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鎖模激光器的原理

更新時間:2023-05-29 點擊次數:2086
  在一個簡單的激光器中,每一個模式都獨立地振蕩,彼此之間沒有固定的關系,本質上就像一組獨立的激光器,它們都以略微不同的頻率發光。每種模式中光波的各個相位都不是固定的,可能會因激光器材料的熱變化等因素而隨機變化。在只有少數振蕩模式的激光器中,模式之間的干擾會導致激光輸出中的拍頻效應,導致強度波動;在具有數千個模式的激光器中,這些干擾效應趨于平均到接近恒定的輸出強度。
 
如果不是獨立振蕩,而是每個模式運行時與其他模式之間保持固定的相位差,則激光輸出的行為會截然不同。激光模式將周期性地相互干涉,而不是隨機或恒定的輸出強度,從而產生強烈的光脈沖或脈沖。這種激光器被稱為鎖模激光器。這些脈沖在時間上以τ=2L/c隔開,其中τ是光在激光腔中進行一次往返所需的時間。該時間對應的頻率正好等于激光器的模式間距
  每個光脈沖的持續時間由同相振蕩的模式數決定。如果有N個頻率間隔Δν的模式被鎖定,則整體鎖模帶寬為NΔν,且該帶寬越寬,激光器的脈沖寬度越短。實際上,實際脈沖寬度由每個脈沖的形狀決定,而每個脈沖的形狀又由每個縱模的精確振幅和相位關系決定。例如,對于產生高斯時間形狀脈沖的激光,最小可能脈沖寬度Δt由下式給出:
 
  值0.441被稱為脈沖的時間帶寬積,并根據脈沖形狀而變化。對于超短脈沖激光器,通常假設雙曲正割平方(sech2)脈沖形狀,給出0.315的時間帶寬積。
 
  利用該方程,可以計算出與測量的激光光譜寬度一致的最小脈沖寬度。對于光譜寬度為1.5 GHz的氦氖激光器,與此光譜寬度一致的最短高斯脈沖約為300皮秒;對于128太赫茲帶寬的鈦寶石激光器,這個光譜寬度只有3.4飛秒。這些值代表與激光器線寬一致的最短高斯脈沖;在實際的鎖模激光器中,實際的脈沖寬度取決于許多其他因素,例如實際的脈沖形狀和腔的整體色散。
 
  原則上,后續調制可以進一步縮短這種激光器的脈沖寬度;然而,測得的光譜寬度將相應增加。
 

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