激光技术第三章下2010

第二阶段为脉冲压缩阶段，当脉冲比较强时，每经过激活
介质一次，由于饱和效应，只有前沿及中间部分得到放大，而 后沿由于得不到放大而被抑制，因此经过多次循环后，脉宽得
到压缩，最后形成一稳定的脉冲。这时，脉冲宽度、能量以及
泵浦脉冲与激光脉冲的相对位置保持不变。
二、同步泵浦锁模激光器的结构 图3.4-3所示为典型的 同步泵浦染料激光器结构
例如在靠近输出镜位置加的小孔光阑，亦可以直接利用掺钛
蓝宝石棒内高斯分布的增益区域所构成的增益光阑(也可称 之为三维光阑或软光阑)。掺钛蓝宝石激光器自锁模脉冲的
形成分为以下两个阶段：
1. 初始脉冲的形成 2. 稳定锁模脉冲的形成
1. 初始脉冲的形成 理论分析和大量的实验证明，连续运转的掺钛蓝宝石 激光器中的噪声脉冲由于达不到锁模的启动阈值，故该种 激光器的自锁模不能自启动，必须首先在腔内引入一个瞬
采用图3.3-5所示的谐振腔结构，分析腔内各种参数对锁模的 影响。从速率方程出发，可以导出光脉冲的增益系数：
假定激活介质位于谐振腔的中央(t r = t 1)，可饱和吸收体紧靠 全反射镜(t A= 0)，利用上述方程进行数值计算，得到如下结论：
(1)锁模的稳定区范围与吸收损耗和增益的大小成正比；较大 的吸收损耗产生较宽的稳定区，这时需要提高泵浦功率。
一、同步泵浦锁模原理 同步泵浦锁模通过调制腔内增益来实 现，如图3.4-1所示。例如采用一台主 动锁模氩离子激光器，泵浦染料激光 器，泵浦脉冲的宽度Tp为100-200ps （0.1-0.2ns），而染料激光器的激光
上能级的弛豫时间T31为纳秒量级(如
若丹明6G，T31＝5ns)，T31大于泵浦 脉冲宽度Tp，而小于光在谐振腔的循
膜时装置能产生自锁。这说明饱和吸收体的作用只是引入最弱的 调制来启动自锁模。 (3)采用量子阱反射器的耦合腔启动自锁棋。应使主动腔与辅助腔 的耦合程度较低(RL＞90％)，输出镜换成一个由半波片的偏振分 束器组成的可变输出耦合器。 (4)使用振动镜启动，用线性外腔或直接振动一个腔镜(一般为全 反镜)，频率25Hz，振幅小于0.5mm，可使Ti：S激光器由连续状 态进入自锁状态。
布，产生光强的空间调制而形成空间“光栅”。在形成空间光栅
的过程中，两脉冲能量的前沿被吸收，它的光强比单一脉冲使吸
收体饱和快，而且由于吸收体的弛豫时间大于光脉冲宽度，脉冲 后沿通过时，光栅的调制度仍然很大，便会受到后向散射而得到 压缩。因此，在时域上，两个脉冲每经过可饱和吸收介质一次， 前后沿受到切削，经过多次循环，将使脉冲得到的压缩加快。此 外,由于脉冲相干叠加形成的驻波场，使可饱和吸收体中有效光 场强度明显增加。 在频域上，由于非线性自相位调制效应，光场强度的增加必然
饱和状态的联合作用，最终形成超
短脉冲。不同之处在于激光染料的
上能级弛豫时间短(纳秒量级)，因此使增益衰减在脉冲产生中起 重要作用。通常染料吸收体的吸收截面大于增益介质的吸收截面， 使吸收体达到饱和的能量小于使增益介质饱和的能量，从而使脉
冲峰值得到的有效增益大于脉冲前沿得到的有效增益，这些都有 利于脉冲的形成。
一个声光调制器，使其频率与谐振腔周期的倒数匹配，激光器输
出为几十到几百ps量级的脉冲，脉冲重复频率由调制器的驱动频 率决定，这时激光器处于主动锁模状态。适当调整谐振腔，使激
