锁模脉冲激光器概述
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！。
激光的调Q与锁模
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
锁模激光器的工作原理及其特性
锁模激光器的工作原理及其特性摘要： 本文主要介绍了锁模的基本原理和实现方法，并简单介绍了锁模激光器。
关键词：锁模，速率方程，工作原理一、引言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。
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。
二、锁模的概念一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，总是得到多纵模输出。
并且，由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模。
每个纵模输出的电场分量可用下式表示])-([),(q q z t i q q e E t z E ϕυω+= （2.1）式中，q E 、q ω、q ϕ为第q 个模式的振幅、角频率及初相位。
各个模式的初相位q ϕ无确定关系，各个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。
但如果使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种激光器称为锁模激光器。
假设只有相邻两纵模振荡，它们的角频率差Ω='=L cq q πωω1-- （2.2）它们的初相位始终相等，并有01-==q q ϕϕ。
为分析简单起见，假设二模振幅相等，二模的行波光强I I I q q ==1-。
现在来讨论在激光束的某一位置（设为0=z ）处激光场随时间的变化规律。
不难看出，在0=t 时，二纵模的电场均为最大值，合成行波光强是二模振幅和的平方。
由于二模初相位固定不变，所以每经过一定的时间0T 后，相邻模相位差便增加了π2，即πωω2-01-0=T T q q （2.3）因此当0mT t =时（m 为正整数），二模式电场又一次同时达到最大值，再一次发生二模间的干涉增强。
于是产生了具有一定时间间隔的一列脉冲，脉冲峰值光强为I 4，由式（2.3）可求出脉冲周期为cL T '=Ω=220π 如果二纵模初相位随机变化，则在0=z 处，合成行波光强在I 2附近无规涨落。
第六讲激光的调Q与锁模
该式说明了我们观察到的平均光强是各个 纵模光强之和。
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如果我们能设法使这些各自独立振荡的 纵模在时间上同步，就需要把它们的相位相 互关联起来，使之有一确定的关系。一般说， 能使q+1 - q等于常数，我们就说该激光器各 模的相位q是按照q+1 - q=常数的关系被锁 定。
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二、多模激光器模式锁定特性
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激光的频 谱是由等间隔 (C/2L)的分离 谱线所组成， 每条谱线对应 一个纵模，各 纵模间彼此独 立，相位是在 -到之间随 机分布。在时 间域内，其强 度分布有噪声 特性。
振幅
0
v
振幅强度
t
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当用接收器件来探测非锁模激光器输出 的光功率时，接收到的光强是所有满足阈值 条件的纵模光强的叠加。此时，某一瞬时的 输出光强为：
第六讲 激光的锁模 技术
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6．1 锁模技术
前面讲过的调Q激光器可以获得巨脉冲， 但是最小脉冲宽度约秒量级。其原因是形成 激光脉冲需要一个建立时间。如果用腔倒空 技术，可以将脉宽压缩到1～２ns，并且由腔 长决定。 锁模技术可以实现更窄的脉宽和更高的 输出峰值功率。
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锁模技术是从1964年发展起来的，由于 它能使激光脉冲的持续时间达到10-12秒，甚 至更窄（10-15秒）。所以也称为超短脉冲技 术。由于激光输出脉宽很窄，所以峰值功率 可以很高。这种窄脉冲高峰值功率的激光应 用甚广，在受控核聚变、等离子体物理学、 遥测技术、化学及物理动力学、生物学、高 速摄影、光通讯、光雷达、光谱学、全息学 及非线性光学等许多领域都有着重要的应用， 对于研究超高速现象及探索微观世界的规律 性具有极大的意义。
q 2 q 2 C C 2L L
n 0 n 第n个纵模频率为： 0为中心频率，为纵模间隔 设第n个纵模的振幅为An(t)， i ( ) t 0 n An (t ) A0e n 其中，A0为振幅， n为初相位。
激光锁模技术
激光锁模技术顾朝晖 宁波大学光电信息工程 116170013摘要：锁模是激光技术中的一个十分重要的组成部分。
调Q 技术，受原理上的限制，其激光器输出的激光脉冲的宽度在1~30115之间。
随着科学技术的发展，在遥测技术、高时间分辨率光谱学、非线性光学、光电子学、化学动力学以及受控核聚变等许多领域要求获得脉冲宽度更窄、峰值功率更高的激光脉冲。
