第七章激光器特性的控制与改善课件.ppt

1、速率方程速率方程增益饱和增益饱和激激 光光 器器工作特性工作特性振荡阈值振荡阈值振荡模式振荡模式输出功率输出功率输出线宽输出线宽弛豫振荡弛豫振荡选选 模模调调Q/Q/锁模锁模/放大放大稳稳 频频LDLD直接调制直接调制/增益开关增益开关DFB,DFB,调调Q/锁模锁模谐振腔谐振腔理理 论论高斯光束高斯光束频率变换频率变换技术技术输出频率输出频率 模式选择 激光器稳频 调Q技术 锁模原理 锁模脉冲特性 峰值功率、脉冲间隔，脉宽、锁模方法 主动锁模：振幅调制、相位调制 被动锁模：染料锁模第七章第七章 激光器特性的控制与改善激光器特性的控制与改善7.1 模式选择 选模意义：基横模（TEM00）发散角

2、小空间相干性 单纵模 单色性好时间相干性1.横模选择 横模选择的物理基础：不同横模有不同的衍射损耗 横模选择原则 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗比 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例issdT210001 2000101 210exp11exp11g lrrg lrr1000 横模选择方法 谐振腔设计 小孔光阑 非稳腔 微调谐振腔合理选择腔型及腔结构参数，使 TEM00和 TEM10模之间有足够的差异圆形平面镜腔圆形镜共焦腔 小孔光阑选横模小孔小孔小孔小孔基本思路：减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗 TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点：方法简单 不易获

3、得大功率输出小孔光阑选模聚焦光阑选模 非稳腔选横模 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波 微调谐振腔微调谐振腔 高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，模体积大双凸平凹平凸222111aamaam21mmM 单程放大率往返一周放大率双凸腔222111lLlmlLlm本征函数121nnM本征值 nu xx01u 1ux22ux2.纵模选择提高时间相干性 在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 纵模选择原则 扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差 选纵模方法 短腔法缩短腔长，增大纵模间隔oscqLc2适用于荧光线宽窄的激光器适用于荧光线宽窄的激光器 0glFosc1.5DGHz0.1

4、1.5qLmGHz 单模单模YAG：112 10F例：He-Ne0.5Lmm 腔内插入 F-P标准具cos2 dcjrrdc12oscjLcq2F-P标准具的设计考虑Ld激光工作物质j Tl 0g插入FP后自由光谱区透射宽度1 1、谐振腔的锐度：品质因数、谐振腔的锐度：品质因数Q Q和精细度和精细度F F F-P腔中的平面波为例，两反射镜反射率分别为R1R21 2*220112211222/11,T01234outTTininEEEEEEIE EII TIRII TIRRR j2103j212j21j210e11Eeee1ETjsseEE211波阻抗E0-E0E1E2E3IinIoutT1,R

5、1T2,R2I00221212212221212222114sin211114sin2114 sin2ToutTinoutinIIR RR RIIRRRIR RR RRITIRRF-P 腔透过率曲线腔透过率曲线12()RRR2221212211122101RRqTqRRqTqR 50.99212.53 10RTq-0.200.20.40.60.811.21.400.10.20.30.40.50.60.70.80.91R=0.9R=0.8 R=0.7 q22222222LLkLLLcccv纵坐标可由或表示透过率T定义品质因数定义品质因数Q Q，表示腔的锐度，或者频率敏感程度，表示腔的锐度，或者频

6、率敏感程度0001 21 21 2Q122212121114sin2RRTR RR R01 2121 21 41222,2222122222cqcLkLqqLLRRcccLLLRR 1 2121 4,121 2121 4,121sin22122R RR RR RqR R ,sin22q 1 41201 21 201221R RLQLQQRQR R定义：精细度定义：精细度(Finesse)F=自由光谱区宽度半高全宽度F-P腔内平面波传输时1 4121 21 21 21221R RcLFR R-0.200.20.40.60.811.21.400.10.20.30.40.50.60.70.80.91

7、R=0.9R=0.8 R=0.7 2121例：L=1m，0=632.8nm R1=R2=0.99,=c/0=4.741014 Hz,1/2=480 kHz;Q=9.88108,F=313结论：精细度与腔长、波长无关，由F-P腔端面反射率决定RF 组合腔LD分布反馈(DFB)半导体激光器（Distributed Feedback）p-TYPEn-TYPEGRATINGP-TYPEn-TYPEDBRDBR分布布喇格反射(DBR)外腔半导体激光器02m隔离器激光工作物质抑制空间烧孔效应 行波环形腔7.2 稳频激光器一、外界因素对频率稳定性的影响 纵模频率：频率稳定性：谐振腔几何长度变化：温度、振动