光器进入自锁模，产生脉宽fs量级的锁模脉冲，平均功率几乎不
变。这时脉冲重复频率仅由腔频决定，与调制器驱动频率无关， 但两个频率精确匹配时，自锁状态最稳定。可以取激光腔输出信
导致频谱宽度的加宽，从而形成更窄的锁模脉冲。
由于染料的谱线宽，激光上能级的寿命短，因此染料锁模激光 器可以输出比固体锁模激光器更窄的脉冲。碰撞锁模染料激光器可
输出几十飞秒的脉冲序列。这是80年代锁模技术的重大突破。
3．4 同步泵浦锁模
同步泵浦锁模激光器，是采用一台锁模激光器脉冲序列，泵
浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模。
实现同步泵浦锁模的关键是，使被泵浦激光器的谐振腔长
度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍。
在一定的条件下，增益受到调制．其调制周期等于光在谐振
腔的循环周期。与损耗调制类似，在最大增益时域内形成一短脉 冲，其脉冲宽度比所用的泵浦脉冲宽度窄得多。 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义，因为染料具有很 宽的增益线宽(1013一1014Hz)，同步泵浦染料激光器产生的超短脉 冲的频率在1＜T
图3.4-1 同步泵浦染料激光器特性
(3．4—1)
第一阶段为增益阶段；第二阶段为脉冲压缩阶段。
在此条件下，激活介质
的反转粒子数仅仅取决于这
一瞬间得到的泵浦能 。如图 所示，泵浦使其增益系数逐
渐增大，直至超过损耗，达
到激光阈值以上。从这一瞬 间起产生受激辐射，激光脉 冲能量迅速上升，由于泵浦 脉冲序列的周期与光子在染 料激光器中往返一周的时间 相等，故谐振腔内的起始脉 冲，只有与泵浦脉冲同时到 达染料盒时才能得到放大。
号的频率分量(取二次谐波频率再四分频)来驱动调制器，这样调
制器的驱动频率就能自动与腔频匹配。
(2). 利用饱和吸收体也可以启动自锁模Ti:S激光器。在Ti:S激光 腔内插入一个饱和吸收体(如HITCI)，改变染料浓度直至最终形 成的锁模脉冲的脉宽和平均功率与染料无关，只是脉冲建立时间
受染料浓度的影响(浓度越大，建立时间越短)，并在去掉染料喷
自聚焦效应和腔内光阑的存在．受到一个与光强有关的损耗调
制，即： α = α
o
– β I (t)
(3.5-4)
自聚焦介质
掺钛蓝宝石
由于增益的存在，脉冲在腔内循环时，强度小的脉冲不断被 抑制而消失，强度大的脉冲不断增强，而且使其前后沿不断 损耗，脉冲中间部分被放大，脉冲宽度被压缩。对于一个光 脉冲，自聚焦效应与腔内光阑的结合就相当于一个快饱和吸 收体，它对光脉冲的前后沿有压缩作用。光阑可以是外加的，
式中， Im(t)为入射到△ L介质上
自聚焦介质
光束近轴的光强。从脉冲包络的时
域上看，脉冲前后沿的光强小于脉 冲中间的光强。根据式(3.5-2)和
掺钛蓝宝石
(3.5-3)可知:
1 fm c 4nm L I (t )
2 m
脉冲中间部分对应的类透镜焦距fm小于脉冲前后沿对应的焦距。
这样，当一个光脉冲通过自聚焦介质后，光脉冲前后沿的高斯
二、同步泵浦锁模激光器的结构
