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1、 长春理工大学电子科学与技术系Page: 1 第3章 超短脉冲技术 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 2 3.3 被动锁模 被动锁模 1. 1. 方法方法 在激光谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗，当满在激光谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗，当满 足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。 2. 2. 分类分类 根据锁模形成过程的机理和特点：根据锁模形成过程的机理和特点： 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。 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术
2、 长春理工大学电子科学与技术系Page: 3 3.3 被动锁模 一. 固体激光器的被动锁模 方法：在腔内放一个装有有机染料的染料盒，依靠有机染料的饱和吸收过程。方法：在腔内放一个装有有机染料的染料盒，依靠有机染料的饱和吸收过程。 染料的吸收率是频率和光强的函数。染料的吸收率是频率和光强的函数。 1. 工作原理 染料具有可饱和吸收的特性，弱信号染料具有可饱和吸收的特性，弱信号 的透过率小，受到的损耗大，强信号的透的透过率小，受到的损耗大，强信号的透 过率大，受到的损耗小。损耗可通过工作过率大，受到的损耗小。损耗可通过工作 物质的放大得到补偿，光脉冲每经过染料物质的放大得到补偿，光脉冲每经过染料
3、和工作物质一次，其强弱信号的强度相对和工作物质一次，其强弱信号的强度相对 值就改变一次。在腔内多次循环后，极大值就改变一次。在腔内多次循环后，极大 值与极小值之差会越来越大。最后强脉冲值与极小值之差会越来越大。最后强脉冲 的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地 通过，从而使脉冲变窄。通过，从而使脉冲变窄。 从频率域分析，开始时自发辐射的荧光以及达到阈值所产生的 激光涨落脉冲，经过可饱和吸收染料在噪声脉冲中的选择作用，只 剩下高增益的中心波长0及其边频，随后经过几次染料的吸收和工 作物质的放大，边频信号又激发新的边频，如此继续下去，使得增 益线宽内所有的模式参与
4、振荡，于是便得到一系列周期为2L/c 的脉 冲序列输出。 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 4 3.3 被动锁模 2. 动力学过程 由不规则的脉冲演变为锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段。过程由不规则的脉冲演变为锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段。过程 的实质就是最强的脉冲得到有选择的加强，背景脉冲逐渐地被抑的实质就是最强的脉冲得到有选择的加强，背景脉冲逐渐地被抑 制。制。 线性放大阶段线性放大阶段非线性吸收阶段非线性吸收阶段非线性放大阶段非线性放大阶段 123 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 5 3.3 被
5、动锁模 泵浦刚开始，腔内光子数极少，泵浦刚开始，腔内光子数极少， 染料吸收大，腔的损耗大，激光染料吸收大，腔的损耗大，激光 器处于高储能阶段。随后，介质器处于高储能阶段。随后，介质 中激光上能级原子数不断增多，中激光上能级原子数不断增多， 腔内自发辐射加强，形成一些随腔内自发辐射加强，形成一些随 机起伏的弱的噪声光辐射信号；机起伏的弱的噪声光辐射信号； 由于粒子数反转的继续增大，腔内所建由于粒子数反转的继续增大，腔内所建 立起来的初始的尖峰和噪声脉冲分布由立起来的初始的尖峰和噪声脉冲分布由 于反复通过增益介质而由弱变强，同时于反复通过增益介质而由弱变强，同时 每个尖峰变宽、变光滑。在一周期每个