8、10-3/oC 折射率变化：温度，起伏（放电电流、驱动电 流等），气压、湿度 单模氦氖激光器频率稳定性：10-4-10-5 =1010Hz 采取恒温、防震、隔声、稳压、稳流措施：10-7 Lcqq2二、稳频基本原理：稳定谐振腔光学长度 选择标准参考频率 获取误差信号 驱动电子伺服系统自动调节腔长三、稳频方法*兰姆凹陷*饱和吸收 塞曼吸收 F-P标准具稳频系统稳频系统光 电接 收频率稳定性：10-90 同相 0 同相 增益饱和+放置吸收管的谐振腔单程损耗 L111212lgATIPms输出功率P1曲线上形成反兰姆凹陷频率稳定性:10-1110-12 频率复现性 10-11632.8nm:碘同位素

9、蒸汽；3.39mm:甲烷；1530.3718 nm：乙炔ssIIII121100110101 0g1 111稳频系统稳频系统光 电接 收半导体激光器F-Pj T F-P标准具稳频 7.3 Q 调制 一、Q调制激光器工作原理1.调Q意义 压窄光脉冲宽度,使有限的激光能量在极短的时间内 输出以提高脉冲峰值功率 2.调Q基本思路：抑制弛豫振荡,使激光在n达到最大时的极短时间内 发生 通过某种方法使腔内损耗按规定的程序变化3.调Q基本术语 调Q 调腔内损耗 Q开关 执行调Q功能的器件；巨脉冲调Q产生的激光脉冲mEPt 什么是规定程序？泵浦激励期间(激光产生之前)：高损耗,(低Q),nt 高 反转粒子数

10、积累 在适当时刻(?)：低损耗,(高Q),nt 低 受激辐射放大形成巨脉冲在腔内加入阶跃变化的损耗机制适当时刻?泵浦 Q开关打开延迟时间：反转粒子数积累最多激光上能级寿命荧光寿命Q开关关闭Q开关打开High lossDelay timeLow loss二、调Q方法 转镜调Q：反射损耗 慢开关 声光调Q 衍射损耗 电光调Q：反射损耗 快开关 染料调Q 吸收损耗工作物质反射镜转镜 慢开关 开关时间 脉冲建立时间 如转镜调Q 快开关 开关时间 脉冲建立时间主动调Q：外加驱动源调节腔内损耗 如电光、声光调Q被动调Q：由腔内光强调节损耗 如染料调Q 电光调Qd激光工作物质VcEdccdxy6330633

11、02220VVVQ开关关闭 n积累ddQ开关打开 振荡形成巨脉冲思考：是否可以只用一个偏振控制器，V=?Q开关关闭？工作物质反射镜反射镜驱动源声光介质工作物质反射镜染料盒全反射镜1102I/IsT0.40.60.81.0sII102122hIs染料调Q（被动调Q）声光调Q：低增益连续激光器212MPHd 2sin21iIIBragg衍射 染料吸收峰与激光辐射中心波长吻合染料吸收峰与激光辐射中心波长吻合 但也不能过小但也不能过小ssII 三、脉冲透射式调Q（腔倒空 cavity depletion）脉冲反射式调Q 能量储存在介质 2nL/c 几十ns脉冲透射式调Q 能量储存在腔内 2L/c 几n

12、s 调Q方式 特 点 建立时间 脉宽PTMPulse Transmission ModulationPRMPulse Reflection Modulation振荡次数 泵浦激励时，V0 谐振腔处于低Q状态，积累n V=V 两全反镜构成高Q腔，光子能量储存在腔内，不能输出 V0 腔内光脉冲从格兰棱镜2 输出三、调三、调Q激光器的基本理论激光器的基本理论 用速率方程方法讨论调Q脉冲形成，研究Q突变过程中n和N的变化规律，脉冲峰值功率(Pm)及脉冲宽度(t)与n的关联性 特点:Q开关时间极短 几ns量级 讨论前提：三能级系统激光器（为什么？）Ll,F=1,f1=f2 及各模式振幅相等 nitnin

