激光器锁模技术

1、激光器锁模技术激光器锁模技术锁模原锁模原理理实现锁模的方实现锁模的方法法主动锁主动锁模模锁模，可得到更窄的脉锁模，可得到更窄的脉冲冲锁模激光脉冲宽度可达锁模激光脉冲宽度可达10-1110-14s,相应的具相应的具有很高的峰值功有很高的峰值功率率下面分析一下激光输出与相位锁定的关系下面分析一下激光输出与相位锁定的关系每个纵模输出的电场分量用下式表示：每个纵模输出的电场分量用下式表示：为了运算方便，令激光器的所有为了运算方便，令激光器的所有振荡振荡模式具有相同模式具有相同的振幅的振幅设振荡的纵模数为（设振荡的纵模数为（2N+1）个，处于增益曲线中心）个，处于增益曲线中心的模为的模为 q = 0,角

2、频率为角频率为 ,初相位为初相位为 ，以中心模，以中心模作为参考各个模式的相位差为作为参考各个模式的相位差为 ，模的频率间隔，模的频率间隔为为 (t)(z,t)EqqzivqqEe0E001qqcL在在Z=0处，第处，第q个模式的电场强度为：个模式的电场强度为：激光器输出的总光场是（激光器输出的总光场是（2N+1）个纵模相干叠加的）个纵模相干叠加的结果：结果：00()t0(t)iqqqEE e 00()t(t)NiqqqqNEE e 001sin(2N 1)(t)2cos(t)1sin(t)2E 最大光强为：最大光强为：222200(t)2m21sin(2N 1)(t)2lim(2N 1)1s

3、in(t)2mIEE 当当 时，光时，光强最大强最大()2mt 锁模脉冲光强曲线N=3，即（2N+1）=7如图在一个周期内，强度曲线有2N个零点，有(2N+1)个极值点在在时极大，极大时极大，极大值为值为20Lttc或者220(2N 1) E如果各模式相位未锁定，则各模式是不相干的如果各模式相位未锁定，则各模式是不相干的输出功率为各模式功率之和，即：输出功率为各模式功率之和，即：20(2N 1)EI 锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍倍腔长越长，荧光线越宽，则腔内振荡的纵腔长越长，荧光线越宽，则腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大模数

4、目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大可见锁模脉冲的周期等于光在腔内来回一次所需的时间可见锁模脉冲的周期等于光在腔内来回一次所需的时间因此，我们可以把锁模激光器的工作过程形象的看作有因此，我们可以把锁模激光器的工作过程形象的看作有一个脉冲在腔内往返运动，每当此脉冲进行到输出反射一个脉冲在腔内往返运动，每当此脉冲进行到输出反射镜时，便有一个锁模脉冲输出镜时，便有一个锁模脉冲输出相邻脉冲峰值间的时间间隔相邻脉冲峰值间的时间间隔为：为：022LTc脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于，因而可认为脉冲宽度近似等于因而可认为脉冲宽度近似等于 为锁模激光的带宽，它显然不可能超过工

5、作为锁模激光的带宽，它显然不可能超过工作物质的增益带宽，这就给锁模激光脉冲带来一物质的增益带宽，这就给锁模激光脉冲带来一定的限制定的限制脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为：为：21(2N 1)实现锁模的方法下面我就以损耗调制为例，说明振下面我就以损耗调制为例，说明振幅调制锁模的幅调制锁模的原理：原理：利用声光或电光调制均可实现振幅调制锁模利用声光或电光调制均可实现振幅调制锁模调调制激光工作物质的增益或腔内损耗制激光工作物质的增益或腔内损耗,均可使激光振幅得到调均可使激光振幅得到调制制，如，如果调制频率果调制频率可可实现锁模实现锁模2cfL损耗

