【正文】 制信號的波形； 圖 (b)為腔內(nèi)損耗的波形，其頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍； 圖 (c)為調(diào)制器透過率波形； 圖 (d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場； 圖 (e)為腔內(nèi)經(jīng)過調(diào)制后的光波電場； 圖 (f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。 HeNe 由調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是與 υ 0相鄰的兩個(gè)縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個(gè)縱模開始振蕩，它們 具有確定的振幅和與 υ 0相同 假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為 υ 0 ，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場表達(dá)式為 當(dāng)該光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時(shí)，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量 υ 0177。 υ m 。當(dāng)損耗變化的頻率 υ m和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時(shí)， E(t)=E0cosω 0t () 的相位關(guān)系 。而后 ， υ 1和 υ 1通過增益介質(zhì)被放大，并通過調(diào)制器得到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻 υ 2= υ 1+ c/2L和 υ 2= υ 1 c/2L 及 υ 3= υ 2+ c/2L和 υ 3 = υ2 c/2L等等。此過程繼續(xù)進(jìn)行，直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止，如圖所示。 (1)主動(dòng)鎖模激光器中所有光學(xué)元件的要求應(yīng)比一般調(diào) Q器件更加嚴(yán)格，端面的反射必須控制在最小，否則由于標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)會(huì) 減少縱橫個(gè)數(shù)，破壞鎖模的效果。 (2)調(diào)制器應(yīng)放在腔內(nèi)盡量靠近反射鏡處，以便得到最大的縱模之間的耦合效果。調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小。 (3)鎖模調(diào)制器的頻率必須嚴(yán)格調(diào)諧到 fm=△ υ q＝ c/2L，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。 二、主動(dòng)鎖模激光器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn) 被動(dòng)鎖模激光器 在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗．當(dāng)滿足鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機(jī)理和特點(diǎn)，被動(dòng)鎖模分為固體激光器的被動(dòng)鎖模和染料激光器的被動(dòng)鎖模兩種類型。 一、固體激光器的被動(dòng)鎖模 1 工作原理 由于染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度激光能使染料吸收飽和。上圖示出了激光通過染料的透過率 T 隨激光強(qiáng)度 I 的變化情況。強(qiáng)信號的透過率較弱信號的為大，只有小部分為染料所吸收。強(qiáng)、弱信號大致以染料的飽和光強(qiáng) Is來劃分。大于 Is的光信號為強(qiáng)信號，否則為弱信號。 在沒有發(fā)生鎖模以前，假設(shè)腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的，但還有一些起伏。 由于染料具有可飽和吸收的特性，弱的信號透過率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號則透過率大，損耗小，且其損耗可通過工作物質(zhì)的放大得到補(bǔ)償。 