飞秒激光器原理三:锁模激光器的基本原理

一般来说,基模运转的多纵模激光器可以有两种截然不同的运转方式:一种是所谓的自由振荡方式,另一种是锁模方式。在自由振荡方式下,由于各纵模起振的时间不同,它们的初始相位呈随机性分布,同时各相邻纵模间的频率间隔也不是常数,从而导致了不同频率的各纵模光场之间没有固定的相位关系。其结果是许多没有确定相位关系的简谐光场的任意叠加。而在锁模运转方式中,其情形恰恰相反,不但不同频率纵模的初相位不是随机分布的,而且...

中文名称 :飞秒激光器原理三:锁模激光器的基本原理
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1、飞秒激光器原理三:锁模激光器的基本原理

一般来说,基模运转的多纵模激光器可以有两种截然不同的运转方式:一种是所谓的自由振荡方式,另一种是锁模方式。在自由振荡方式下,由于各纵模起振的时间不同,它们的初始相位呈随机性分布,同时各相邻纵模间的频率间隔也不是常数,从而导致了不同频率的各纵模光场之间没有固定的相位关系。其结果是许多没有确定相位关系的简谐光场的任意叠加。而在锁模运转方式中,其情形恰恰相反,不但不同频率纵模的初相位不是随机分布的,而且不同纵模的频率间隔也是一个严格的常量。

下图给出了锁模与非锁模情况下7个纵模(即7个不同频率的正弦信号)叠加的结果。(a)为非锁模条件下的输出。这种情况下各纵模初始相位是随机的。(b)为锁模输出,各纵模频率间隔是固定的,初始相位都为零(各纵模的振幅都进行了归一化处理,并假定其服从高斯型分布)。不难证明,在纵模间隔(或腔周期)确定的情况下,一台锁模激光器中参与锁模的纵模数量越多,输出脉冲的宽度就越窄。定量地来表示,也就是Δt=T/(2n+1),其中2n+1为参与锁模的总纵模数。(由于在图2-15给出的例子中仅有7个纵模,从而它们相干叠加所导致的序列脉冲的宽度还较宽。可以设想,如果2n+1不是7,而是1000、10 000甚至100 000时,脉冲宽度将会显著变窄。对于有10万个纵模参与锁模的情况,假定腔周期T(即脉冲间隔)仍然是10纳秒,则单脉冲宽度Δt=100fs。)

具有7个纵模的激光器的输出光强

(a)随机初始相位;(b)所有初相位为零。这7个模式的振幅归一化幅值分别为0. 21,0. 5,0. 97,1,0. 97,0. 5,0. 21。相邻模式的频率间隔为100MHz,即脉冲间隔为10ns

由傅里叶变换理论可知,时域中脉冲越窄,其在频域中对应的光谱就会越宽。因此就锁模激光器而言,要求其激光增益介质具有尽可能宽的增益带宽。以下是一些位于不同光谱段的具有较宽荧光光谱的激光增益材料及其相应的泵浦方式:Ti∶Sapphire:掺钛蓝宝石,中心波长为780nm(由1μm附近腔内倍频激光器在532或527nm处泵浦);Cr∶LiSrGaF6:掺铬六氟化镓锶锂,中心波长810nm(可以直接通过808nm半导体激光器泵浦);Cr∶Forsterite:(Cr∶Mg2SiO4)掺铬镁橄榄石,中心波长1050nm(可以由邻近1μm的激光器如Nd∶YAG激光器泵浦);Cr∶YAG:掺铬钇铝石榴石,中心波长1400nm(由Nd∶YAG激光器泵浦)。Yb∶glass,中心波长为1030nm(由980nm半导体激光器泵浦)。

对于具有宽光谱增益材料的激光器,实际输出激光脉冲的中心波长除了受到增益材料自身荧光波段的影响外,还与激光腔内其他元件的光谱特性(比如光学镜片的镀膜情况)有关。对于像Ti∶Sapphire这样的荧光带宽非常之宽的激光晶体,其锁模激光器产生的皮秒或飞秒激光脉冲的中心波长将有可能在一定的光谱范围内(700~1050nm间)进行调谐。其他常用的频率转化技术如利用非线性光学晶体进行光倍频,或光学参量振荡技术也可用于超短脉冲激光。只是由于超短脉冲的宽光谱特性,对非线性相位匹配的带宽提出了更高的要求。

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