13、fntn0t0NRNnNdtdNv210dtdNnnt时Rtnv211dtdN,dtndnddNmNmPNi1.调Q速率方程及其解 理想阶跃开关；忽略泵浦及自发辐射引起的n的变化121nnnddNtndnndNnntNNii121两式相除积分itiinnnnnNNln21Ni t=0 时光子数密度nit=0 时反转粒子数密度(7-3-5)1312122121222WnAnnNdtndNnNdtdNRvvRttRNnndtndnnNdtdN21Rtnv211dtdndtnnddtnd212四能级系统在四能级系统在Q开关时间开关时间(ns)(ns)内内E E1 1E E0 0的粒子数很少，的粒子数

14、很少，n n1 1不能忽略不能忽略（习题7-9）2.脉冲峰值功率(Pm)1ln21ln21titittittimnnnnnnnnnnNmtNNnn,miNN Ptt 当itiinnnnnNNln21当两反射镜透过率分别为T和0，光束截面工作物质截面(S)STNhPmmv2121调调Q激光器输出峰值功率激光器输出峰值功率niinfn0tPNitntn(7.3.5)(L=l)Ll习题7-61ln21tititmnnnnnLlN荧光寿命红宝石钕玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20nsns工作介质12mmPN hSTv其中1ln21tititmnnnnnNQ开关插入损耗

15、小tinn Q开关“关死”结论：结论：timnnPtinn开关比;如何使 大mtiHPnntinn2（1）tiPnnP（2）（3）相同泵浦功率下为什么？为什么？(Q 0 0 耗开关打开时刻）单程损为时的单程损耗，为ttH3.调调Q脉冲能量（脉冲能量（E）前提：前提：F=1腔内脉冲总能量 E输出脉冲能量fifiEEVnnhE2121ifiEaTTEEaTTEififiinnnnnEE1能量利用率Ei 储藏在工作物质中可以转变为调Q脉冲的初始能量Ef 巨脉冲熄灭后剩余的能量（通过自发辐射逐渐消耗）注意公式条件注意公式条件 P.1741 1a,TTReeRlnT11112腔内一光子往返一周因输出而损

16、耗的能量百分数腔内一光子往返一周损耗能量的百分数aTRaRaRReeeaaRln11111112思考：如果R2也较小，上式应如何修正？ifinnEE结论：itiinnnnnNNln0lniftfinnnnniNN 熄灭时ifitifnnnnnnln1调Q激光器能量利用率iEaTTEifinnEE1能量利用率%.nnti90524.调Q脉冲宽度22mmmNNNtrteRtNnndtnd2ndnNntnntRi21积分(7-3-5)代入nnittitiRinnnnnnnNnndtln2121etnntttiRennnnnnnndtlntinnittiRrnnnnnnnndtln上升沿上升沿下降沿下

17、降沿(7-3-4)t 0iN理论计算与实际测量脉宽产生误差的原因：n 分布不均匀(泵浦、激励不均匀，中心大，边缘小)脉冲建立时间不同(中心部分先建立，边缘后建立）输出脉冲为从中心到边缘多个脉冲的叠加的结果，故变宽。Q 开关时间（非理想阶跃）Pm的粗略估算tEPm数值求解(1)脉宽变窄,且前沿更陡 (2)调Q激光器设计,L和 T 要折衷考虑ertittnn,RtcLR7-5 锁模(Mode Locking)超短脉冲(ps-fs)一、引言一、引言 自由运转（非锁模）多模激光器的输出特性 每个纵模的电场表达式 相邻纵模间的频率间隔 ()qqzitvqqEtE eLLcLqqcv22 qqtiqqeE

18、tE总输出qq 1tE二、锁模原理 多纵模相位锁定相位锁定qq 1锁模物理机制：采取措施使腔内各个纵模的初始相位保持一致或各纵模间有确定的相位关系,输出为等间隔短脉冲序列各纵模建立时间不同，Eq,q,q不同，输出为多个纵模无规叠加的结果举例:三个纵模锁定后的光波叠加tEEtEEtEE1031021016cos4cos2cos1,2,3 2 21,3 31 E1=E2=E3=E0 ,1 2 3 0（振幅相等）（初始相位为0）11/312/310E(t)0202003211030211030211202003219310,21320,2131930EEEEEEEEtEEEEEEtEEEEEEtEE