所以光脈沖每經(jīng)過染料和工作物質(zhì)一次。其強(qiáng)弱信號的強(qiáng)度 相對值就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會(huì)越來越大。脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過，則使脈沖變窄。 從頻率域分析 ， 開始時(shí)自發(fā)輻射的熒光以及達(dá)到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖 ， 經(jīng)過可飽和吸收染料在噪聲脈沖中的選擇作用 ，只剩下高增益的中心波長 、 及其邊頻 ， 隨后經(jīng)過幾次染料的吸收和工作物質(zhì)的放大 ， 邊頻信號又激發(fā)新的邊頻 ， 如此繼續(xù)下去 ，使得增益線寬內(nèi)所有的模式參與振蕩 ， 于是便得到一系列周期為2L/c 的脈沖序列輸出 。 在被動(dòng)鎖模激光器中，由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大致分為三個(gè)階段，如圖所示。其過程的 實(shí)質(zhì) 是 最強(qiáng)的脈沖得到有選擇的加強(qiáng)，背景脈沖逐漸地被 抑制 ，三個(gè)階段可簡述如下。 起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生 ， 當(dāng)超過激光閾值時(shí) ， 初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量 ， 并且具有隨機(jī)相位關(guān)系的激光縱模之間的干涉 ， 因而導(dǎo)致光強(qiáng)度的起伏 ， 脈沖總量很大 。 在一個(gè)周期2L/c時(shí)間內(nèi) ， 光脈沖通過 有機(jī)染料和激光介質(zhì) 各一次 ， 在 吸收體染料 中 ， 對強(qiáng)脈沖吸收得少而對弱脈沖吸收得多 。 在激光介質(zhì) 中 ， 產(chǎn)生線性放大 ， 其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用 。 (1)線性放大階段 該階段的主要特點(diǎn)是強(qiáng)脈沖使 染料吸收飽和，“漂白”了染料，從而使脈沖強(qiáng)度得到很快的增長，而大量的弱脈沖受到染料的吸收而被抑制掉，使發(fā)射脈沖變窄，譜線增寬。 (2)非線性吸收階段。 (3)非線性放大階段 工作物質(zhì) 的放大進(jìn)入非線性階段。其結(jié)果使前后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎被完全抑制，最后輸出一個(gè)高強(qiáng)度窄脈寬的脈沖序列。此階段使脈沖壓縮，頻譜增寬。 典型的鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu)示于下圖。這種激光器主要包括光學(xué)諧振腔、激光棒、染料盒以及小孔光闌。為了得到高重復(fù)率的高質(zhì)量鎖模脈沖序列，對染料濃度、泵浦強(qiáng)度和諧振腔的設(shè)計(jì)及調(diào)整等都有嚴(yán)格的要求，否則，激光輸出將極不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)被動(dòng)鎖模激光器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 2．被動(dòng)鎖模固體激光器的結(jié)構(gòu) (2)用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件： 與激光波長相匹配； b. 其吸收線的線寬大于或等于激光線寬； c.其弛豫時(shí)間 短于 脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間。 (1)為了消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，應(yīng)將光學(xué)元件表面切成布儒斯持角 (或2o3o傾角 )，鍍以增透膜及傾斜放置等，以利于消除非工作表面的反射。為了防止末端元件的反射光進(jìn)入腔內(nèi)，全反鏡的后表面應(yīng)磨成楔形。 表中列出了用于鎖模的幾種染料的飽和光強(qiáng) (Is)和弛豫時(shí)間 (T21b)。 染料盒應(yīng)盡量靠近反射鏡放置 ， 一般為 l~2mm， 有時(shí)可將染料盒和全反鏡合為一體 ， 有利于脈沖反射前沿和入射后沿在染料中重疊 ，以利于吸收體在光強(qiáng)度大時(shí)達(dá)到飽和 。 