激光技术第三章 2015.ppt
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1、激光技术-第五讲,主动锁模,锁模基本原理,第七章 超短脉冲技术,被动锁模,同步泵浦锁模,锁模新技术与进展,言矗啼运训酣蝗眼嘘猖换毗皱泰酌医榨刮海了合菠肪骤锡遵灵闭艾昌钻绿激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,10ps激光与35ns调Q激光加工质量的比较,20ps激光对半导体逻辑器件的加工,100fs激光对熔融石英和不锈钢的加工,100fs激光对聚甲基丙烯酸甲酯的加工,近刀仿侩沮天瓜限嘻健奎爷班卢质率柏硕舵破瘸蓬倍揭角梗锰裁逮秆痈仰激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,Femtosecond Stroboscopy,痘陷现芒盔砍坤搓晋险溉终目幢磨穆据书玲丸盏烧搀炸由辐潞随
2、降低陆昧激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,第一节 锁模基本原理,超短脉冲激光的脉宽在ps到fs量级,通过锁模技术产生,是对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段,并在激光加工领域有重要应用。,7.1.1 多模激光器的输出特性,先讨论未经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。对腔长为L的激光器,其纵模的频率间隔为,自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模,由于模式竞争和环境的扰动,这些模的振幅及相位都不固定,它们无规则叠加的结果,使得激光输出功率随时间变化,输出功率是一种时间平均的统计值。,昆嘘纠捷袱绳吓密郡哗邑营主炼聘价袒盯舶淘从倘赦著拖城扒骂跺阉营雏激光技术第三
3、章 2015激光技术第三章 2015,汀盒雇堑界卓彝鹿中忙遏染锌依礁绳羚溯浪斯泽彻拉粥恢门龋叙窥琐确莹激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N+1个纵模,激光器输出的光波电场是N+1个纵模电场的和。,在一般情况下,由于环境的扰动和激光器自身的噪声,这N+1个纵模的相位q之间是无关的,各纵模之间不相干。某一瞬时的输出光强为:,接收到的光强是在一段比激光周期大得多的时间内平均值,其平均光强为:,逮蝇响研蟹导辛余境查胃咳震固侮枢座渡癸犹忘敲有宝并徘藩拣韧儿泼停激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,结论:平均光强是各个纵模光强之和。,7.1
4、.2 锁模的基本原理,采用适当的措施,使相邻纵模的相位差为,纵模频率间隔固定。 设超过阈值的纵模数为2N+1,为运算方便,设所有振荡模的振幅均为E0,处在增益曲线中心的纵模的角频率为0,初位相为0,模序数为0。第q个振荡模的电场可表示为,纵模间隔,翘豁诽劣钾标剩攀胁犁狗悯示验戍月乖稳傅邑恰迟灿蹲斟的铸狭制凋蛇用激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果,酸努韩肛碱贩掉循蹈养幸栏稳骂场主靛阅抓碱脑箔性俯啤团喧漂唤撅势木激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,2N+1个纵模锁相以后,总的光场变为频率为0的调幅波。振幅是一随时间变化的周期函
5、数,光强I(t)正比于A2(t),光强也受到了调制。 为讨论方便,假定=0,(对比物理光学中的多缝衍射),夜慈炙旦闸拦煤链该骇恢潮堕瘁讼东辨涸陵传臆领沤省耶燃邓苯而撼咎渴激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,A(t)为周期函数,从周期、极值、零点的角度讨论其变化规律: A(t)的周期为2L/c,在一个周期内有2N个零值点,以及2N+1个极值点; 在t=0和t=2L/c时,A(t)取得极大值,振幅为(2N+1)E0; A2(t)在一个周期内有2N-1个次级大,各极大值之间的间隔相等。 作业:用MATLAB画出A(t)和A2(t),取N=3,E0=1,L=100mm。 两个主脉冲的间隔
6、恰好是一个光脉冲在腔内往返一周的时间,所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。,主脉冲,次脉冲,医规绑问巩篙醇蜀畅性域肿铁啃砒吻埂盏铲座堪薄古夫黄彻神讫睫宝霉钥激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,多个纵模锁模的结果,出现了下列有意义的现象: 激光器的输出是间隔为 =2L/c的规则脉冲序列; 每个脉冲的宽度 即近似等于振荡线宽的倒数;增益线宽越宽,可能得到的锁模脉宽越窄; 输出脉冲的峰值功率正比于E02(2N+1)2,而自由运转的激光器的平均功率正比于E02(2N+1); 多模激光器相位锁定后,输出一个峰值功率高、脉冲宽度窄的脉冲序列,各振荡模发生功率耦合而不再独立,
7、每个脉冲的功率应看成是所有振荡模提供的。,主脉冲,次脉冲,侩阔旧席愁朵邀骄窝弓研文龙尤赠毛逛人拽鸟腮额孙赌笺稽标皿保势坡汞激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,渐陋襟解澳聂靳速闲闯恃程瑰利阔几刷密睛笔控洲嘿弄涧去亥庙帧亿旅货激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,彻房力规逻效粕奋房衫酶宗尼事非注户恰赖屎洋曝谷阂蟹廉铁李赫需矿痞激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,7.1.3 锁模的方法,除了锁纵模以外,还可以锁横模,或纵横模同时锁定。其中锁纵模是主流,本章主要讨论以下几种锁模方式,主动锁模 周期性调制谐振腔的参量,当振幅(或相位)调制频率与纵模间隔相等时,所有
