-锁模激光器

东北石油大学课程设计

2013年3 月8 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04

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) 40-43

[2]贾正根,半导体报,北京,电子工业出版社,2000年6月第37卷(3)45-47

[3]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2013.3.4 ~2013.3.8

指导教师

专业负责人

2013年3 月4 日

目录

第1章概述 (4)

第2章锁模激光器的原理 (2)

2.1 锁模的基本原理 (4)

2.1.1锁模脉冲的特征 (4)

第3章锁模方式 (8)

3.1 主动锁模 (8)

3.1.1损耗内调制锁模 (8)

3.1.2相位内调制锁模 (9)

3.1.3主动锁模激光器的结构 (9)

3.2 被动锁模 (10)

第4章锁模光纤激光器设计 (13)

4.1 锁模光纤激光器基本结构 (13)

4.2 锁模光纤激光器设计 (13)

结论 (11)

参考文献 (12)

第1章概述

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。实现锁模的方法有很多种，但一般可以分成两大类：即主动锁模和被动锁模。主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲。

目前,最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模（Kerr Lens mode locking)技术是一种独特的被动锁模方法。科尔透镜锁模实际上是利用了材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而最终实现短脉冲输出。一台激光器实现锁模运转后，在通常情况下，只有一个激光脉冲在腔内来回传输，该脉冲每到达激光器的输出镜时，就有一部分光通过输出镜耦和到腔外。因此，锁模激光器的输出是一个等间隔的激光脉冲序列。相邻脉冲间的时间间隔等于光脉冲在激光腔内的往返时间，即所谓腔周期。一台锁模激光器所产生的激光脉冲的宽度是否短到飞秒量级主要取决于腔内色散特性、非线性特性及两者间的相互平衡关系。而最终的极限脉宽则受限于增益介质的光谱范围。衡量一台飞秒激光器的重要技术指标为：脉冲宽度、平均功率和脉冲重复频率。

此外，还有谱宽与脉宽积，脉冲的中心波长，输出光斑大小，偏振方向等。脉冲重复频率实际上告诉我们了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间隔。由平均功率和脉冲重复频率可求出单脉冲能量，由单脉冲能量和脉冲宽度可求出脉冲的峰值功率。

第2章 锁模激光器的原理

2.1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 L

C v v v q q q 21=-=?+ （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)=

)cos(q q N N q q t w E φ+∑-= （2）

式中，q ＝0，± 1，± 2，…，± N 是激光器内(2N +1)个振荡模中第q 个纵模的序数； q E 是纵模序数为q 的场强; q w 及q φ是纵模序数为q 的模的角频率及相位。

2.2锁模脉冲的特征

先看三个不同频率光波的叠加：

)2cos(01i i v E E ?π+= （3） 其中i=1,2,3

设三个振动频率分别为1v 、2v 、3v 的三个光波沿同一方向传播且有关系式：3v =31v ，2v =21v ,E 1=E 2=E 3=E 0

若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相?1 、?2 、?3 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2/320E 基础上有一个小的起伏扰动。

但若设法使?1 = ?2 = ?3 =0时，有

)2cos(101t v E E π=

)4cos(102t v E E π=

)6cos(103t v E E π=

当 t=0 时,013E E =,2029E E =; 1

31v t =时, 2

)32cos(001E E E -==π 2

)34cos(002E E E -==π 003)2cos(E E E ==π

三波叠加的结果是：E=E 1+E 2+E 3 = 0;同理可得132v t =时，E=0；1

1v t =时，03E E =……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（2029E E I ==）。

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(?q+1 - ?q =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=-+q q ??1常数的关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，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L

C v q 2=?，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E 0，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0w ，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α，模频率间隔为w ?，假定第q 个振荡模

])[()cos()(000α?q t w q w E t w E t E q q q +?+=+= （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：

t w t A t E 0cos )()(= （5）式中2

sin 2))(12(sin )(0αα+?+?+=wt wt N E t A （a ） 2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为0w 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0w 的调幅波。振幅)(t A 是随时间变化的周期函数，光强)()(2t A t I ∝，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α= 0，则2

sin 2)12(sin )(0wt wt N E t A ??+= （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，即可以得到A (t )的变化规律。

可求出A (t ) 的周期为c L 2； 因为L c v w ππ=?=?2 ,所以，c

L T 2=，在一个周期内2N 个零值点及2N +1个极值点。

在t =0和c

L t 2=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0)12(E N +。 在c

L t =

时，A (t )取得极小值±E 0，当N 为偶数时，A (t )=E 0，N 为奇数时，A (t )=-E 0。除了t =0，c

L 及c L 2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c L t 2=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)激光器的输出是间隔为c L 2=

τ的规则脉冲序列。 (2)每个脉冲的宽度q

v N ?-+=?1121τ可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉宽。（ t=t 0=0时，A(t)有极大值，而分子π=?+2

121t w N ）（时，A(t)=0,令01t t t -=?并近似为半峰值宽，则有…）

(3)输出脉冲的峰值功率正比于220)12(+N E ，因此，由于锁模，峰值功率增

大了2N +1倍。

(4)多模q w q w ?+0激光器相位锁定的结果，实现了=-+q q ??1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章锁模光纤激光器设计

3.1 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2 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、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。

3.2 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、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

LiNbO调制器，它对光波

3

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- 掺铒光纤；ISO-隔离器；WDM-波分多路复用（是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。）

图3 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。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，导致了腔体的附损耗大。

第4章 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，由横纵模确定的频谱组成的。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L

c 2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-π到+π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。

参考文献

[1]江涛,激光与光电子学进展,北京,电子工业出版社,2000年(8) 40-43

[2]贾正根,半导体报,北京,电子工业出版社,2000年6月第37卷(3)45-47

[3]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

[5]蓝信铝等.激光技术.第1 版.科学出版社. 2000: 104-108.

[6]伟力等.全固化飞秒激光器研究进展.光电子激光. 1999, 10(3): 282-285.

[7]友清.第二代飞秒激光器.激光与光电子学进展.1995, 7: 5-10.

东北石油大学课程设计成绩评价表

指导教师：年月日