光电子技术锁模激光器的设计

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 光电子技术基础课程设计 题 目 锁模激光器的设计 院 系 电子科学学院 专业班级 电子科学与技术 学生姓名 学生学号 指导教师 2012年3月2日东北石油大学课程设计任务书课程 光电子技术基础课程设计题目 锁模激光器的设计 专业 电子科学与技术 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容：设计一锁模激光器，说明所设计的锁模激光器的基本原理、给出所设计的锁模激光器的结构、所使用的材料。2、基本要求：说明该锁模激光器的性能参数，撰写报告。3、主要参考资料：1江 涛,激光与光电子学进展,北京,电子工业出版社,2000年(8) 40-432贾

2、正根,半导体报,北京,电子工业出版社,2000年6月第37卷(3)45-473周炳琨等,激光原理,第5版,北京,国防工业出版社,2004年8月4马养武等,光电子学,第2版,杭州,浙江大学出版社,2003年3月完成期限 2012.2.27 2012.3.2 指导教师 专业负责人 年 月 日目录第1章 概述11.1 激光器的发展史11.2 锁模的基本理论21.2.1多模激光器的输出特性21.2.2锁模的三大特点2第2章 锁模激光器的原理32.1 锁模的基本原理32.1.1 锁模的概念32.1.2锁模脉冲的特征3第3章 锁模方式63.1 主动锁模63.1.1损耗内调制锁模63.1.2相位内调制锁模7

3、3.1.3主动锁模激光器的结构73.2 被动锁模8第4章 锁模光纤激光器设计104.1 锁模光纤激光器基本结构104.2 锁模光纤激光器设计10结 论12参考文献13第1章 概述1.1 激光器的发展史20世纪60年代初期，美国物理学家西奥多·梅曼用红宝石作为激光的工作物质，发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年，A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。 激光器是能发射激

4、光的装置，激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线等光线的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。在1960年，美国物理学家西奥多·梅曼用红宝石作为激光的工作物质，发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年，贾文等人制成了氦氖激光器。1962年霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：固体激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的

5、金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液；半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；自由电子激光

6、器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，因此具有很诱人的前景。1.2 锁模的基本理论锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。激光器的模式分为纵模和横模。锁模也分为锁纵模、锁横模、锁纵横模三种。最主要的是纵模锁定。多模激光器的输出特性 为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为 （1） 自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，这些模的

7、振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。 假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有2N+1个纵模，那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即E(t)= （2）式中，q0，± 1，± 2，± N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q个纵模的序数； 是纵模序数为q的场强; 及是纵模序数为q的模的角频率及相位。锁模的三大特点1. 各纵模初相位彼此无确定关系，完全独立、随机的。2. 频谱：由于存在频率牵引和推斥作用，各相邻纵模之间频率间隔并不严格相等，各纵模不相干。3. 输出光强：输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随机的

8、无规则起伏。第2章 锁模激光器的原理2.1 锁模的基本原理 锁模的概念锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。锁模脉冲的特征先看三个不同频率光波的叠加： （3） 其中i=1,2,3 设三个振动频率分别为、的三个光波沿同一方向传播且有关系式：=3，=2,E1=E2=E3=E0若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相j1 、j2 、j3 彼此无关。由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强基础上有一个小的起伏扰动。但若设法使j

9、1 = j2 = j3 =0时，有 当 t=0 时,; 时, 三波叠加的结果是：E=E1+E2+E3 = 0;同理可得时，E=0；时，这样就会出现一系列周期性的脉冲。 当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“建设性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值（）。当然, 对于谐振腔内存在多个纵模的情况，同样有类似的结果。如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系(jq+1 - jq =常数)，那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象；激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲，这就是说，该激光器各模的相位己按照常数的关系被锁定，这种激光

10、器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是使各纵模相邻频率间隔相等并固定为，并且相邻位相差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现的。 下面分析激光输出与相位锁定的关系，为运算方便，设多模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅E0，超过阈值的纵模共有2N+1个，处在介质增益曲线中心的模，其角频率为，初相位为0，其模序数q=0，即以中心模作为参考，各相邻模的相位差为，模频率间隔为，假定第q个振荡模 （4） 式中，q为腔内振荡纵模的序数。激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果： （5）式中 （a） 2N+1个模式经过锁定以后，总的光波