这推动了超短光脉冲技术的研究，发展了激光锁模技术。
关键词：锁模技术，激光脉冲引言：世界上是在1964年底首先对He-Ne 激光器实现锁模并获得了91010~10--s 的光脉冲列。
此后，激光锁模的理论和方法不断推陈出新，相继出现了红宝石、YAG 、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，获得了ps(1210-)量级的窄脉冲。
八十年代初，Fork 等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级，这是至今在实验室利用其它手段尚不能实现的最短时标。
这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新的工具，并将开阔这些领域的新前景。
.1.激光锁模技术的原理自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，如图所示。
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N 个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:那么激光器输出的光波电场是N 个纵模电场的和，即)()(q q t i q q e E t E ϕω+=)()(q q t i q q e E t E ϕω+=()()q q i t q qE t E e ωφ+=∑()()q q i t q q E t E e ωφ+=∑E q 、ωq 、φq 为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。
各个模式的振幅E q 、初位φq 均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。
假设有三个光波，频率分别为v 1 v 2 和 v 3，沿相同方向传播，并且有如下关系： ，在未锁定时，初相彼此无关。
关于激光器研究(文献综述)
关于锁模光纤激光器的研究前言激光器，顾名思义，即是能发射激光的装置。
1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。
1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了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。
2004 年，Idly 提出了一种自相似脉冲光纤激光器，同时为这种光纤激光器建立了一种数值模型。
模型中采用非线性薛定谔方程（NLSE）描述脉冲在正色散光纤中的传输，引入了一个与脉冲强度相关的透过率函数将NPE 锁模机理等效成快速可饱和吸收体（SA）的作用0 模拟发现这种激光器输出的脉冲具有抛物线的形状和线性啁啾，能量可高达10nJ。
随着自相似脉冲在实验上的实现，自相似锁模光纤激光器迅速成为超短光脉冲领域的研究热点。
用Idly 模型对自相似锁模光纤激光器的研究不断取得新的进展。
在此我将对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究（如被动锁模光纤激光器）做一个大致的探讨。
主题激光器的原理非线性偏振旋转被动锁模环形腔激光器的结构如图1所示, 激光器由偏振灵敏型光纤隔离器、波分复用器、偏振控制器、输出藕合器、掺yb3+光纤组成。
其工作原理为从偏振灵敏型光纤隔离器输出的线偏振光,经过偏振控制器PCI(1/4 λ波片)后变为椭圆偏振光, 此椭圆偏振光可看成两个频率相同、但偏振方向互相垂直的线偏振光的合成, 它们在掺yb3+增益光纤中藕合传输时, 经过光纤中自相位调制和交叉相位调制的非线性作用, 产生的相移分别为其中n1x 、n1y分别为yb3+光纤沿X、Y方向的线性折射率, n2、l分别为该光纤的非线性折射率系数和长度。
第六讲激光的调Q与锁模
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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。
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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
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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。
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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
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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”。
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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
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6．1 锁模技术
