克尔锁模固体激光器谐振腔设计（一）在线视频

大家好

今天我们来学习一下

超短脉冲固体激光器

主要的内容有三部分

一个是

克尔锁模固体激光器的谐振腔设计

第二个是

克尔锁模激光器的脉冲成形机制

第三个部分是介绍一下

几种典型的固体激光器

先看一下第一部分

克尔锁模固体激光器的谐振腔设计

前面已经说过了

在超短脉冲激光器中

钛宝石激光器是一个

比较典型的激光器

因为它的光谱比较宽

因此呢目前来说获得的脉宽最窄

并且商用现在用的是最多的

所以以钛宝石激光器作为例子

来给大家介绍一下

左边这个图

是一个钛宝石激光器的

典型装置图

从这个图中看到

它有几个部分

首先要有增益介质

这个是必须要有的

因为激光器首先得有增益介质

钛宝石增益介质

主要起的有三个作用

一个是它首先起增益作用

第二个因为钛宝石激光器

它本身的非线性系数是比较高的

所以它同时产生非线性效应

那第三个呢

钛宝石本身是有色散的

所以这是它的三个主要特性

那么损耗呢

因为在谐振腔中

增益和损耗到最后平衡的时候

它们两个是相等了

所以在这里头我们不讨论损耗

在谐振腔的其它部分

还有除了增益介质以外

大家知道如果要想获得

传统孤子锁模

要有非线性和色散相互平衡

而色散呢在谐振腔中

要提供负色散才行

但是钛宝石本身引入的色散

是一个正色散

所以要引入一个负色散机制

就是这个图中的P1P2

棱镜对它提供的是负色散

在这个基础之上激光器有谐振腔

所以这个里头一共有4个镜子

M1 M2 M3 M4

两个最主要的小腔镜是M3和M4

因为第一谐振腔中是否稳定

是取决于M3和M4之间的参数

另外一个呢它会引入一个

大家看这个图

因为腔镜放置

是有一个倾斜角的

那么入射光线不是垂直入射

因此就会引入一个像散

同时钛宝石本身

如果要想减小它的损耗

也有两种方式

一种是在钛宝石表面镀膜是吧

镀增透膜

还有一种方式呢

是把钛宝石以布儒斯特角放置

如果是以布儒斯特角放置的话

那么从理论上来说

它的损耗是为零的

如果有布儒斯特角放置

也同样会引入像散

因此我们要讨论像散的问题

这个是这一章主要讨论的主要问题

另外在腔镜中还有一个元器件

就是最后

最右边这个叫SESAM

SESAM前面

讲可饱和吸收体的时候

已经介绍过了

这个是半导体可饱和吸收镜

在孤子锁模激光器中

半导体可饱和吸收镜

主要是提供自启动的作用

也就是说它给一个初始脉冲

它并不参与脉冲输出的特性

当然这个系统中还有一个泵浦源

这个主要是提供能量

基于此呢

这个谐振腔的设计

主要是有两个原则就第一首先要出光

就是说系统增益大于损耗

这个不是我们主要讨论的内容

我们主要讨论的是第二个内容

就是如何产生克尔效应产生锁模脉冲

那锁模脉冲刚才提到了有两点

一是要提供足够的非线性效应

第二要提供负色散

那提供非线性效应呢

是由钛宝石晶体来提供的

因此要使得在钛宝石晶体上

要有一个紧聚焦的光斑

这个怎么来产生紧聚焦呢

就涉及到了腔形的设计

因此这个就是

这一部分主要讨论的内容

好再回顾一下

前面讲过的锁模的机制

锁模一共有三种机制

一个是快饱和吸收机制

一个是慢饱和吸收机制

还有一个是染料的慢饱和吸收

和增益动力学过程

在这一部分固体激光器

克尔锁模激光器中

主要用的是快饱和吸收机制

也就是克尔锁模

那克尔锁模来源于哪儿呢

来源于克尔非线性效应

也就是它引起的作用是

折射率n除了有

通常说的折射率n0以外

叠加了一项非线性折射率

就是n2I其中这一部分呢

取决于通过介质的光强

那看一下折射率的影响谁呢

在介质中

如果有克尔效应的话

介质就等效为一个透镜

而且它的焦距是可变的

为什么呢

折射率如果折射率高

对应的

它的透镜焦距就比较小

什么时候折射率高呢

光强比较强的时候

因此说克尔透镜它变焦的时候

它的透镜有两部分组成

一部分是当光强比较强的时候

有一个透镜焦距比较小的透镜

那有一部分比较弱的光强

它的透镜焦距就比较大

怎么产生透镜锁模呢

看一下下面的这个图

当一束光强

经过克尔介质的时候

刚才说过了它

如果光强比较强的时候

克尔透镜就它的焦距比较短

因此光速就被聚焦的比较小

在我们这个图中

就是红颜色的这条曲线

它是一个紧聚焦

这个时候如果在

光路中放一个光阑

光阑就其实是一个小孔

如果小孔的大小

跟这个强光部分的

光斑大小相当

强光部分就经过光阑

就过去了没有损耗

在谐振腔中它就会来回

被放大最后产生激光

而弱光部分经过

克尔介质的时候呢

因为克尔介质它

等效的焦距是比较小的

因此它的聚焦焦斑就比较大

在这个图中

就是那条黑色的虚线

那这个时候因为它的光斑比较大

它通过不了这个光阑

因此它有一部分光就被损耗掉

那当光束在激光器中

来回振荡的时候

那么高功率的部分光就过去了

而低功率部分光就被挡掉了

这样就产生了一个锁模

对应的下面这个图

就是一个脉冲的形状

一个脉冲

它中间那部分它的光强是比较强的

而两边的光强是比较弱的

那在克尔透镜的作用下呢

强光部分就留存下来

而弱光部分就被损耗掉

因此脉冲就变成了一个短脉冲

这样就产生了一个克尔锁模的

启动的机制

有了这个效果那么就想让

这个系统中什么时候在哪个位置

它的光斑随着功率的增强而减小

哪一部分随着功率的增强而增大

就是要找的那个克尔效应

所以呢我们要讨论腔的设计

那在讨论腔的设计之前

这里头有像散

刚才说过了

因为这个是一个折叠腔

光线入射到这两个小镜子

M3 M4的时候

它们也不是正入射因此会产生像散

同时钛宝石是以布儒斯特角

放到谐振腔里头的

因此它也会引入像散

如果这两个像散是相互叠加的

那像散就更大了

那如果比较幸运

这两个像散可以相互补偿

那刚好就可以做到

谐振腔设计的时候呢

得到一个高的强度的位置