11、场变为频率为的单色调幅波，振幅A(t)即总光波场受到振幅调制。(b) 光波电场调幅波按傅立叶分析是由2N+1个纵模频率组成，因此光波的脉冲包括2N+1个纵模的光波。 光场变为频率为的调幅波。振幅是随时间变化的周期函数，光强，也是时间的函数,光强受到调制。按傅里叶分析，总光场由2N+1个纵模频率组成，因此激光输出脉冲是包括2N+1个纵模的光波。图1给出了9（N=4)个振荡模的输出光强曲线。 图1 9个振荡模的输出光强由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化情况，即可了解输出激光的持性。为讨论方便，假定= 0，则 （6）上式分子、分母均为周期函数，因此A(t)也是周期函数。只要得到它的周期、零点

12、，即可以得到A(t)的变化规律。可求出A(t) 的周期为； 因为 ,所以，在一个周期内2N个零值点及2N+1个极值点。 在t=0和时，A(t)取得极大值，因A(t)分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时振幅。在时，A(t)取得极小值±E0，当N为偶数时，A(t)=E0，N为奇数时，A(t)=-E0。除了t=0，及点之外，A(t)具有2N-1次极大值。由于光强正比于A2(t)，所以在t=0和时的极大值，称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间，共有2N个零点，并有2N-1个次极大值，称为次脉冲。所以锁模振荡也可以理解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。通过分析可知以下性质：(1)激光器的输出

13、是间隔为的规则脉冲序列。(2)每个脉冲的宽度可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉宽。（ t=t0=0时，A(t)有极大值，而分子时，A(t)=0,令并近似为半峰值宽，则有）(3)输出脉冲的峰值功率正比于，因此，由于锁模，峰值功率增大了2N+1倍。 (4)多模激光器相位锁定的结果，实现了常数，导致输出一个峰值功率高，脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵模激光器锁模后，各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的功率应看成是所有振荡模提供的。第3章 锁模方式3.1 主动锁模损耗内调制锁模 在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调制周期为，调制频率(恰为纵模频率间隔)。 图2锁模调制示意图从时域理解锁模脉

14、冲的形成:因为(振幅)损耗调制的频率，相应的周期恰好是光子在腔内往返一周的时间。 腔内各个纵模中的某些光子，如果是在调制器损耗为零时通过，则在腔内往返一周后，所受到的损耗仍然为零。只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起来，如此得到周期为T的窄脉冲输出从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为： (7)其中腔内传播的不仅为原有的频率，还包括频率为的两个边带。这两个边带频率与中心频率的间隔恰好等于激光器的纵模间隔.由于边带与中心频率的振荡同相位，所以使得新激发起来的纵模与的振荡也同相位。 即在激光器中，一旦形成的振荡，将同时激

15、起两个相邻模式的振荡，如图3所示。图3中心频率及两边频这两个边带(纵模)通过调制器的作用，还将继续激发起另外相邻的两个边带(纵模)。这样继续下去，可将多模激光器的所有纵模都激发成有相同相位的纵模振荡。 相位内调制锁模 如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的目的。设光振幅不变，位相以频率变化，即 相位调制只能利用电光相位调制，使光波的相位按调制信号的规律变化。选用的晶体KDP纵向运用LN横向运用。相位调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。主动锁模激光器的结构 (1) 主动锁模激光器结构如图4所示，主动锁模激光器中所有光学元件的要求应比一般调Q器件更加严格，端面的反射必

16、须控制在最小，否则由于标准具效应会减少纵横个数，破坏锁模的效果。(2)调制器应放在腔内尽量靠近反射镜处，以便得到最大的纵模之间的耦合效果。调制器在通光方向的尺寸应尽量小。 (3)锁模调制器的频率必须严格调谐到，否则会使激光器工作越出锁模区，而进入猝灭区或调频区，从而破坏锁模。激光介质声光器件全反镜输出镜激光图4主动锁模激光器结构示意图3.2 被动锁模被动锁模激光器结构如图5所示，这种激光器主要包括光学谐振腔、激光棒、染料盒以及小孔光阑。为了得到高重复率的高质量锁模脉冲序列，对染料浓度、泵浦强度和谐振腔的设计及调整等都有严格的要求，否则，激光输出将极不稳定。设计被动锁模激光器时应注意以下几点：

