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。 （一）线性放大阶段 各模式振荡（由光的随机起伏－相位固定过度）,增加强弱脉冲的差 别，甚至使弱脉冲消失。 特点：初始阶段，有机染料未饱和－非线性吸收光波场－自发辐射的 荧光－G> 时，产生激光，在激光介质中线性放大-增益未饱和。 自发辐射的荧光几乎包括腔内所有模式，频谱宽，但光强弱，随着 的增加，当G> 时，产生激光，激光强度波形涨落形式，腔内总电 场可表为各模式电场之和。各模之间的相位无规则分布.
被动锁模固体激光器的结构 为了消除标准具效应，应格光学元件表面切成布儒斯特角 用于锁模的可饱和染料必须具备如下条件(a)染料的吸收诺 线与激光波长相匹配(b)其吸收线的线宽大于或等于激光线 宽。(c)其弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间 泵浦功率以略高于激光阈值为宜
染料激光器的被动锁模
当n2的弛豫时间Tr远远比脉冲宽度τp快
n(t ) n2 I (t )
(t ) KLn(t ) KLn2 I (t )
(t ) 0 (t ) (t )
(t ) (t ) [ KLn 2 I (t )] t t
(t ) 2 c(t ) 2 [ KLn2 I (t )] t t
相位调制脉冲
3.4.2 同步泵浦锁模激光器的结构
泵浦激光器 染料激光器
同步泵浦染料激光器的示意
能产生非常稳定的超短脉冲的装置示意图
快速控制回路 慢速控制回路
采用两种控制回路的同步泵浦染科激光器
3.5 自锁模 自锁模技术的发展 自锁模技术的优点
自锁模技术才有可能得到最窄脉冲 噪声低,稳定性好
掺钛蓝宝石晶体的荧光光谱
泵浦源
氩离子(Ar+)激光器 倍频Y 色散补偿 自锁模激光器的自启动
超短脉冲压缩技术
超短光脉冲传输过 程中的非线性效应 介质中的色散效应
介质的色散
2 2 d n D d2
n(t ) n n0 n2 I (t )
3.5.1 自锁模机理
定义：在一定的条件下，激光介质和谐振腔内的激光辐 射之间的相互作用，可以使振荡模之间保持一固定相位 关系，而不需加任何其他锁模元件，自锁。钛宝石激光 器中的自锁取得成功。 大多数认为,自锁模现象与掺钛蓝宝石增益介质的克尔效 应引起的光束自聚焦效应有关 2 m fm n n0 n2 I (t ) 4nm L
i U (0, ) exp( 2 2 z iT )d 2 2 T02 T T2 U (0, T ) exp( 2 ) U ( z, T ) 2 exp[ ] 2T0 T0 i 2 z 2(T02 i 2 z )
T1 T0 [1 ( z LD ) ]

t
稳定的脉冲状态（锁模区）
(1)泵浦能量越大或反射率越大，则脉冲能量越大而 脉宽越窄。在反射率或泵浦能量比较小的情况下，脉 冲宽度倒数和脉冲能量显示出单调的特性。 (2)泵浦能量和反射率不同，产生的最窄脉冲的时延 也不同。 (3)脉冲的形状与泵浦能量和反射率有关。当泵浦能 量和反射率比较小时，脉冲几乎是对称的。反之，随 着泵浦能量和反射率的增大．脉冲逐渐呈不对称型。 泵浦能量保持不变而脉冲宽度改变，对激光脉冲的参 数影响不大。
被动锁模染料激光器的结构 被动锁模染料激光器的工作原理 与固体染料激光器的不同之处
用闪光灯泵浦的染料激光器的谐振腔结构
染料激光器腔内参数对锁模的影响
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。 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 T31
在一周期2L/c时间内，光波通过有机染料、激活介质各一次。强脉 冲吸收的少，弱脉冲吸收的多-非线性吸收；在激活介质中，强脉冲放 大的多，弱脉冲放大的少－线性放大，因此强脉冲加强，弱脉冲光强 减少，甚至消失，脉冲个数减少，频谱变窄－这种变化的周期2L/c 。 结果：脉冲个数减少，频谱变窄，放大的强信号变得平滑和加宽。 注意：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。
3.3 被动锁模
3.3.1 固体激光器的被动锁模: 在腔内放一个装有机染料的染料盒，依靠有机染料的 饱和吸收过程（有机染料的饱和吸收原理在Q开关中已 经讲过），染料的吸收率是频率和光强的函数。 时域的分析 频域的分析 和Q开关的区别 ① 染料的激发态寿命不同 ② 染料盒紧靠全反镜
被动锁模的物理过程
从形成过程看，被动锁模是由很多脉冲相互竞争的结果。 脉冲的出现是随机的，造成每一次输出不同。受染料的浓 度，泵浦光源，谐振腔的结构，调整误差影响。
锁模脉冲的形成 ta－线性阶段开始，tb－非线性阶段开始，tc －非线性放大， 增益饱和。td－增益降至阈值，到达最大光强，脉冲的包络振 幅，由饱和光强和反射镜的透过率决定。 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 开关脉冲相似。 被动锁模的过程 (1)频谱：宽频谱－窄－宽 (2)光强：光的随机起伏－光有规律－形成一个脉冲。 (3)相位－由相位随机－相位固定。 特点： 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。输出的强度不稳定。
谐振腔
反射镜,可以选择激射波长
M2
H M1 L1 C M3
F
工作介质 泵浦源
L2
P1
P2 M4
工作介质,掺钛蓝宝石 物理特性
掺钛蓝宝石晶体是掺钛的 Al2O3单晶,属六角晶系 物化性质与红宝石相似,稳定 性好 热导率是Nd:YAG的3倍 熔点2050℃硬度大(9级),折射 率为1.76
掺钛蓝宝石晶体的结构
Ti3+的能级结构
Ti3+的电子态1s22s22p63s23p63d1 角量子数为l=2,自旋量子数s=±1/2,因此电子轨道有5种 取向,能级为5重简并
能级分裂情况
钛宝石晶体的光学吸收 和发射过程示意图
吸收光谱,荧光光谱 品质因素 FOM m r
掺钛蓝宝石晶体的吸收光谱
碰撞锁模激光器装置
在碰撞锁模激光器中存在可饱和增益,可饱和吸收,自 相位调制和色散四种主要物理机制,四者的平衡是获 得窄脉冲稳定锁模的关键.
