调Q锁模 Q-switched mode locking

2022-10-28 13:57:17 浏览:527

定义

具有强烈脉冲能量波动的锁模激光器的操作机制。

调Q锁模是被动锁模激光器的一种操作机制,其中腔内脉冲能量经历大振荡,与与无阻尼松弛振荡相关的动态不稳定性(称为Q开关不稳定)有关。在产生下一束(突发)光脉冲之前,对于许多后续脉冲,脉冲能量甚至可能变得非常小。

图1:在Q开关模式锁定(红色)和具有恒定脉冲能量的常规模式锁定(蓝色)条件下,被动调Q激光器中的光功率演变。

激光动力学可以使用相对简单的动力学模型进行研究。通过某些近似值,可以推导出高于某个调Q锁模阈值[3]的稳定模式锁定标准(即没有Q开关模式锁定或Q开关不稳定):

Ep是腔内脉冲能量,Esat,g 是增益介质的饱和能量,Esat,a 是可饱和吸收器的饱和能量,ΔR是吸收器的调制深度。

Q开关不稳定的起源是,可饱和吸收器通常以较低的谐振器损耗“奖励”较高的脉冲能量,从而减少松弛振荡的阻尼。这是否会导致QML取决于其他因素;根据各种参数,增益饱和可能足以稳定脉冲能量。

在某些情况下,调Q锁模的机制相当稳定(即,导致具有可重现特性的脉冲束),在其他情况下非常不稳定(表现出最大脉冲能量,脉冲持续时间和光相位等参数的强烈波动)。特别是在后一种情况下,经常使用术语Q开关不稳定性。

通常,在脉冲在束之间不会变得太弱的情况下,稳定性很高。否则,每束中的脉冲基本上是由噪声(特别是自发发射)产生的,脉冲参数无法达到稳态。这意味着,特别是在调Q锁模导致最大脉冲能量较大的情况下,工作通常是噪声的。因此,调Q锁模在应用中应用并不广泛,但通常被认为是一种不需要的现象。

可以通过多种方式抑制不稳定性:

  • 通过选择具有高激光横截面的增益介质(增加增益饱和的稳定效果)
  • 通过使用具有小模式区域的谐振器设计
  • 通过使用低损耗和高腔内功率的长谐振器
  • 通过在谐振器中插入功率限制元件
  • 通过优化可饱和吸收体(例如,利用饱和曲线的翻转,这可能是由双光子吸收引起的)
  • 使用电子反馈技术

对于在极端参数区域(例如非常高的输出功率和/或非常高的脉冲重复率)工作的激光器,抑制Q开关不稳定性可能需要妥协,例如接受更长的脉冲持续时间,较低的激光效率或可饱和吸收体上的高热负荷。

请注意,与普遍的看法相反,QML阈值通常不依赖于上层状态寿命,而仅取决于激光横截面(通过饱和能量):例如,淬灭效应可以降低上层状态寿命而不影响QML阈值。

脉冲

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