光纖激光器產(chǎn)生超短光脈沖采用的技術(shù)通常有兩種:調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)。調(diào)Q技術(shù)雖然可以使光纖激光器在整個(gè)增益譜的寬范圍內(nèi)產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)的高峰值功率(大于1kW)脈沖,但這種脈沖的寬度相對(duì)較寬。而鎖模技術(shù)加上脈沖壓縮技術(shù)則可以產(chǎn)生比100fs更短的光脈沖。以下我們就來(lái)分析鎖模技術(shù)的原理。
光纖激光器通常具有大的增益帶寬(大于30nm)和相對(duì)小的縱模間隔(小于100MHz)。因此,它在工作時(shí)同時(shí)會(huì)有大量的縱模落在增益帶寬內(nèi)。如果模式間的頻率間隔用△υ表示,那么△υ=c/LOPT這里LOPT是光在激光器腔內(nèi)環(huán)行一周的光程長(zhǎng)度,c為光速。總的光場(chǎng)可寫(xiě)成:
Et?。剑牛恚澹穑煟?phi;m-iωmt (1)
式中Em、φm和ωm分別是2M+1個(gè)模式中某一特定模式的幅度、相位和頻率。如果所有模式互相獨(dú)立地工作,它們具有相同的幅度:Em=E0,它們間的相位關(guān)系不固定,則總光強(qiáng)2中的相干項(xiàng)平均值為零,2=(2M+1)E20。 激光刻章機(jī) 激光雕刻機(jī)
鎖模是發(fā)生在各種縱模的相位同步的情況下。此時(shí),在任意兩個(gè)相鄰模式間的相位差被鎖定為一常數(shù)φ,即φm-φm-1=φ。這樣,相位關(guān)系可表達(dá)為φm=mφ+φ0。模式頻率ωm=ω0+2mπ△υ。如果我們把這些關(guān)系式應(yīng)用到式1 中,并且為簡(jiǎn)化起見(jiàn)假設(shè)所有模式有相同的幅度E0,則其總光強(qiáng)為:
2=sin22M+1 π△υt+φ/2E20/
sin2π△υt+φ/2
由此可見(jiàn),總光強(qiáng)2是一個(gè)時(shí)間的周期函數(shù),其周期τr=1/△υ,這正是光在激光器腔內(nèi)環(huán)行一周的時(shí)間。激光器以脈沖串的形式輸出,兩個(gè)相鄰脈沖間的時(shí)間間隔為τr。解釋這個(gè)結(jié)果有一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法:一個(gè)單一脈沖在激光器腔內(nèi)循環(huán),與此同時(shí)其中一小部分能量在每次脈沖到達(dá)輸出端耦合器的時(shí)刻輸出。
脈沖寬度τp可由式(2)估算:τp=[(2M +1)△υ-1。其中(2M+1)△υ代表所有相位鎖定模式的總帶寬。由此可見(jiàn),脈沖寬度與相位同步的各個(gè)縱模所占的光譜帶寬成反比,由式(2)可知,脈沖光強(qiáng)的極大值2max=(2M+1)2E20,因此,鎖模激光器輸出脈沖的峰值強(qiáng)度為同一激光器未鎖模時(shí)平均光強(qiáng)的2M+1倍。
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