激光器锁模技术
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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 )
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。
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：
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
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
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)
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 ]
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：
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
[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
制，如果调制频率
f ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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)
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
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
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，
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
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 )
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。
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：
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
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
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)
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 ]
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：
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
[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
制，如果调制频率
f ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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)
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
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
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，