锁模脉冲类型（一）在线视频

讲了这几个这个锁模机制之后

看一下它对应的激光器输出的

锁模脉冲是什么样子的

这就是第三部分的内容

叫锁模脉冲的类型

锁摸脉冲的类型分为

就根据前面讲的这几个不同的机制

分为几种不同的锁模脉冲类型

第一种叫传统孤子

这个在前面讲过了

第七章讲Soliton的时候

就是SPM效应和负色散相互平衡

产生一个孤子

第二种是色散管理孤子

色散管理孤子就是色散管理

就是把这个色散

一部分是正色散

一部分是负色散

让这个脉冲一会儿展宽

一会压缩 一会儿展宽 一会儿压缩

所以这个叫色散管理孤子

还有一种叫自相似脉冲

就是前面讲的有这个什么DS DSR

其中有一种类型叫自相似脉冲

还有一种类型叫全正色散

这个其实从色散的角度来考虑的

第一种是负色散产生传统孤子

第二个呢是色散管理孤子

就叫它色散管理

第三个是自相似脉冲

就是正色散负色散做管理

第四种就是腔内色散

全部为正

没有负的

第五种就是

这个新型的结构叫Mamyshev结构

看一下它们分别是什么特性

传统孤子已经讲过了

这个主要是由这个主方程

就是非线性薛定谔方程推导出来的

其中保留了两项

一项是色散项一项是非线性项

那么它产生的这个脉冲呢

是一个Sech波

这个Sech波的脉宽就由β2

或者叫D2色散和γ非线性来决定

但是这个传统孤子

有一个非常明显的特征

大家看一下它的光谱图

除了中间的这个主峰以外

它边上有很多小的边带

这个边带叫Kelley边带

就是如果这个光谱图中

有很对称的kelley边带

那么这个输出的就是

传统孤子锁模

相当于是纯Kerr锁模产生的

那色散管理孤子是什么意思呢

其实就是它等于在这个谐振腔中

总的这个色散就是近于0

但其实是偏负的

但是这个谐振腔中不是所有的位置

都是负色散 它就是有一半是正的

有一半是负的

那么正色散导致脉冲展宽

然后给它加一段负色散压缩

压缩完了之后呢它就又展宽

补偿的色散多了

负色散也一样

展宽脉冲然后再产生正色散

来回的压缩

所以叫色散管理

自相似脉冲就是这个传统孤子

有一个问题就是

它特别容易产生脉冲分裂

因此这个脉冲输出能量不太高

被限制在0.1个纳焦数量级上的

那如果想要得到高能量的输出脉冲

想办法其中有一个

使得这个系统中有正色散也有负色散

但是让它的正色散多一点

因为知道负色散多的时候

脉冲容易分裂

所以就产生了一类脉冲类型

叫做自相似脉冲

自相似脉冲就是光纤中

含有增益含有色散

并且这个里头在放大的过程中

光谱和脉冲的宽度同时要展宽

展宽了之后就是因为展宽

大家都知道

如果宽的话那它就不容易分裂

当展到一个程度之后

给它另外加一个机制

让它的脉宽和谱宽

都回到原来的起点

其实就产生一个自洽过程

那这样子

就可以产生一个比较高的能量

这个机制

就是用的是色散补偿和光谱滤波

色散补偿前面讲提到了很多次

色散补偿用的什么器件

想一下一个是光栅对

一个是棱镜对

还有如果在光纤中

用的是色散补偿光纤

如果是光谱滤波

那就是加一个滤波器

滤波器一般用的也有两种

一个叫双折射滤波片

还有一个是光纤光栅

加入这些器件之后

在某个状态下

就可以得到一个自相似脉冲

自相似脉冲它的这个优点

是在传的过程中

它的这个脉冲是不变的

它的形状是不变的

其实自相似脉冲

还是不行输出能量还不够

所以还有一种脉冲

叫做全正色散

全正色散就是这个系统中

也可以把它做成

所有的色散都变成全是正的

也可以得到一个自相似脉冲

这个自相似脉冲刚才说过了

里头引入了一个滤波器

因为如果不行的话

它这个光谱就会一直给展宽

但是光谱展开来之后

再压缩是不容易压缩回来的

所以给它加一个滤波器

把两边给它切掉就

获得了一个窄脉冲输出

这个自相似是一个自相似放大的

就是放大自相似的脉冲

它的这个形状就有点

像一个这个抛物线型

就是它在放大的过程中

它的形状是不变的

它一直保持着这个脉冲的形状

就是它逐渐的也被展宽它峰值也增高

但是一直形状不变

所以才管它叫自相似

就自己跟自己相似

所以叫自相似脉冲

自相似脉冲那么它的这个机理

那就是看一下右边的这个图

就是下面相当于在增益光纤中

让它这个一直脉宽是在展宽的

但是不能一直无限的