17、图5被动锁模激光器结构示意图为了消除标准具效应，应将光学元件表面切成布儒斯持角，镀以增透膜及倾斜放置等，以利于消除非工作表面的反射。为了防止末端元件的反射光进入腔内，全反镜的后表面应磨成楔形。用于锁模的可饱和染料必须具备如下条件：染料的吸收谱线与激光波长相匹配；其吸收线的线宽大于或等于激光线宽；其弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间。被动锁模的物理过程由不规则的脉冲演变为锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段。（一）线性放大阶段 各模式振荡（由光的随机起伏相位固定过度）,增加强弱脉冲的差别，甚至使弱脉冲消失。特点：初始阶段，有机染料未饱和非线性吸收光波场自发辐射的荧光G>2时，产生激光，在激

18、光介质中线性放大-增益未饱和。自发辐射的荧光几乎包括腔内所有模式，频谱宽，但光强弱，随着的增加，当G>2时，产生激光，激光强度波形涨落形式，腔内总电场可表为各模式电场之和。各模之间的相位无规则分。在一周期2L/c时间内，光波通过有机染料、激活介质各一次。强脉冲吸收的少，弱脉冲吸收的多-非线性吸收；在激活介质中，强脉冲放大的多，弱脉冲放大的少线性放大，因此强脉冲加强，弱脉冲光强减少，甚至消失，脉冲个数减少，频谱变窄这种变化的周期2L/c 。（二）非线性吸收阶段（进行相位固定阶段）特点：染料，强脉冲使染料饱和，弱脉冲不能使染料饱和非线性吸收主要作用。工作物质增益G未饱和线性放大。在此阶段存在

19、三个重要作用：）强脉冲的强度能使染料饱和损耗少（相对值小）。弱脉冲不能使染料饱和吸收的多在I未达到Is，工作物质中线性放大的少。结果脉冲个数减少到12个（频谱窄）。）从时间域看，脉冲的宽度变窄，对脉冲的前后沿有压缩，当驰豫时间即染料的上能级脉宽时，脉冲的前后沿吸收也不同。）从频谱 加宽频谱脉冲经过染料，激光介质时，可以激发更多的边频耦合了更多的模式，这时腔内的损耗具有周期形 。（三）非线性放大阶段（主要压缩脉宽阶段）特点：染料饱和工作物质，增益饱和非线性放大由于脉冲强度进一步增大，耦合的模式增大，脉冲前沿的光可使染料饱和，前沿变陡。对于激活介质来说，介质增益饱和，强脉冲通过放大介质时，前沿中心

20、部位放大的多，脉冲后沿可能放大的少，经过几次放大过程前后沿变陡脉冲变窄。弱脉冲进一步受到抑制，最后腔中剩下一个脉冲振荡。从形成过程看，被动锁模是由很多脉冲相互竞争的结果。脉冲的出现是随机的，造成每一次输出不同。受染料的浓度，泵浦光源，谐振腔的结构，调整误差影响。锁模脉冲的形成ta线性阶段开始，tb非线性阶段开始，tc 非线性放大，增益饱和。td增益降至阈值，到达最大光强，脉冲的包络振幅，由饱和光强和反射镜的透过率决定。被动锁模在脉冲激光器中进行，输出的脉冲序列包络和被动Q开关脉冲相似。被动锁模的过程：(1)频谱：宽频谱窄宽，(2)光强：光的随机起伏光有规律形成一个脉冲。(3)相位：由相位随机相

21、位固定。第4章 锁模光纤激光器设计4.1 锁模光纤激光器基本结构锁模光纤激光器主要由泵浦源、光学耦合系统、增益掺杂光纤、锁模调制器件和光学准直系统组成，其基本结构如图6所示。图6 锁模光纤激光器基本结构图锁模光纤激光器在结构上与连续波光纤激光器基本相同，所不同之处在于谐振腔内加入的是锁模调制器件，而非连续波激光器中的选模器件，通过锁模器件将谐振腔内所有的振荡纵模利用起来，从而形成稳定的超短脉冲输出。泵浦源主要是为掺杂光纤提供泵浦能量，当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使粒子从低能级跃升到高能级，从而实现粒子数反转。泵浦源在很大程度上决定了锁模光纤激光器的性能，泵浦源工作稳定、