19、EEEEEEt极大值极大值极大值极大值极小值极小值极小值极小值101201301cos 2cos 4cos 6EEtEEtEEtI(t)引伸:假设 2N+1 个模振荡,振幅相同(E0)qqqq01Lcq相邻纵模间相位差相邻纵模角频率间隔 0000coscoscosNNqNqNE tEqtqEtqt 锁定时q-N-(N-1)-2-1012(N-1)Nq0-N0-(N-1)0-00+0+(N-1)0+Nq-N-(N-1)-0(N-1)N ttNEtA21sin1221sin0 001sin212cos1sin2ENtE ttt .振幅调制包络振幅三、锁模脉冲特性三、锁模脉冲特性 (1)峰值功率 I

20、m (光强极大值)20212102ENI.,mmtm有极大值 锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的（2N1）倍 模式个数多有利于锁模脉冲峰值功率的提高 振荡模式增多的途径：模式个数 ttNEtEtI21sin1221sin222022012ENI未锁定时(2)锁模脉冲间隔相邻脉冲极大值之间间隔(T0)vL2qcLT1220Lq F（荧光线宽宽）FoscqNNcLN111211212122(3)脉冲宽度()通过nF 可估算锁模脉宽 钕玻璃 F 7.51012HZ ps激光器类型激光器类型荧光线宽荧光线宽（s s-1-1）荧光线宽的倒数荧光线宽的倒数(s)(s)脉冲宽度脉冲宽度（测量值）（测量值）(s)

21、(s)氦氖1.51096.6610-10610-10Nd:YAG1.9510115.210-127.610-12钕玻璃7.510121.3310-13410-13若丹明 6G5101231013210-13310-14310-14GaAlAs(0.85m)101310-130.53010-12InGaAsP(1.55m)1012101310-1210-1345010-12钛宝石(900nm)1014fs四、锁模方法四、锁模方法 主动锁模(Actively mode locked)*腔内插入调制元件，强迫各纵模初相位相同 *振幅调制 相位调制 被动锁模(Passive mode locking)

22、腔内放入可饱和吸收体，吸收系数 与光强有关 使各纵模相位锁定 I损耗调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)LcLcqq2(1)振幅调制(AM)法锁模（损耗调制锁模）从时域角度解释AM锁模损耗调制频率损耗调制周期 Lc2cLT 20周期为T0,宽度极窄的光开关t1时刻光信号光信号可无损通过，经 t1nT0，此信号将再次无损通过；02tt2时刻光信号 每次经过调制器则损失一部分能量；结果：结果：的光信号的光信号,能形成光振荡能形成光振荡,其余光信号其余光信号 01t损耗调制器（光开关）工作物质LcLcqq2 0011Ttttt1t2tcL2从频域角度00000020200303001122.

23、脉冲在时域上被压窄的同时，脉冲在时域上被压窄的同时，在频域上被加宽在频域上被加宽Lcq 0000coscosttEEtEm 0000coscos1ttMEtEa.cos2cos2cos0000000000tEMtEMtEtEaa0EEMma其中(调幅系数调幅系数)(2)相位调制锁模相位调制锁模(频率调制)随外加电压变化30632xxzlE lcc tEEzcos0 ttcos相位调制函数 相位调制幅度 ttEtEcoscos0000频率频率偏移偏移 dttdt ttsin0相位调制器工作物质LcLcqq2 00cossinzEEtttt ttcost=t0,t1,t2,t3.0tt=t0,t1

24、,t2,t3.每经过调制器一次会产生频移,使频移增大，最终导致光频移出增益曲线外，不再被放大。相位调制器的作用类似损耗调制器，纵模锁定机制与幅度调制时相似。（3）可饱和吸收体被动锁模）可饱和吸收体被动锁模Saturable absorber脉冲压缩机制：脉冲压缩机制：脉冲两翼较脉冲中部经历更多损耗，足够强的脉冲中部光强可使吸收饱和最终使两翼光强越来越低，脉冲顶部越来越高，脉冲被压窄1102I/IsT0.40.60.81.0吸收体上能级寿命2L c2L c上能级寿命饱和吸收体自启动光开关（强光打开，弱光关闭）强光尖峰脉冲透过率大，损耗小，形成稳定振荡 弱光信号透过率小，损耗大，衰减殆尽(开关速度