因为激光器它来回一圈一圈的转

所以这个不能无限的展宽下去

到了展宽到一定程度

能量也放大到了一定程度

加一个可饱和吸收体

再加一个滤波器

把它的这个脉宽给它降下来

然后让它再从头循环

那这个就叫放大自相似脉冲

由此总结出来

前面这几种脉冲的形式

从色散的角度来分类

色散和这个有什么不一样呢

看一下这个图里头每一个图中有3条曲线

那个比较细的那条

实线代表的是二阶色散

那个红颜色的代表的是脉宽

这个虚线代表的是光谱的宽度

看一下这几种脉冲的类型

有什么不一样

传统孤子在刚才说过了

它的这个二阶色散一直是负的

因此它的输出脉冲的那个脉宽

基本上也是不变的是一直维持同一个值

谱宽也是维持同一个值

但是这个里头它的这个非线性效应

容忍度是很低的所以它远远小于Π

那么色散管理孤子就是

让一会儿长大一会儿变小

所以它的这个色散就是一段是正的

一段是负的所以看一下那条曲线就是

先按色散给它正的

这个时候如果入射的脉冲

它的啁啾跟这个色散是反着的

那这个脉冲初始进来就会先被压缩

压缩到这个傅里叶变换极限脉冲

这个时候色散又起主要作用了

所以脉冲又被展宽

那展宽到一定的程度之后

不能让它再宽了

所以把色散给它倒过来变成负色散

那这个时候脉冲又接着被压缩

所以脉宽又降下来

然后降到一定程度

补偿到这个傅里叶变换极限脉冲了

这个色散又变成负的起主要作用

就又展宽

所以它的脉冲宽度是压缩展宽

压缩展宽这个过程

但是光谱是不太一样的

光谱的变化的周期比脉宽

变化周期多一倍

这个时候它容忍的这个非线性

就比传统孤子要大接近于π了

再接着改进

变成了刚才说的自相似脉冲

那么自相似脉冲一样仍然是色散

就是有正的和负的

但是这个里头

色散的正色散多一点

这时候产生的脉冲

它的脉宽是

等于从开始入射一开始先展宽

然后这时候把色散变成负的时候

脉冲压缩 然后再展宽 再压缩

也是这么一个过程

非线性的容忍度就远远大于π

所以就可以避免脉冲的分裂

最后一种类型叫全正色散

光纤激光器就在这个系统中

它的所有的色散都是正的

所有都是正的就没有负色散系统了

没有负色散这时候传统孤子

肯定是不可能产生了

所以这个时候它的锁模机制

包括可饱和吸收体和滤波带宽共同作用

产生的脉冲

就是比较这个脉宽是缓慢的增加

然后给它加滤波器

脉宽降下来光谱宽也降下来

然后接着再展宽再下降

这个全正色散输出的功率就比较高一些

但是全正色散说过了

如果的这个可饱和吸收曲线

如果到了这个反饱和区

就会出现DSR和NLP

总结一下这几种脉冲的锁模机制

以及它的输出脉冲的类型

可以看一下它的峰值功率

这个峰值功率等于多少

看这个纵轴

峰值功率基本上是在1兆瓦以下

也就是说峰值功率并不高

给了几种脉冲的形状

一个叫色散管理孤子

一个是被动自相似

还有耗散孤子和

增益自相似就会放大自相似脉冲

就是它就是像放大自相似或者

是DSR它的能量可以高

但是它的峰值功率上不去

它被钳制住了

那要想解决这个问题怎么办

所以就又回来了

还是想第一获得更高的能量

第二获得更窄的脉冲

能量高了但是代价是脉宽宽了

这也不是想要的

但是如果把脉宽压窄了

脉冲就分裂所以怎么办

想了各种办法

就是自相似脉冲耗散孤子共振

但是还不够所就有一种新的机制

就是前面说的叫Mamyshev

这个锁模机制

它的锁膜机制是什么样子的

看一下上面的这个激光器的结构

激光器的结构它有两个输出端

一个是 λ1一个是λ2

上面那半段看一下有一个放大

三角那个代表的是放大

就是这个入射的这个脉冲它先被放大

放大到一定的光强之后

让它经过一个高非线性光纤

就是high nonlineour fiber

产生高的非线性

就是刚才说的让它产生自相位调制

把光谱展宽

当它展到一定的宽度的时候

后面加一个滤波器

这个滤波器的中心波长在λ2

这个时候满足λ2的这个波长就输出

不满足的接着回来

再经过放大器就下来了

下来再经过放大器之后

再经过一个高非线性光纤仍然光谱被展宽

但是这时候

前面的这个滤波器的波长用的是λ1

这时候满足λ1的这部分光就输出了

那么剩下的那部分接着在光纤中

这个激光器种来回旋转

所以就是这段输出λ1

这段输出λ2

这样就提高了腔内的非线性的容忍度

产生高能量的脉冲