碰撞锁模环形激光器
3.4 同步泵浦锁模
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
(t ) cI (t )
c(t ) c I (t ) t
超短光脉冲在介质传输中的自相位调制效应
光栅对
激光腔内插入负色散元件
A 1 2 A i 2 z 2 T 2
U ( z, t ) 1 2

i U ( z, ) U (0, ) exp( 2 2 z ) 2
2 12
LD
T02
2
自锁模脉冲的压缩
产生负群速度色散的方 法有衍射光栅等多种, 目前最广泛应用的是在 激光腔内插入两块高色 散的棱镜
2 2 d 2 n d 2P 1 dn dn 4l 2 2n 3 sin 2 cos d2 n d d d
（二）非线性吸收阶段（进行相位固定阶段） 特点： 染料，强脉冲使染料饱和，弱脉冲不能使染料饱和－ 非线性吸收－主要作用。 工作物质－增益G未饱和－线性放大。 在此阶段存在三个重要作用 ⅰ）强脉冲的强度能使染料饱和－损耗少（相对值小）。弱脉冲不能使染料 饱和－吸收的多－在I未达到Is，工作物质中线性放大的少。结果脉冲个数 减少到1－2个（频谱窄）。 ⅱ）从时间域看，脉冲的宽度变窄，对脉冲的前后沿有压缩，当驰豫时间即 染料的上能级 b ≤脉宽时，脉冲的前后沿吸收也不同。 ⅲ）从频谱 加宽频谱－脉冲经过染料，激光介质时，可以激发更多的边频耦 合了更多的模式，这时腔内的损耗具有周期形 。
nm n2 I m (t )
0 I (t )
自锁模脉冲的形成
初始脉冲的形成
• 必须首先在腔内引入一个瞬间扰动
稳定锁模脉冲的形成 附加启动措施
• • • • 利用声光调制再生启动 利用饱和吸收体 利用量子阱反射器 利用振动镜启动
掺钛蓝宝石自锁模激光器示意图 激光器的基本组成
（三）非线性放大阶段（主要压缩脉宽阶段） 特点：染料饱和 工作物质，增益饱和－非线性放大 由于脉冲强度进一步增大，耦合的模式增大，脉冲前沿的光可使染料饱和， 前沿变陡。对于激活介质来说，介质增益饱和，强脉冲通过放大介质时， 前沿中心部位放大的多，脉冲后沿可能放大的少，经过几次放大过程－前 后沿变陡－脉冲变窄。弱脉冲进一步受到抑制，最后腔中剩下一个脉冲振 荡。
同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义
3.4.1 同步泵浦锁模原理 1）增益阶段 2）脉冲压缩阶段
同步泵浦染料激光器的特性
同步泵浦锁模激光器的理论分析
同步泵浦激光器的谐振腔示意图 M1为100%的反射镜;M2为反射率 为R的输出镜;0,1,2,3,4表示循 环周期中脉冲的各个位置
I ( z , t ) ( z , t ) 32 n3 I ( z , t ), 32 32 n3 A( z , t ) z z 2 n3 14 I P n1 32 n3 I ( z , t ), n1 n3 n t I p 14 n1 I p , I (4, t ) I (0, t h) z I (0, t ) h 2 2 I (0, t ) 4 I (0, t ) h I (0, t )G (t ) [ I (0, t )G (t )] 2 t 2 t t 2{ [ I (0, t )G (t )]}2 12 2 [ I (0, t )G (t )] t 2 2 2 t I (0, t )G (t ) G (t ) {exp[ 32 ( I (0, t ) I p (0, t ))dt ]} [ ( L t )]1 R