反射镜在激光谐振腔中是这样配置的，它使染料激光在反射镜 M2和M4之间振荡，而使得（与染料激光方向成一个小角度入射
的）泵浦光通过染料后则离开谐振腔。但激活介质中泵浦光的
光束束腰必须与染料激光的光束束腰很好地重叠。为此，两光 束间的夹角应尽量小，并采用良好的保散补偿装置。 ###
间扰动，造成高损耗，当腔镜复位时，腔中的光强产生强
烈涨落。当它们通过增益介质时，由于增益介质的自聚焦 效应，它与腔内光阑的结合等效于可饱和吸收体，经过自
振幅调制(SAM)和增益介质的线性放大，对脉冲进行选择、
放大、初步压缩，形成初始脉冲。
2. 稳定锁模脉冲的形成
腔内初始锁模脉冲形成以后，由于它的峰值功率较大，所 以在增益介质中由于非线性克尔效应，脉冲产生自相位调制 (SPM)，严重地改变了脉冲的相位。当光脉冲通过掺钛蓝宝石棒 时，又引起了很大的二阶正群速度色散(GVD)和三阶色散。在这 一阶段中。增益介质的自振幅调制和增益放大仍起主要作用， 只是由于脉冲功率增大，不可避免地要产生自相位调制和很大 的正群速度色散，不利于进一步压缩脉宽，而要用合适的负色 散去补偿，才可以得到最窄的脉冲宽度。
质、可饱和吸收体、泵浦源
picosecond
等。输出的脉冲宽度可达lps.
图3.3-7是产生飞秒量级的碰
撞锁模激光器(CPM)原理示 意图。在环形锁模激光器中
femtosecond
有两个反向传播的脉冲，它
们精确同步地到达可饱和吸 收体，发生相干叠加效应， 使可饱和吸收体中的光波电 场(或者光强)呈现周期性分
(2)稳定区范围非常敏感地依赖于在谐振腔内的周期与弛豫时 间之比T／T a31，一般必须满足 0．1＜ T／T a31 ＜10 (3．3—10) 的条件，如果T／T a31太小，增益衰减后利用泵浦重新建立反 转粒子数的时间不够。如果太大，脉冲前沿出现的强度涨落将 增大，并导致多脉冲。
2．被动锁模染料激光器的结构 图3.3-6示出了一种连续锁模 染料激光器的结构。主要包 括光学谐振腔、染料激光介
光束参数与脉冲中部的高斯光束参数不再一致，也就是说脉冲
通过自聚焦介质后,由于自聚焦效应，脉冲在时间上的光强变化 得以在空间上反映出来。
掺钛蓝宝石自锁模激光器中束腰有两个,一个在掺钛蓝宝石
介质内，另一个在激光腔的平面反射镜上或其附近。如果在束
腰附近加上光阑,根据上面的分析就可以使光脉冲前后沿的损耗 大于脉冲中部的损耗。也就是掺钛蓝宝石自锁模激光器中由于
激光器，腔内都存在这样的元件，它们首先从噪声中选取强度
较大的脉冲作为脉冲序列的种子，然后利用其锁模器件的非线 性效应使脉冲的前后沿的增益小于1，而使脉冲中间的增益大于
1，脉冲在腔内往返过程中，不断被整形放大，脉冲宽度被压缩，
直到稳定锁模。在掺钛蓝宝石自锁模激光器中，掺钛蓝宝石介 质折射率的非线性效应可表示为： n= no + n2 I (t) (3.5-1)
大量的实验及分析计算表明，自锁模必须采用附加措施来启动
(最初工作在连续状态)。最简单的方法是轻敲平台或某一腔镜
产生一个强度扰动以启动自锁模，启动后的Ti：S 激光器锁模 稳定运转时受周围环境扰动的影响，一旦失锁必须重新启动， 为此人们发明了许多主动及被动的启动和维持Ti：S自锁模运 转的方法：
(1). 利用声光调制再生启动的方案，即在原自锁模激光器内加入
示意图。它包括泵浦源、