器中輸出脈寬最窄的是透射式Q開關(guān)激光器，輸出的脈寬最小為2L/c，而鎖模激光器脈寬 比它窄2N1倍。被鎖定的縱模數(shù)越多(2N1) 脈沖的半功率點(diǎn)的時間間隔近似地等于,因而可以認(rèn)為脈沖寬度等于。上式中v為鎖模激光的帶寬,它顯然不可能超過工作物質(zhì)的增益帶寬,這就給鎖模激光脈沖帶來一定的限制。氣體激光器

7、譜線寬度較小,其鎖模脈沖寬度約為納秒量級。固體激光器譜線寬度較大,在適當(dāng)?shù)臈l件下可得到脈沖寬度為10-12s量級的皮秒脈沖。特別是釹玻璃激光器的振蕩譜寬達(dá)2535nm,其鎖模脈沖寬度可達(dá)10-13s。4.7.2 主動鎖模 在一般激光器中,各縱模振蕩互不相關(guān),各縱模相位沒有確定的關(guān)系。并且,由于頻率牽引和頻率推斥效應(yīng),相鄰縱模的頻率間隔并不嚴(yán)格相等。因此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。目前采用的鎖模方法可分為主動鎖模與被動鎖模兩類。一、主動鎖模主動鎖模又可分為振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模。1. 損耗內(nèi)調(diào)制鎖模 如圖(4-31)所示，在諧振腔中插

8、入一個電光或聲光損耗調(diào)制器。設(shè)調(diào)制周期為 ，調(diào)制頻率 (恰為縱模頻率間隔) 圖(4-31) 鎖模調(diào)制示意圖由于損耗調(diào)制的周期正好是脈沖在腔內(nèi)往返一次所需的時間T0 ,因而調(diào)制器的損耗(t)是周期為T0 的函數(shù) 設(shè)光信號在t1時刻通過調(diào)制器,并且(t1)=0,則在(t1+T0)時刻此信號將再次無損地通過調(diào)制器。對于t2時刻通過調(diào)制器的光信號而言,若(t2)0,則每次經(jīng)過調(diào)制器時都要損失一部分能量。這就意味著只有在損耗為零的時刻通過調(diào)制器的那部分光信號能形成振蕩,而光信號的其余部分因損耗大而被抑制,因此形成周期為2L/c的窄脈沖輸出。從模式耦合的角度來說明損耗調(diào)制鎖模的原理。 上圖中損耗調(diào)制器M為

9、一電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器,加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)制電壓,使腔的損耗發(fā)生角頻率為的周期性變化(=2vm)。由于損耗的改變,每個模式的振幅也發(fā)生周期性變化。如果激光器中增益曲線中心頻率 處的縱模首先振蕩,其電場強(qiáng)度為式中M=Em/E0 稱調(diào)幅系數(shù),它的大小決定于調(diào)制信號的大小。將上式展開得 可見,調(diào)制的結(jié)果使中心縱模振蕩不僅包含原有角頻率v0的成分,還含有角頻率為(v0vm),初位相不變的兩個邊帶,其頻譜如下圖所示。因調(diào)制頻率vm正好等于相鄰兩縱模模頻率。這就是說,在激光器中,一旦在增益曲線的某個角頻率v0 形成振蕩,將同時激起兩個相鄰模式的振蕩。并且,這兩個相鄰模幅度調(diào)制的結(jié)果又將產(chǎn)生新的邊頻,因而激起角

10、頻率為(v02vm)模式的振蕩,如此繼續(xù)下去,直至線寬范圍內(nèi)的縱模均被耦合而產(chǎn)生振蕩為止。圖(4-32) 中心頻v0vm率及兩邊頻2. 相位內(nèi)調(diào)制鎖模 如果在諧振腔中插入一個電光位相調(diào)制器，也可達(dá)到鎖模的目的。設(shè)光振幅不變，位相以頻率 變化，即 位相調(diào)制后也能激起帶寬內(nèi)的所有邊頻光同步振蕩，實(shí)現(xiàn)鎖模。4.7.3被動鎖模被動鎖模裝置很簡單，只需在腔內(nèi)插入一個裝有飽和吸收染料的“盒”即可 染料必須具備以下幾個條件：第一，染料的吸收線應(yīng)和激光波長很接近；第二，吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；第三，其馳豫時間應(yīng)短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時間，否則就成為被動調(diào)Q激光器了。 信息（2004）： 中科院上海

11、光學(xué)精密機(jī)械研究所在其建所40周年之際宣布：上海小型化超短超強(qiáng)激光功率成功突破100太瓦（1太瓦1012瓦）大關(guān)，輸出峰值功率達(dá)到120太瓦/36飛秒，這標(biāo)志著上海在這一領(lǐng)域已進(jìn)入了國際同類研究的前沿，目前，國際上只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家的著名實(shí)驗(yàn)鈦寶石激光裝置輸出功率超過100太瓦。 在1000萬億分之36秒（3610-15秒）的超短瞬間，上海超短超強(qiáng)激光裝置迸發(fā)出相當(dāng)于全球電網(wǎng)發(fā)電總和數(shù)十倍的強(qiáng)大功率。 超短超強(qiáng)激光所能提供極端物理?xiàng)l件，自然界中只有在核爆中心、恒星內(nèi)部和宇宙黑洞邊緣才能存在。上海光機(jī)所在實(shí)驗(yàn)室用人工手段獲得這一極端條件，為物理學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科的研究打開了一扇“具有美麗風(fēng)景的窗戶”。 超短超強(qiáng)激光及其相關(guān)技術(shù)有望使細(xì)胞手術(shù)成為可能，不久的將來，醫(yī)生也許只要在