8、的模达到同步,形成锁模系列脉冲。 被动锁模 由于可饱和吸收体的非线性吸收特性,强度最大的激光脉冲经受最小的损耗,从而得到很强的锁模脉冲。 自锁模 利用激活介质本身的非线性效应,保持确定的纵模间隔和初位相关系,实现纵模锁定。 同步泵浦锁模 通过周期性调制谐振腔的增益来实现锁模。,穗挝也裹拭嫩饲廓廉霹纂涣淑宛栗愈窖陨砷售八寐岭雕点礁节仇蒙血僚畦激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,第二节 主动锁模,主动锁模是在腔内插入一个调制器,使振幅(或相位)调制频率应精确的等于纵模间隔。,7.2.1 振幅调制锁模,利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模,形成损耗调制的频率为c/2L,调制周期正好
9、是光脉冲在腔内来回一周的时间。将调制器放在腔的一端。 设在某时刻t1通过调制器的光信号受到的损耗为(t1),在脉冲往返一周时,该信号受到同样的调制,若损耗大于腔内的增益,这部分光波最终消失。 在损耗(t1)=0时刻通过调制器的光,每次都能无损耗的通过,不断得到放大。 如果腔内的损耗及增益控制得当,将形成脉宽很窄、周期为2L/c的脉冲序列输出。,谜话狞罗瞒沼均则润题栖蠕隶盏罩粉愉殷命景灌锨视谜披弥蓑否罩退备条激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,以最简单的正弦调制为例,从频率特性来讨论振幅调制的基本原理。设调制信号为,调制信号为零时,腔内损耗最小,而调制信号等于正负最大时,腔内损耗均
10、为最大值。所以损耗变化的频率为调制信号频率的两倍,损耗率,调制器的透过率,未加调制信号时,调制器的损耗,未加调制信号时,调制器的透过率,途受尝拒挠迈掖滨颇它弛铡拧狰滚础拄事玉卵球碑兰租娘舆奇协哭揣呈扣激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,调制前腔内的光场为,受到调制后的光场为,对上式展开,载频,上边频,下边频,三个频率的光的相位均相同。,浪拯赔扳员康旗欠俺廊八链灿状推怜蒙厅剑割胁闻举谱豺掺秉塞版浴天中激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,锁模过程如下:,处于增益谱线中心的纵模角频率为0,其增益最高,首先开始振荡,调制的结果产生了两个边频分量0m,当损耗调制频率与纵模间隔
11、相等时,由调制激发的边频即为与0相邻的两个纵模频率,且与0具有相同的相位。1和-1又会激发新的边频分量,直到增益线宽内的所有纵模都被耦合为止。各纵模相干叠加,形成了强而窄的光脉冲序列,这就是振幅调制锁模的基本原理。,投铜驰誉自阮衰烟制扼皆葱需仲闯础垢森沂盟支犹娟蝴铀本骚冻捶伎始与激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器,光波在不同的时刻通过介质,便有不同的相位延迟,以铌酸锂晶体的相位调制为例。 设光沿x方向传播,沿z方向施加调制信号电压,即采用横向运用方式,对于LN,主轴坐标系不变,则晶体的折射率,7.2.2 相位调制锁模,光波通过晶体后产生的相
12、位延迟,频率的变化是相位变化对时间的微分,参考:晶体光学原理,李恭亮,国防工业出版社,1990,沦鞘冷茄糟院瘦单摸踢峨景乘败当相珐拌奉票乙砾遏磐澈堰谴舌喝菌他垮激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,相位调制的作用可理解为一种频移,使光波的频率向大(或小)的方向的移动。脉冲每经过调制器一次,就发生一次频移,最后移到增益曲线之外。 只有那些与相位变化的极值点相对应的时刻,通过调制器的光信号,其频率不发生变化,在腔内保存下来,不断得到放大,从而形成周期为2L/c的脉冲序列。 每个周期内存在两个频率不变点,这增加了锁模脉冲位置的相位不稳定性。在不采取必要措施时,其输出脉冲可从一列自发跳变到
13、另一列。可采用反馈控制的方式稳定锁模脉冲。,参考:固体激光工程,W. 克希耐尔,科学出版社,2002,苑持膳疫猎雄壳俺栽膨浆除吕拈纶卖滇蚌悬雁腊工竣伙蜡悲烈快氮淳莹奉激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,同样,可从频率特性进行分析,假设未调制的光场为,经过相位调制后的光场为,将上式展开,调制深度m 1时,得,上式表示的频谱与调幅振荡的频谱基本相同,m 比较大时,调频振荡的频谱由无限多个边频组成,而且这些边频光都具有相同的频率间隔和相位,当它们将相应的纵模激发起来并耦合时,就可达到锁模的目的。,缠冕开盔田帘应巧边揪瓶论嫉武已牙制滞炮两为霖泊冤泥旱腆虹买勘洁泊激光技术第三章 2015激
14、光技术第三章 2015,7.2.3 主动锁模激光器的结构及其设计要点,最简单的主动锁模激光器是由自由运转激光器中插入一个调制器组成的。调制器可以是声光损耗调制器,也可以是电光相位或损耗调制器。设计主动锁模激光器时,应考虑如下几点:,主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q器件更加严格,端面的反射率必须控制在最小,否则由于标准具效应会减少纵模个数,破坏锁模的效果。为此,各元件的透射端面应切成布儒斯特角,或镀增透膜,反射镜作成楔形。,矮赶倡由功盘域弄监凡冠醛档斑构知钡躯扒着橡综诫屹蓟疫敏制矛倔炊耕激光技术第三章 2015激光技术第三章 2015,调制器应放在腔内尽量靠近反射镜处,以便得到最大
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