这个激光器07年是最早的

后面还有一些其它的报道

那么这个怎么滤波的

看一下这个图

就是下面的这个底下的这三个是

相当于是入射的是一个光脉冲

这是它的这个光谱的形状

光谱呢

如果这个白颜色代表的是一个门

看第一个图如果入射的脉冲

它的光谱刚好符合第一个门光谱的波长

这个脉冲就穿过了第一个门儿

但是这个时候它传到第二个门儿的时候

对应的同样这个位置处的这个光谱

没有 这个门是被关掉的

所以它不能从原来的这个波长出去

但是它又没有展宽左边的那个门

开着的那个门那个位置处

所以它也不能从右边那出去

那因此这个光就被挡掉了

那第二种中间这个状态

就是这个光谱是比较宽的

但是这个门也是开在这个右边

只有右边这部分光谱可以经过第一个门

但是呢第二个门它的光谱在左边呢

所以它也仍然不能通过第二个门

所以这个光也被挡掉了

那最右边这个装置是什么样子的

仍然是有两个门儿

但是这个入射的脉冲

右边的这一部分

光谱的这个部分光就穿过了第一个门儿

但是这个时候这个穿过的这部分光

它经过了一个高非线性光纤

这个时候这个脉冲它的光谱仍然被展宽

就展成了后面的那个形状

这个时候刚好有一部分

光展宽的这个光谱

跟第二个门的那个光谱是一样的

跟这个左边的

这部分光谱是一样的

因此左边的光谱这部分就穿过了这个门

所以最右边的这个图

就是Mamyshev滤波器它这个装置

那么拿这个就作为激光器的

可饱和吸收调制元件

所以它的基本原理就相当于

是分成两部分了

第一部分这个看一下

它的这个基本工作原理

就是有一个中心频率为ω0的脉冲

先经过增益光纤

增益光纤当然要被泵浦有个泵浦源

然后这个时候就会产生一个宽光谱

后面加一个滤波器

这个滤波器的中心频率是ωf

那么满足ωf这部分光就出去了

然后剩下的那部分光

在激光器中接着往前传

再给它一个增益介质

这个时候由于泵浦的作用

那么这部分光又被放大

放大之后光谱又展宽

这个时候再给它的这个滤波器

给的是ω0这个频率的滤波器

ω0这部分光就过去了

那剩下的这部光接着在这里再传

所以这个光在这个激光器中传的时候

就输出两个波长

这个就是Mamyshev激光器

的工作原理

它的特点刚才说过了

它的调制深度可以做的比较深

等于百分之百

但是就是太深了

太深了 什么原因

就是连续光根本就过不去

因此连续光要高于锁模光

这个问题带来是什么

就这个激光器不能自启动

还记得在讲钛宝石激光器的时候

先调出连续光然后敲一敲桌子

脉冲光就出来了

那这个是没有办法的

它自启动不了的

那怎么办

所以这个激光器

就要人为的给它引进一个种子光

这个种子光是一个脉冲光

然后让它在里头来回地运行

然后最后产生激光振荡放大

左边是这个Mamyshev激光器的

一个实验装置图

这个实验装置图里头就是上下两部分

刚才讲过了

有两个增益光纤 有两个滤波器

当然对应的有两个泵浦源

滤波器用的谁的

用的光栅

拿光栅加一个小的那个collimator

来做这个光谱滤波

跟前面讲的那个光纤激光器

有什么不一样

就是前面讲右边这个是

原来普通用的一个光纤激光器

那它的这个不一样

它用的是一个filter一个滤波器

再总结一下

如果把这个Mamyshev加进来

这个Mamyshev它的优点

就是脉冲不容易分裂

不能说不分裂 它不容易分裂

并且它的这个非线性的容忍度

就提高了很多

看最后一个图

这个非线性容忍度就大于60π

那么它的这个

脉冲在这个激光器中的这个色散

脉宽和光谱可以看到

Mamyshev它的这个色散

是全正色散

光谱和脉宽都是同时增加

然后给它滤波降低 再增加 再降低

是这样子的一个过程

那有了这个激光器

就可以输出一个脉冲能量比较高

而脉宽比较窄的一个脉冲输出

所以这个装置出来以后

就可以得到一个190nJ

很高了在光纤激光器是很高了

35个fs的脉冲序列

那回到这个峰值功率

再看一下这个图

所以最右边的这个曲线

就是Mamyshev的结构

它获得的峰值功率

可以看到已经大于一个兆瓦

所以这个是作为一个后起之秀

它还是很有发展潜力的

这就是这个介绍了一下几种不同的

这个锁模孤子类型

包括传统孤子

色散管孤子

自相似

全正色散以及Mamyshev结构的

锁模脉冲类型