激光器锁模技术
锁模激光器原理
锁模激光器原理
嘿，大家知道吗，锁模激光器就像是一个超级有纪律的音乐团队！想象一下，激光就像是一束束音符，而锁模呢，就是让这些音符整整齐齐、有规律地排列起来，演奏出美妙的“激光乐章”。
简单来说，锁模激光器的原理就是让激光器发出的光的各个模式之间保持固定的相位关系。
这就好比一群人跑步，大家步伐一致，节奏不乱。
在这个神奇的过程中，有个关键的角色叫“锁模元件”，它就像是乐队的指挥，让所有的光都听它的指挥，乖乖地按照特定的节奏来。
通过锁模，激光束就变得超级厉害啦！它的能量会高度集中，脉冲宽度会变得非常窄，就像射出的箭一样又快又准。
生活中其实也有类似的情况哦，比如我们排队整齐地走路，或者一起合唱时保持相同的节奏，这和锁模激光器的原理有点像呢！是不是很有趣呀？这样一解释，大家是不是对锁模激光器原理有了更清楚的认识啦！。
激光锁模条件
激光锁模条件激光锁模条件是指在激光器中，使得激光器输出的光束能够在空间上保持良好的模式结构。
激光锁模条件的实现对于激光器的性能至关重要，可以提高激光器的功率稳定性、光束质量和频率稳定性。
激光锁模条件的核心是控制激光谐振腔中的模式竞争。
激光谐振腔是激光器中用于增强光的谐振腔，通常由两个反射镜构成。
当激光器工作时，谐振腔中会存在多种模式，这些模式在谐振腔内来回传播并相互干涉，最终形成激光器输出的光束。
当激光器的增益介质处于饱和状态时，会产生光强的非线性效应。
这种非线性效应会导致谐振腔中的模式竞争，即不同的模式之间会相互影响，最终只有一个或少数几个模式能够占据优势地位。
而其他模式则会受到压制，无法得到增益，从而形成激光锁模条件。
为了实现激光锁模条件，可以采取多种方法。
一种常用的方法是在激光器谐振腔中引入光学元件，例如模式选择器、光纤或光栅。
这些光学元件可以通过选择性地增强或抑制特定的模式，从而实现激光锁模条件。
另一种方法是通过调整激光器的工作参数，例如激光器的泵浦功率、谐振腔的长度或曲率等，来控制模式竞争，从而实现激光锁模条件。
激光锁模条件的实现对于激光器的性能有着重要的影响。
首先，激光锁模条件可以提高激光器的功率稳定性。
当激光器满足锁模条件时，输出的光束的功率会比较稳定，不会因为模式竞争的影响而波动。
其次，激光锁模条件可以提高光束的质量。
锁模条件下的激光器输出光束的模式结构比较好，光束的光斑通常比较圆形，光束质量较高。
最后，激光锁模条件还可以提高激光器的频率稳定性。
锁模条件下的激光器输出的光束频率比较稳定，并且与激光谐振腔的长度和光学元件的特性有关。
激光锁模条件是激光器中实现模式竞争控制的重要条件。
通过控制激光谐振腔中的模式竞争，可以实现激光器输出光束的稳定性、光束质量和频率稳定性的提高。
激光锁模条件的实现对于激光器的应用具有重要意义，可以广泛应用于激光雷达、光通信、激光加工等领域。
激光器锁模技术
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
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 定的限制
实现锁模的方法
下面我就以损耗调制为例，说明振幅调制锁模的原理：
利用声光或电光调制均可实现振幅调制锁模
调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
锁模脉冲光强曲线 N=3，即 （2N+1）=7
当
(t ) 2 m 时，光强最大
最大光强为：
1 sin (2 N 1)( t ) 2 2 2 2 I m E0 lim (2 N 1) E0 ( t ) 2m 2 1 sin ( t ) 2
可见，相位调制与振幅调制光波类似，调制后，也存在一系 列边带，锁模机理类似
Eq (t) E0e
结果：
i[(0 q)t 0 q ]
激光器输出的总光场是（2N+1）个纵模相干叠加的
E (t)
1 sin (2 N 1)( t ) 2 E0 cos(0 t) 1 sin ( t ) 2
q N
Ee
q
N
i[(0 q ) t 0 q ]
[E0T0 T0E0cos(m t)]cos(0 t 0 )
A0[1 m cos(m t)] cos(0 t 0 )
1 1 A0 cos(0 t 0 ) mA0 cos[(0 m ) t 0 ] mA0 cos[(0 m ) t 0 ] 2 2
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 不同的相位延迟
假设未调制的光场：E(t) E0 cos(0 t 0 ) 相位调制函数为： (t) cos t 则经过调制后的光场就变为： E(t) E0 cos(0 t 0 cos t) 角频率的变化量为：
锁模原理
2、振幅(损耗)调制锁模：声光锁模 (1)概念
使用声光调制器调制谐振腔损耗，当电调制频率 为f=c/4L时,损耗调制频率为f=c/2L，可获重复 频率也为f的激光脉冲系列
(2)装置 激光
输出镜
激光介质 声光器件 全反镜
P0
1 2
STI
0