25、)问题1：最初的光尖峰脉冲如何形成？问题2：如何自启动(self-starting)？问题3：实际应用的快速饱和吸收体(1ps)有机染料：若丹明6G，隐化青等 半导体吸收介质：单层或许多量子阱层堆叠；超晶格结构；饱和Bragg 光栅；半导体光放大器 光纤或半导体材料的非线性光学效应问题4：被动锁模激光器输出脉冲周期（或频率）？Saturable absorber问题问题5 5：锁模激光器中的关键器件？：锁模激光器中的关键器件？SOAEAM10GHzor LiNbO3主动锁模光纤环形激光器SOA半导体光放大器EAM电吸收调制器腔长 20米输出脉冲宽度：10ps 10qMHzP Po ol la

26、ar ri iz ze er rI Is so ol la at to or rP Po ol la ar ri iz ze er rC Co on nt tr ro ol ll le er rP Po ol la ar ri iz ze er rC Co on nt tr ro ol ll le er r9 90 0:1 10 0C Co ou up pl le er r1 15 55 50 0/9 98 80 0W WD DM M C Co ou up pl le er rE ED DF F利用法拉第偏振旋转效应的被动锁模光纤环形激光器腔长：几十米输出脉冲宽度：几十飞秒(fs)or EDF

27、A考察短脉冲短脉冲在腔内经 增益介质增益介质 损耗调制器损耗调制器 反射镜反射镜 反射后回到起始点是否正好能映射自身五、均匀加宽激光器主动锁模(AM)自洽理论自洽理论要点：考察腔内某一点的光脉冲，在腔内往返一周后能自再现,即E1(t)=E3(t)损耗调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2ib物理意义？光脉冲光脉冲：高斯形 202021ttittibteAeeAetE决定高斯脉冲包络形状 锁模系统的线性啁啾 啁啾频率 tt0光脉冲光脉冲E(t)增益介质增益介质 E()反射镜反射镜 损耗调制器损耗调制器 E(t)(Self-consistent theory)高斯脉冲频谱：bti

28、ebAdtetEE411201221 调制器调制器 VVttTmll222sin2cos2 反射镜反射镜 反射系数 21,rr(调制深度）均匀加宽工作物质：均匀加宽工作物质：HHHHHHgg2222202000振幅调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2 tibteAetE021高斯脉冲1 1.B B点频谱点频谱 两次经过增益介质，由反射镜两次经过增益介质，由反射镜1 1反射反射 2.C2.C点时域特性点时域特性 经反射镜经反射镜2 2反射，并两次通过振幅调制器反射，并两次通过振幅调制器 tEtTtTrtEtEtEE223322 lglglgHHHeErereEEEEtE000

29、112112112211？（小信号情况）振幅调制器工作物质E1(t)E2(t)E3(t)BCr1r2 对 进行处理 0Hg tiQtlgeeeQbrAtEm0241212120HHxx111 lgHeErE0112 tEE22傅立叶变换得 220202202000212122HmHmHHHHgggg QlgeerAEm2012122241HmlgbQ(高斯脉冲频谱)式中式中bebAE412012代入1.B点频谱 两次经过增益介质，由反射镜1反射 tEtTtTrtE223 tiQtlgeeeQbrAtEm0241212 其中对损耗调制器作些处理：T(t)22122221122cos2sin2co

30、stllllettttT titQlgeeeQbArrtElm022412121312 tibteAetE021自洽条件：tEtE13222241214121HmlllbgbQb12sint1242blgHm,2412HmlgbQ2.C点时域特性 经反射镜2反射，并两次通过调制器损耗调制锁模的自洽条件，即0，系统无啁啾啁啾(chirp)即理想的振幅调制锁模脉冲无频率啁啾lgbmHql22（b为实数）求得0,bib高斯脉冲谱宽:2ln21高斯脉冲宽度：2ln22 t 222teAtI 22ln20tItI21220be2222lnb2041222ln21脉宽2121122ln22ln2Hqlmlg谱宽212122ln22ln21Hqmllg实际锁模激光器大多偏离变换极限值，是由于调制频率与纵模间隔失配或介质内的非线性效应造成频率啁啾等4412.02ln2 振幅调制锁模衡量锁模激光器水平的标志,是否完全锁模的标志。相位调制锁模，输出脉冲 0，根据脉冲自洽条件得 626.02ln22 孤子(Soliton)脉冲 双曲正割315.0（高斯脉冲变换极限）