6、尖峰变宽、变光滑。在一周期2L/c2L/c 时间内，强脉冲吸收的少，弱脉冲吸收时间内，强脉冲吸收的少，弱脉冲吸收 的多的多非线性吸收非线性吸收；在激活介质中，；在激活介质中， 强脉冲放大的多，弱脉冲放大的少强脉冲放大的多，弱脉冲放大的少 线性放大线性放大，其结果就发生自然选模作用，其结果就发生自然选模作用 ，使强脉冲加强，弱脉冲光强减少，甚，使强脉冲加强，弱脉冲光强减少，甚 至消失，脉冲个数减少，频谱变窄。至消失，脉冲个数减少，频谱变窄。 1). 线性放大阶段 注：由于吸收饱和的光强要比腔中刚开始振荡的光强高若干数量级，因此线性区比较长。注：由于吸收饱和的光强要比腔中刚开始振荡的光强高若干数量
7、级，因此线性区比较长。 增益介质线性放大 染料非线性吸收 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 6 3.3 被动锁模 2). 非线性吸收阶段 随后，在某个时刻，若某个光强最大的优势尖峰足以使染料随后，在某个时刻，若某个光强最大的优势尖峰足以使染料“ “漂白漂白” ”，染料，染料“ “开关开关” ”被被 打开，优势尖峰脉冲便从噪声背景中突出出来，而且其光强获得迅速增大。而大量打开，优势尖峰脉冲便从噪声背景中突出出来，而且其光强获得迅速增大。而大量 的弱脉冲不能使染料饱和，受到染料的吸收而被抑制掉，使发射脉冲变窄，频谱增的弱脉冲不能使染料饱和，受到染料的吸收而
8、被抑制掉，使发射脉冲变窄，频谱增 宽。宽。 此阶段内，由于此阶段内，由于增益未达到饱和，所以激光介质的增益是线性增长的增益未达到饱和，所以激光介质的增益是线性增长的，但激光辐射，但激光辐射 场的最强脉冲使场的最强脉冲使饱和吸收染料呈非线性吸收饱和吸收染料呈非线性吸收。 增益介质线性放大 染料非线性吸收 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 7 3.3 被动锁模 3). 非线性放大阶段 由于染料的弛豫时间非常短，当此优势尖峰通过开关之后，染料瞬间恢复到大吸收由于染料的弛豫时间非常短，当此优势尖峰通过开关之后，染料瞬间恢复到大吸收 系数状态，即系数状态，即“
9、“开关开关” ”立即关闭，腔内损耗恢复到极大状态。直到优势尖峰在腔内一次往立即关闭，腔内损耗恢复到极大状态。直到优势尖峰在腔内一次往 返经增益介质放大后，光强进一步增强而再次通过染料，返经增益介质放大后，光强进一步增强而再次通过染料，“ “开关开关” ”被再次瞬间打开，然后被再次瞬间打开，然后 关闭。如此下去，关闭。如此下去，这个强脉冲不但能使染料吸收饱和，而且使激光工作物质的增益达到这个强脉冲不但能使染料吸收饱和，而且使激光工作物质的增益达到 饱和，所以工作物质的放大进入非线性阶段。饱和，所以工作物质的放大进入非线性阶段。当强脉冲经过激活介质时，前沿及中心部当强脉冲经过激活介质时，前沿及中心
10、部 位放大得多，由于反转粒子数的消耗，增益下降，致使脉冲后沿放大的少，甚至得不到位放大得多，由于反转粒子数的消耗，增益下降，致使脉冲后沿放大的少，甚至得不到 放大，其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几乎被完全抑制，最后输出一个高强度放大，其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几乎被完全抑制，最后输出一个高强度 、窄脉宽的脉冲序列。此阶段脉冲压缩，频谱进一步加宽。、窄脉宽的脉冲序列。此阶段脉冲压缩，频谱进一步加宽。 增益介质非线性放大 染料非线性吸收 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 8 3.3 被动锁模 3. 被动锁模固体激光器的结构 组成：光学谐振腔