染料的弛豫時(shí)間 :染料由飽和到恢復(fù)到高吸收狀態(tài)的時(shí)間 在結(jié)構(gòu)形式上 ,被動(dòng)鎖模類似于被動(dòng)調(diào) Q,但有區(qū)別 ,被動(dòng)鎖模要求可飽和吸收體的上能級壽命特別短 ,而且被動(dòng)鎖模和被動(dòng) Q開關(guān)所用的染料弛豫時(shí)間 T21b也不同 . 如果 T21b很大 ,且滿足 T21bΔT(指鎖模主脈沖寬度 ),則一旦尖峰脈沖將染料飽和 ,猶如開關(guān)被打開 ,不僅最大尖峰暢通無阻 ,而且尾隨其后的小起伏輻射也能無損耗地在腔內(nèi)傳播 ,在激光工作物質(zhì)放大下 ,這些脈沖由弱變強(qiáng) ,該脈沖的包絡(luò)即調(diào) Q脈沖 . 如果 T21b很短 ,且滿足 T21bΔT(指鎖模主脈沖寬度 ),則在最大尖峰脈沖通過染料的瞬間 ,染料開關(guān)被打開 ,腔的損耗變得很小 ,而且一旦此尖峰脈沖通過染料 ,開關(guān)即刻關(guān)閉 ,腔損耗又恢復(fù)到極大值狀態(tài) ,直到最大尖峰在腔內(nèi)往返一周 ,經(jīng)工作物質(zhì)放大后又來到染料盒 ,開關(guān)重新打開 ,這種情況下輸出的是鎖模脈沖 . 被動(dòng)鎖模和被動(dòng)調(diào) Q的區(qū)別 在染料激光器諧振腔內(nèi)插入可飽和吸收染料 ， 可以實(shí)現(xiàn)染料激光器的被動(dòng)鎖模 。 1． 工作原理 圖示出了被動(dòng)鎖模染料激光器的裝置 。 若丹明 6G染料作為激光增益介質(zhì) ， DODCI染料作為可飽和吸收體 ， 調(diào)諧元件用以調(diào)節(jié)激光輸出的波長范圍 。 二、染料激光器的被動(dòng)鎖模（了解） 相似， 首先通過染料吸收體的非線性吸收和激光介質(zhì)的放大作用，從漲落的噪聲背景中選擇出強(qiáng)漲落峰值，然后通過可飽和吸收體和激光介質(zhì)飽和狀態(tài)的聯(lián)合作用，最終形成 超短脈沖。 不同在于激光染料的 染料鎖模激光器產(chǎn)生超短脈沖的過程與固體激光器被動(dòng)鎖模 上能級弛豫時(shí)間短 (納秒量級 )， 因此使增益衰減在脈沖產(chǎn)生中起重要作用 。 通常染料吸收體的吸收截面大于增益介質(zhì)的吸收截面，使吸收體達(dá)到飽和的能量小于使增益介質(zhì)飽和的能量，從而使脈沖峰值得到的有效增益大于脈沖前沿得到的有效增益，這些都有利于脈沖的形成。 同步泵浦鎖模 同步泵浦鎖模激光器，是 采用一臺鎖模激光器脈沖序列，泵浦另一臺激光器 ， 通過調(diào)制腔內(nèi)增益的方法獲得鎖模。 實(shí)現(xiàn)同步泵浦鎖模的關(guān)鍵是，使被泵浦激光器的諧振腔長度與泵浦激光器的諧振腔長度相等或是它的整數(shù)倍。 在一定的條件下，增益受到調(diào)制。其調(diào)制周期等于光在諧振腔的循環(huán)周期。與 損耗調(diào)制類似，在最大增益時(shí)域內(nèi)形成一短脈沖，其脈沖寬度比所用的泵浦脈沖寬度窄得多 。 同步泵浦鎖模對染料激光器具有實(shí)用意義，因?yàn)槿玖暇哂泻軐挼脑鲆婢€寬 (1013～ 1014Hz)，同步泵浦染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在整個(gè)光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 同步泵浦鎖模 通過調(diào)制腔內(nèi)增益 來實(shí)現(xiàn) ，如圖所示。例如采用一臺主動(dòng)鎖模氬離子激光器，泵浦染料激光器，泵浦脈沖的寬度 Tp為 100200ps（ ） ，而染料激光器的激光上能級的弛豫時(shí)間 T31為納秒量級 (如若丹明6G， T31＝ 5ns)， T31大于泵浦脈沖寬度 Tp，而小 于光在諧振腔的循環(huán)周期T＝ 2L/c即 : 一、同步泵浦鎖模原理 Tp ＜ ＜ T31＜ T 同步泵浦染料激光器特性 在此條件下 ， 激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅僅取決于這一瞬間得到的泵浦能 。如圖所示 ， 泵浦使其增益系數(shù)逐漸增大 ，直至超過損耗 ， 達(dá)到激光閾值以上 。 從這一瞬間起產(chǎn)生受激輻射 ， 激光脈沖能量迅速上升 ， 由于泵浦脈沖序列的周期與光子在染料激光器中往返一周的時(shí)間相等 ， 故諧振腔內(nèi)的起始脈沖 ， 只有與泵浦脈沖同時(shí)到達(dá)染料盒時(shí)才能得到放大 。 