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Q开​​关锁模——具有强烈脉冲能量波动的锁模激光器的工作机制

时间:2021-07-19 来源:新特光电 访问量:1021

Q开关锁模是被动锁模激光器的一种操作方式,其中腔内脉冲能量经历与动态不稳定性(无阻尼弛豫振荡)相关的大振荡。在产生下一组脉冲之前,脉冲能量甚至可能对于多个后续脉冲变得非常小。

在Q开关锁模(红色)条件下,被动Q开关激光器中光功率的演变

在Q开关锁模(红色)条件下,被动Q开关激光器中光功率的演变,其中产生超短脉冲束,以及具有恒定脉冲能量的常规锁模(蓝色)。

该激光动力学可以使用相对简单的调查动态模型。使用某些近似值,可以推导出高于某个Q 开关锁模阈值的稳定锁模标准(即没有 Q 开关锁模或Q开关不稳定性):E2p>Esat,gEsat,aΔR,其中Ep是腔内脉冲能量,Esat,g是增益介质的饱和能量,Esat,a是可饱和吸收体的饱和能量,ΔR是吸收体的调制深度。

Q 开关不稳定性的阈值能量

Q开关不稳定性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,从而减少弛豫振荡的阻尼。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。

Q开关锁模机制在某些情况下相当稳定(即产生具有可重复特性的脉冲串),而在其他情况下则非常不稳定(表现出参数的强烈波动,例如最大脉冲能量、脉冲持续时间和光学相位)。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,在束之间的脉冲不会变得太弱的情况下,稳定性是好的。否则,每一束中的脉冲基本上是由噪声(特别是自发辐射)产生的),且脉冲参数无法达到稳定状态。这意味着,尤其是在Q开关锁模导致最大脉冲能量较大的情况下,操作通常会产生噪声。因此,Q开关锁模在应用中并未广泛使用,但通常被认为是一种不需要的现象。可以压制

  • 通过选择具有高激光截面的增益介质

  • 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

  • 通过可饱和吸收器的优化(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或非常高的脉冲重复率)中运行的激光器,Q开关不稳定性的抑制可能需要折衷,例如接受更长的脉冲持续时间、较低的激光效率或高热负载对饱和吸收体。

请注意,与普遍看法相反,QML阈值通常不取决于上能态寿命,而仅取决于激光横截面(通过饱和能量):例如,淬火效应可以减少上能态寿命而不影响QML阈值。

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