11、、激光棒、染料盒和小孔光阑。组成：光学谐振腔、激光棒、染料盒和小孔光阑。 注意：为了得到高重复率的高质量锁模脉冲序列，对染料浓度、注意：为了得到高重复率的高质量锁模脉冲序列，对染料浓度、 泵浦强度和谐振腔的设计及调整等都有严格要求，否则激光输出泵浦强度和谐振腔的设计及调整等都有严格要求，否则激光输出 将极不稳定。将极不稳定。 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 9 3.3 被动锁模 1). 1). 标准具效应标准具效应 将光学元件表面切成布儒斯特角将光学元件表面切成布儒斯特角( (或或2 2 o o 33 o o 倾角倾角) )，镀以增透膜并倾斜放置，镀
12、以增透膜并倾斜放置， 以利于消除非工作表面的反射。为防止末端元件的反射光进入腔内，全以利于消除非工作表面的反射。为防止末端元件的反射光进入腔内，全 反镜的后表面应磨成楔形。反镜的后表面应磨成楔形。 2). 2). 用于锁模的可饱和染料用于锁模的可饱和染料 染料的吸收谱线与激光波长相匹配；染料的吸收谱线与激光波长相匹配； 染料的吸收线宽大于或等于激光线宽；染料的吸收线宽大于或等于激光线宽； 弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间 3). 3). 泵浦功率以略高于激光阈值为宜。泵浦功率以略高于激光阈值为宜。 较高的泵浦功率会引起双脉冲的产生。较高的泵浦功率会引起双
13、脉冲的产生。 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 10 3.3 被动锁模 4. 被动锁模固体激光器的特点 被动锁模在脉冲激光器中进行，输出的脉冲序列包络和被动被动锁模在脉冲激光器中进行，输出的脉冲序列包络和被动Q Q开关脉冲相似。开关脉冲相似。 优点：被动锁模的结构简单，不需要人为的控制。优点：被动锁模的结构简单，不需要人为的控制。 缺点：稳定性差。缺点：稳定性差。 输出的强度不稳定。输出的强度不稳定。 改进：改进： 人为加入周期性损耗，控制加压的时间人为加入周期性损耗，控制加压的时间 2L/c2L/c，可以提高稳定度。，可以提高稳定度。 在被动锁模激光
14、器中加入主动在被动锁模激光器中加入主动Q Q开关主开关主 被动锁模。被动锁模。 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Page: 11 3.3 被动锁模 染料调Q和染料锁模的区别 染料的弛豫时间不同染料的弛豫时间不同 用于锁模的染料是一种快饱和用于锁模的染料是一种快饱和 吸收体，锁模染料在强光作用下吸收体，锁模染料在强光作用下 可在瞬间饱和，变得透明，而在可在瞬间饱和，变得透明，而在 作用结束或光信号变弱时，又能作用结束或光信号变弱时，又能 瞬间恢复极大的吸收系数，从而瞬间恢复极大的吸收系数，从而 具有很低的透过率。换言之，染具有很低的透过率。换言之，染 料的弛豫时间
15、应远远小于锁模脉料的弛豫时间应远远小于锁模脉 冲的脉宽。冲的脉宽。 用于调用于调Q Q的染料，其弛豫时间达的染料，其弛豫时间达 到光腔渡越时间的量级即可。到光腔渡越时间的量级即可。 不仅最大的尖峰脉冲通过并在腔内振荡，尾随其后的不仅最大的尖峰脉冲通过并在腔内振荡，尾随其后的 小脉冲也能无损耗地通过并在腔内振荡。由于参与振小脉冲也能无损耗地通过并在腔内振荡。由于参与振 荡的各纵模初相位之间无固定关系，故输出地调荡的各纵模初相位之间无固定关系，故输出地调Q Q脉脉 冲其精细结构有涨落的特征。冲其精细结构有涨落的特征。 染料染料“ “开关开关” ”在最大尖峰脉冲通过的瞬间开在最大尖峰脉冲通过的瞬间开
16、 启，腔损耗变得很小。一旦最大尖峰脉冲启，腔损耗变得很小。一旦最大尖峰脉冲 通过，通过，“ “开关开关” ”立即关闭，腔损耗又恢复到立即关闭，腔损耗又恢复到 极大值状态。当最大尖峰脉冲在腔内往返极大值状态。当最大尖峰脉冲在腔内往返 一周再次通过染料时，一周再次通过染料时，“ “开关开关” ”才再次打开才再次打开 。如此，谐振腔的损耗就像受到周期性的。如此，谐振腔的损耗就像受到周期性的 脉冲调制，调制周期为光在腔内往返一周脉冲调制，调制周期为光在腔内往返一周 所用的时间，所用的时间，调制频率等于谐振腔的纵模调制频率等于谐振腔的纵模 间隔间隔。脉冲前后沿因受到染料的吸收而变。脉冲前后沿因受到染料的吸收而变 陡，输出脉宽窄。陡，输出脉宽窄。 第 三 章 超 短 脉 冲 技 术 长春理工大学电子科学与技术系Pa