22、可靠、寿命长，则所获得的锁模脉冲质量和可靠性就高。目前用于锁模光纤激光器的泵浦源主要是半导体激光器（LD），由于 LD 具有体积小、寿命长、功耗小、耦合效率高等优点，因此被广泛采用，常用的 LD 泵浦波长有 820nm，920nm，980nm和1480nm 等。 掺杂光纤为锁模光纤激光器提供必要的增益以补偿腔体损耗并满足一定的输出功率需要。可用作增益介质的掺稀土光纤有很多种，其中较为常用的有掺铒、镱、钕光纤。4.2 锁模光纤激光器设计 锁模调制器件是锁模光纤激光器中最为关键的部件。锁模脉冲的形成主要是通过锁模调制器件来促使谐振腔内各纵模间满足固定的相位关系实现的。因此其调制特性对锁模脉冲的宽度

23、、幅度以及脉冲形状等都有重要的影响。锁模调制器件按照工作方式主要分为：主动调制和被动调制器件。主动调制器件是利用外界信号来实现锁模，而被动调制器件则无需外界信号的介入，通常是利用锁模脉冲自身的光场强度来建立锁模振荡。在实际的应用中,环境稳定性对被动锁模光纤激光器是一个十分重要的影响因素。主要原因是因为较长的光纤长度造成的非常大的非线性相移,温度以及压力的变化也引起锁模过程中的光纤双折射幅度的涨落。为解决这个问题,一般将光纤的长度缩短至10 米以下,并选用高双折射光纤,这样环境的变化不会影响线性双折射。1.主动锁模光纤激光器 主动锁模是通过外界信号来周期性地调制谐振腔参量，实现各腔体纵模之间相位

24、锁定的一种锁模技术，其基本结构如图7所示，它是一个环形腔结构。铒光纤提供腔内的增益。腔内的主动锁模器件是一个高速调制器，它对光波的调制方式有两种：一种是振幅调制；另一种是相位调制。调制器在正弦电压信号的驱动下产生周期性的损耗或者周期性的相位变化，这种周期性的变化与腔内循环的脉冲相互作用导致了锁模脉冲序列的产生。 到目前为止，通过直接调制的主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率最高达 40GHz，脉冲宽度为 3.5ps。利用有理数谐波锁模技术，主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率可以达到 80-200GHz。而采取色散渐减掺铒光纤放大器进行绝热孤子压缩可以使输出脉冲的脉宽小于 200fs。 EDF

25、- 掺铒光纤 ；ISO-隔离器；WDM-波分多路复用图7 主动锁模光纤激光器结构简图主动锁模光纤激光器具有脉冲重复速率高、中心波长和脉冲重复速率可调谐、可直接产生无频率啁啾近似变换极限的光脉冲等的优点。但是，由于受到调制器调制带宽的限制，其输出脉冲宽度通常为ps量级，并且还容易受到外界环境（如温度变化、机械振动）、谐振腔内偏振态起伏、超模噪声等因素的影响，因此需要很多复杂的技术来提高系统的稳定性。此外，主动锁模光纤激光器的成本相对较高，制作技术难度大，并且由于引入了外加调制器，导致了腔体的附加损耗增大。结 论如果在激光谐振腔内不加入任何选模装置，那么激光器的输出谱线是由许多分立的，由横纵模确定

26、的频谱组成的。激光跃迁线宽把具有足够大增益的振荡模的数日限制在一定数量。只有那些激光介质的增益超过谐振腔损耗的波长的光才形成激光辐射。通常用带宽、纵摸数量以及相干长度等术语来描述激光的谱线特性。在自由运转激光器中 ，纵模及横模是在无任何固定的振幅及相位关系下同时振荡的，这种激光器的输出是按时间平均统计平均值的。在一般谐振腔内，处于激光介质的增益大于谐振腔损耗频率范围内的纵模有几百个。在频域范畴内，激光辐射由许多纵模间隔为的谱线组成。这些模彼此互不相关地进行振荡，其相位随机地分布在-到+之间。其时域输出特征类似热噪声。但是，如果迫使振荡模彼此之间的相位关系保持固定，那么激光输出将以完全确定的形式变化。此时，我们说激光是锁模或锁相的。锁横激光器的输出为高斯分布(频率对振幅)，并且相位完全一样。在时域内，激光输出为高斯脉冲串，因此锁模相当于使谱线的振幅及相位相关。本论文围绕锁模光纤激光器，对激光器系统中亟待解决的光谱边带和荧光的抑制、耦合输出比与偏振控制器的优化、