1 2
1
0.01150
0.75w
P q P0 10 0.75 7.5w
③ Pm=N2P0=1000.75=75w
T
2L c
2 1.5 3108
108 s
T 108 109s N 10
或
1
T
1 950 106
1.05109 s
§2 锁模激光器
一、主动式锁模
1、定义
T 2 2L 2L c c
3、脉宽(光脉冲持续时间的一半)
证
a2
a1
2
N
2 T
N N
T 1 N T
另有
N T q
T 1
q
1 q 1 q T T
1
2
3
4
5
6
7
8
9
123456789
(N=4)
例1 He-Ne激光器的谐振腔长L=1.5m, 截面积S=1 mm2,输出镜透过率为T＝0.01, 激活介质的多普勒 线宽为＝950MHz, 饱和参数为Is=50 w/mm2,现将此 激光器激活，激发参数=2,求:①满足起振条件的 模式数②总输出功率(无模式竞争,各模式输出功
eina[1 eia(2n1) ]
e
i
a 2
4.7 激光器的锁模-20200513
1/4 plate
Pockels cell
Nd:YAG Rod Dielectric polarizer
PZT
Nd:YAG Rod
Flashlamp
脉冲调Q Nd:YAG激光器示意图
16
2
sin2 1 t
2
第二四、章锁激模光器脉的冲工特作特性性
(1) 峰值功率 (光强极大值Im )
当 t 2m (m 0,1,......) 时有极大值：
sin2 1 (2N 1)(t )
Im
E02
.
t
lim
2m
2 sin2 1 (t )
(2N 1)2 E02
2
锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的(2N＋1)倍
未锁定时
I
t
(2N
1)
E
2 0
(
t
)
模式个数多，有利于锁模脉冲峰值功率的提高
模式个数
振荡模式增多的途径：1、Lq 2、F
(2) 锁模脉冲间隔－相邻脉冲极大值之间间隔 (T0)
T0
2
2L c
1
q
第(3四)章脉激冲光宽器度的(工)作脉特性冲半功率点的时间间隔
2
2N 1
2L' c
1 2N 1
q
t=0
t=1/31 t=2/31 t= 1/1
E1=E2=E3=E0 E1=E2=-1/2E0 , E3=E0 E1=E2=-1/2E0 , E3=E0 E1=E2=E3=E0 ,
E=3E0 , E2=9E02 E=0 E=0 E=3E0 , E2=9E02
E
t
I(t)
0 1/31 2/31 1/ 1
0 0 0
第六讲激光的调Q与锁模
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。 纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
1 t1 2 2 I ( t ) E ( t ) 0 E ( t ) dt t1 q 因为 1 t1 2 1 2 2 0 Eq cos (qt q ) dt Eq t1 q q2 1 t1 0 Eq E cos( t ) cos( t ) dt 0 q q q q q t1 q q 所以 N 1 2 I ( t )＝ Eq q 0 2
15
下面用数学形式来定量地分析激光输出与 相位锁定的关系。若多模激光器的所有振荡 模均有相等的振幅E0。超过阈值的纵模共有 2N+1个，各相邻模的相位差都是n ，并设处 在介质增益曲线中心的模(q=0)，其角频率为 0，其相位为0，即以中心模的相位为参考相 位。
16
振幅特性
对于一个腔长为L的平行平面腔，如果忽 略了腔的非线性色散效应，则两相邻纵模的 频率间隔相等，由（1）式
5
在多模振荡时，如果使振荡模的频率间隔 保持一定，并且使各模之间只有确定的相位 关系，这时激光输出是一系列周期脉冲，这 种激光器叫做“锁模”激光器，相应的技术 叫做“锁模技术”。
6
假设在激光工作物质的净增益线宽内包 含有N个纵模，那么，这时激光器输出的光波 电场是N个纵模电场的和： N （2） E ( t ) E cos( t )
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
激光锁模技术ppt课件
冲在腔内往返运动，每当此脉冲行进到输出反射镜时，便有一
个锁模脉冲输出。
➢脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔
sin[(2N 1) t ] 0但sin(t ) 0 t (m n )
2
2
2
2N 1
2 T 1
为锁模激光器的线宽
(2N 1) 2N 1
4.7.1 锁模原理
，
所以
(t1) (t1
2L) c
，以后这束光波每次通过调制器时损耗
相同。若损耗大于增益，这部分光波终将消失，而在损耗等于
零时通过的光每次都能无损耗的通过，会不断被放大，满足阈
值条件形成振荡，如果腔内损耗和增益控制得当，最终将形成
脉宽很窄，周期为T的脉冲序列输出。
损耗内调制锁模