6、调制器损耗调制器M为一电光调制器或声光调制器，加以适当的调为一电光调制器或声光调制器，加以适当的调制制电电压，使腔的损耗发生角频率为压，使腔的损耗发生角频率为 的周期性变化的周期性变化。cL 幅度调制锁模激光器示意图幅度调制锁模激光器示意图由于损耗呈周期性变化由于损耗呈周期性变化 调制器的透过率也呈周期性变调制器的透过率也呈周期性变化化调制器的透过率调制器的透过率为为假定调制前腔内的光场为假定调制前腔内的光场为00(t)Tcos(t)mTT0TT为平均透过率为平均透过率 ， 为为透过率变化的幅度透过率变化的幅度000(t)cos(t)EE受调制后：腔内光场变为：受调制后：腔内光场变为：000(

7、t)T(t)E cos(t)E00000TT cos(t) E cos(t)m000000E TT E cos(t)cos(t)m0001cos(t) cos(t)mAm00000000011cos(t)cos()tcos()t22mmAmAmA000AE T000ETmAm为调制系数为调制系数上式说明，一个频率为上式说明，一个频率为 的光波，经过的光波，经过外加的调制信号调制后，同时激起了两外加的调制信号调制后，同时激起了两个相邻模式的振荡，其频谱包括了三个个相邻模式的振荡，其频谱包括了三个频率，频率， 并且这三个频率并且这三个频率的光波的相位差相同，从而实现了锁模的光波的相位差相同，从而实

8、现了锁模000(t)cos(t)EA0001cos()t2mmA0001cos()t2mmA0000,mm 在激光器中，一旦在增益在激光器中，一旦在增益曲线的某个角频率曲线的某个角频率 形成形成振荡振荡激起两个相邻激起两个相邻的的模式模式振振荡荡这两个相邻模幅度调这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新制的结果又将产生新的边频的边频00002 02 0如此下去，直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止如此下去，直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止相位调制锁模相位调制锁模原理：相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器，原理：相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介质折射率按外加调制信

9、号而周期当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同时刻通过介质，便有性改变时，光波在不同时刻通过介质，便有不同的相位延迟不同的相位延迟假设未调制的光场：假设未调制的光场：000(t)cos(t)EE相位调制函数为相位调制函数为：则经过调制后的光场就变为：则经过调制后的光场就变为：其振荡角频率就变为：其振荡角频率就变为：上上式表明，除了在相位调制器的那部分信号光不产生频移式表明，除了在相位调制器的那部分信号光不产生频移外，其他时刻通过调制器的光信号均经受不同程度的频移外，其他时刻通过调制器的光信号均经受不同程度的频移(t)cost000(t)cos(tcost)EE0(t)sin

10、t角频角频率的变化量为：率的变化量为：(t)(t)(t)sinddtdtdt相位调制函数为相位调制函数为：(t)cost其振荡角频率就变为：其振荡角频率就变为：0(t)sint所所以可以知道：脉冲每经过调制器一次就发生一次频移，最后以可以知道：脉冲每经过调制器一次就发生一次频移，最后 移到增益曲线之外，从腔内消失，只有那些在移到增益曲线之外，从腔内消失，只有那些在 相位调制函数极值时通过调制器的光信号，其相位调制函数极值时通过调制器的光信号，其 基频不会发生移动，在腔内保存下来，不断放基频不会发生移动，在腔内保存下来，不断放 大，形成周期为大，形成周期为 的超短光脉冲序列的超短光脉冲序列2Lc由图可见，对于调制信号由图可见，对于调制信号的两个极值，有两个完全的两个极值，有两个完全无关的超短脉冲序列。这无关的超短脉冲序列。这两列脉冲出现的概率相同。两列脉冲出现的概率相同。激光器通常工作在一个系激光器通常工作在一个系列上，但器件的微小扰动列上，但器件的微小扰动会使锁模激光器输出从一会使锁模激光器输出从一个系列跃迁到另一个系列。个系列跃迁到另一个系列。为了避免这种跃变，可将原有的调制信号及其为了避免这种跃变，可将原有的调制信号及其倍频信号同时施于电光调制晶体，造成相位调倍频信号同时施于电光调制晶体，造成相位调制函数的不对称性，从而使一列脉冲优先运行制函数的不对称性，从