這樣由前次泵浦所產(chǎn)生的染 同步泵浦染料激光器特性 料激光脈沖，在腔內(nèi)往返一周到達(dá)染料盒時(shí)，染料恰好被泵浦處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，激光脈沖的能量經(jīng)過增益介質(zhì)后得到放大，經(jīng)過多次循環(huán)后脈沖得到較大的能量，這是脈沖形成的第一階段 ——增益階段 。 第二階段為脈沖壓縮階段，當(dāng)脈沖比較強(qiáng)時(shí)，每經(jīng)過激活介質(zhì)一次，由于飽和效應(yīng)，只有前沿及中間部分得到放大，而后沿由于得不到放大而被抑制，因此經(jīng)過多次循環(huán)后，脈寬得到壓縮，最后形成一穩(wěn)定的脈沖。這時(shí)，脈沖寬度、能量以及泵浦脈沖與激光脈沖的相對位置保持不變。 右圖所示為典型的同步泵浦染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。它包括泵浦源、光學(xué)諧振腔、激光介質(zhì)及調(diào)諧元件等。泵浦源一般采用主動(dòng)鎖模的氬離子激光器或固體鎖模激光器，這可根據(jù)激光介質(zhì)的類型來定；對于染料激光器，一般采用三個(gè)反射鏡組成的折疊腔結(jié)構(gòu)作為染料激光諧振腔。反 射鏡 M1將 二、同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu) 泵浦光脈沖序列饋入染料激光腔中。泵浦光和激光同時(shí)以一個(gè)小夾角通過染料，反射鏡 M2使激光反射，然后在輸出鏡 M4被部分反射、部分輸出。反射鏡在激光諧振腔中是這樣配置的，它使染料激光在反射鏡 M2和 M4之間振蕩，而使得 （與染料激光方向成一個(gè)小角度入射的） 泵浦光通過染料后則離開諧振腔。但激活介質(zhì)中泵浦光的光束束腰必須與染料激光的光束束腰很好地重疊。為此，兩光束間的夾角應(yīng)盡量小，并采用良好的保散補(bǔ)償裝置。 在激光腔內(nèi)勿需插入任何調(diào)制元件，而是利用激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)鎖模，稱之為自鎖模。 大約 在 1965年，人們曾分別在 He—Ne激光器、銅蒸氣激光器、 Nd； YAG激光器中觀察到了自鎖?，F(xiàn)象。但由于這些激光器中，自鎖模脈沖序列不能自維持，因此一直未引起人們的重視。 1991年 Wilson Sibbett首次在摻鈦藍(lán)寶石連續(xù)激光器中，自鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)獲得成功。 從此以后，固體激光器自鎖模的研究成了超短脈沖領(lǐng)域的熱門課題。目前自鎖模脈沖寬度可達(dá) 6 fs。 自 鎖 模 )(142tIcLnf mmm ??????摻鈦藍(lán)寶石 自聚焦介質(zhì) 關(guān)于摻鈦藍(lán)寶石激光器 (Ti： Al2O3)自鎖模的原理至今尚無統(tǒng)一的理論解釋。但大多數(shù)認(rèn)為，其自鎖?，F(xiàn)象與摻鈦藍(lán)寶石增益介質(zhì)的克爾效應(yīng)引起的光束自聚焦有關(guān)。摻鈦藍(lán)寶石激光器自鎖模屬于被動(dòng)鎖模。從時(shí)域角度看，任何帶有被動(dòng)性質(zhì)的鎖模激光器，腔內(nèi)都存在這樣的元件，它們首先從噪聲中選取強(qiáng)度較大的脈沖作為脈沖序列的種子，然后利用其鎖模器件的非線性效應(yīng)使脈沖的前后沿的增益小于 1，而使脈沖中間的增益大于 1，脈沖在腔內(nèi)往返過程中，不斷被整形放大，脈沖寬度被壓縮，直到穩(wěn)定鎖模。在摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中，摻鈦藍(lán)寶石介質(zhì)折射率的非線性效應(yīng)可表示為： 一、自鎖模機(jī)理 n= no + n2 I (t) () 式中 ,no為與光強(qiáng)無關(guān)的折射率， n2為非線性折射率， I (t)為脈沖的光強(qiáng)。由于光強(qiáng)的高斯分布，當(dāng)其通過介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)。取介質(zhì)的某一小段 △ L，則自聚焦效應(yīng)的焦距為 : 式中， ωm為入射到該段介質(zhì)的光斑大小； α 為一常量，大約 。 △ nm為入射光軸線 上折射率的變化， Lnf mmm ??? 42?? () △ nm = n2 Im (t) () 式中， Im(t)為入射到 △ L介質(zhì)上光束近軸的光強(qiáng)。從脈沖包絡(luò)的時(shí)域上看，脈沖前后沿的光強(qiáng)小于脈沖中間的