➢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 ν0 处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：
彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相
干叠加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即 I Iq
输出光强随时间无规则起伏。
q
4.7.1 锁模原理
核心思想：锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率 间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有 规则的等间隔的短脉冲序列。
实现锁模的方法
在一般激光器中，各纵模振荡互不相关，各纵模 相位没有确定的关系。并且，由于频率牵引效应， 相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到 锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保持 确定关系，并使相邻模频率间隔相等。
• 主动锁模 • 被动锁模 • 自锁模
4.7.2 主动锁模
在自由运转的激光器谐振腔中加入受外界信号控制的调制器， 对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫 作主动锁模。 1. 振幅调制（损耗内调制锁模） ➢如图(4-31)所示，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 Tm 2 Ω 2L c ，调制频率 νm c 2L (恰为纵 模频率间隔)
锁模激光器的产生原理
锁模激光器的产生原理
锁模的基本原理，就是激光器内放置损耗调制元件，假设激光器
的腔长时L，则激光器的震荡频率为c/2L。
调制元件的调制周期刚好是光脉冲在腔内一周所需要的的时间2L/c。
因此在谐振腔中往返运行的激光束在通过调制器的时候，总是处在相同的调制周期内。
假如调制器放在谐振腔的一端，再假设t1时刻，某一光信号受到的损耗是a（t1），则，这一信号在腔内往返一周后，将受到同样的损耗，若a（t1）≠0，则该信号在腔内往返一次则遭受到一次损耗，如果损耗大于增益的话，在信号最后会衰减为零，该部分光消失。
而a（t1）=0时，光每次通过衰减器的损耗为零，加上光波在腔内工作物质中的放大，光会不断得到放大，光波振幅不断变大。
如果腔内的损耗和增益物质控制得当，就可以产生脉冲周期为2L/c的脉冲序列输出。
现假设在增益曲线的中心处的纵模频率为v0，由于它的增益最大，首先得到振荡，通过调制器时，受到损耗调制，调制的结果是产生两个边频v0+/—vm，当损耗的变化频率和腔内纵模的频率间隔相等时，即vm=c/2L时，由调制激发的边频实际上与v0相邻的两个纵模频率相等，它们之间具有相同的振幅和相位关系，它们可以开始震荡。
而后，两个边频开始被放大，得到调制，调制后又激发新的边频，以此类推达到了锁模的目的，这些模式叠加起来发生剧烈的耦合，形成了强而窄的光脉冲序列。
彭亦超2.28。
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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 不同的相位延迟
假设未调制的光场：E(t) E0 cos(0 t 0 ) 相位调制函数为： (t) cos t 则经过调制后的光场就变为： E(t) E0 cos(0 t 0 cos t) 角频率的变化量为：
制，如果调制频率
f c 2 L'
可实现锁模
幅 度 调 制 锁 模 激 光 器 示 意 图 损耗调制器M为一电光调制器或声光调制器，加以适当的调制 c 电压，使腔的损耗发生角频率为 ' 的周期性变化
。
L
由于损耗呈周期性变化
调制器的透过率也呈周期性变化
调制器的透过率为
T (t) T0 T0 cos(m t)
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
基频不会发生移动，在腔内保存下来，不断放
大，形成周期为
2 L' c
的超短光脉冲序列
由图可见，对于调制信号 的两个极值，有两个完全 无关的超短脉冲序列。这 两列脉冲出现的概率相同。 激光器通常工作在一个系 列上，但器件的微小扰动 会使锁模激光器输出从一 个系列跃迁到另一个系列。
A0 E0T0
m
E0 T0 A0
m为调制系数
E(t) A0 cos(0 t 0 )
1 mA0 cos[(0 m ) t 0 ] 2 1 mA0 cos[(0 m ) t 0 ] 2
上式说明，一个频率为 0 的光波，经过 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 0 , 0 m , 0 m 并且这三个频率 频率， 的光波的相位差相同，从而实现了锁模
锁模脉冲光强曲线 N=3，即 （2N+1）=7
当
(t ) 2 m 时，光强最大
最大光强为：
1 sin (2 N 1)( t ) 2 2 2 2 I m E0 lim (2 N 1) E0 ( t ) 2m 2 1 sin ( t ) 2
Eq (t) E0e
结果：
i[(0 q)t 0 q ]
激光器输出的总光场是（2N+1）个纵模相干叠加的
E (t)
1 sin (2 N 1)( t ) 2 E0 cos(0 t) 1 sin ( t ) 2
q N
Ee
q
N
i[(0 q ) t 0 q ]
[E0T0 T0E0cos(m t)]cos(0 t 0 )
A0[1 m cos(m t)] cos(0 t 0 )
1 1 A0 cos(0 t 0 ) mA0 cos[(0 m ) t 0 ] mA0 cos[(0 m ) t 0 ] 2 2
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
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 定的限制
实现锁模的方法
下面我就以损耗调制为例，说明振幅调制锁模的原理：
利用声光或电光调制均可实现振幅调制锁模
调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
d (t) d (t) (t) sin t dt dt
其振荡角频率就变为：(t) 0 sin t
上式表明，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
相位调制函数为： (t) cos t 其振荡角频率就变为：(t) 0 sin t 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
相邻脉冲峰值间的时间间隔为：
2 2 L' T0 c
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
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
脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为：
2 1 (2 N 1)
可见，相位调制与振幅调制光波类似，调制后，也存在一系 列边带，锁模机理类似
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 制函数的不对称性，从而使一列脉冲优先运行
从频率特性分析相位调制锁模：
E(t) E0 cos(0 t 0 cos t)
令 0 0 当 1 时
E0 E0 E 0 (t) E0 cos(0 t) cos[(0 ) t] cos[(0 ) t] 2 2
T 为透过率变化的幅度 T0 为平均透过率 ，
假定调制前腔内的光场为
E(t) E0 cos(0 t 0 )
受调制后：腔内光场变为：
E(t) T(t) E0 cos(0 t 0 ) [T0 T0cos(m t)] E0 cos(0 t 0 )
2
如图在一个周期内， 强度曲线有2N个零点， 有(2N+1)个极值点
2 L' 在 t 0或者t 时极大，极大 c 值为
(2 N1) E0
2
2
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：
I (2 N1) E
2 0
锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍 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
在激光器中，一旦在增益 曲线的某个角频率0 形成 振荡
0
0
0
激起两个相邻 的模式振荡
0 2
0 2
这两个相邻模幅度调 制的结果又将产生新 的边频
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
原理：相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器，
激光器锁模技术
锁模原理
实现锁模的方法
主动锁模
锁模，可得到更窄的脉冲
锁模激光脉冲宽度可达10-11~10-14s,相应的具
有很高的峰值功率
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：
Eq (z, t) Eq e
的振幅 E0
z i[q (t ) q ] v
为了运算方便，令激光器的所有振荡模式具有相同 设振荡的纵模数为（2N+1）个，处于增益曲线中心
的模为 q = 0,角频率为 0 ,初相位为 0 ，以中心模 作为参考各个模式的相位差为 ，模的频率间隔 为
q q 1
c
L
'
在Z=0处，第q个模式的电场强度为：