锁模激光器的工作原理及其特性
锁模激光器的工作原理及其特性摘要： 本文主要介绍了锁模的基本原理和实现方法，并简单介绍了锁模激光器。
关键词：锁模，速率方程，工作原理一、引言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。
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。
二、锁模的概念一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，总是得到多纵模输出。
并且，由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模。
每个纵模输出的电场分量可用下式表示])-([),(q q z t i q q e E t z E ϕυω+= （2.1）式中，q E 、q ω、q ϕ为第q 个模式的振幅、角频率及初相位。
各个模式的初相位q ϕ无确定关系，各个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。
但如果使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种激光器称为锁模激光器。
假设只有相邻两纵模振荡，它们的角频率差Ω='=L cq q πωω1-- （2.2）它们的初相位始终相等，并有01-==q q ϕϕ。
为分析简单起见，假设二模振幅相等，二模的行波光强I I I q q ==1-。
现在来讨论在激光束的某一位置（设为0=z ）处激光场随时间的变化规律。
不难看出，在0=t 时，二纵模的电场均为最大值，合成行波光强是二模振幅和的平方。
由于二模初相位固定不变，所以每经过一定的时间0T 后，相邻模相位差便增加了π2，即πωω2-01-0=T T q q （2.3）因此当0mT t =时（m 为正整数），二模式电场又一次同时达到最大值，再一次发生二模间的干涉增强。
于是产生了具有一定时间间隔的一列脉冲，脉冲峰值光强为I 4，由式（2.3）可求出脉冲周期为cL T '=Ω=220π 如果二纵模初相位随机变化，则在0=z 处，合成行波光强在I 2附近无规涨落。
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锁模脉冲激光器概述
张斌
北京工业大学 应用数理学院 010611班
指导教师：宋晏蓉
摘要 本文概述了锁模激光器的发展历史和发展方向、激光超短脉冲技术的分类及应用。
关键词 锁模，脉冲，激光器
一、引言
自从1964年第一台锁模激光器问世以来，超短脉冲激光器的研制工作已有了飞速发展，到目前为止已经可产生脉宽几个飞秒，峰值功率TW （1012瓦）级，激光波长从紫外到红外的全光谱范围的超短、超强脉冲激光器。
缩短脉冲激光器脉冲宽度的方法主要经历了三次革新，即调Q 脉冲激光器阶段、主动、被动锁模激光器阶段和克尔锁模激光器阶段。
随着超短脉冲激光技术的飞速发展，目前人们已能从克尔透镜锁模（KLM ）的掺钛蓝宝石飞秒激光器中直接产生脉冲宽度不到两个光学周期的激光脉冲（对于800nm 的中心波长，一个光学周期约等于2.17fs ）。
同时在得到高峰值功率的脉冲输出方面也作了很多尝试，目前利用啁啾脉冲放大技术（CPA ）所能获得的最高脉冲峰值功率已经突破了200TW [1]。
由于输出的脉宽窄、峰值功率高、光谱范围宽这些特点，使超短脉冲激光器广泛应用于各个领域。
如高峰值功率的脉冲激光器被用于产生高次谐波，用于“水窗”和X 射线的应用中。
而高重复率的脉冲激光器在信息处理、通信（波分复用）、互联网及光全息技术、激光光谱等领域中均有广泛用途。
也正是由于这些重要领域对超短光脉冲源的需求，促使从事激光领域研究的人们一直在不断努力探索，用各种手段，各种方法得到脉宽越来越窄，峰值功率越来越高，波长范围连续可调并覆盖全波段的相干光脉冲，并不断地改进其锁模方式和泵浦方式，使激光器向小型化、全固化方向发展。
二、锁模脉冲激光器的发展历史
自本世纪60年代第一台激光器诞生以来，由于此新型光源具有以前光源所不具有的优点，如单色性好、相干性好、高亮度等，使激光技术得到了飞速发展，其中发展的一个重要方向是缩短输出脉冲宽度，就锁模脉冲激光技术领域来研究，大致可以分为四个发展阶段：
60年代中期～为第一阶段，其特征是各种锁模理论的建立和各种锁模方法的试验探索。
这属于超短激光脉冲的初始阶段。
s 910−s 1010−70年代中后期10-11～10-12s 为第二阶段，其特征是各种锁模方式和理论（如主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等）逐步成熟，并在物理和化学领域展开了皮秒（10-12s ）级的初步应用。
80年代为第三阶段，其主要特征是脉冲宽度已进入飞秒（10-15s ）阶段。
它是以所谓碰撞锁模染料激光器为主要代表，该激光器就其基本的锁模原理来说依然为被动锁模，在锁模机理和方法上并没有根本突破，但是由于脉冲的碰撞效应，使该激光器不仅能够产生，而且能够稳定地运转在飞秒量级。
这展开了超快激光极其重要和十分活跃的新研究领域—飞秒激光技术与科学。
90 年代初开始了超短激光脉冲的第四阶段。
这一阶段的主要特征并不表现脉冲宽度的进一步压缩，而是在产生飞秒激光的介质方面有新突破。
具有突破性的研究是1991年，D. E. Spence [2]等人利
用氩离子激光做泵浦源，用SF14棱镜补偿腔内色散，首次研制成功以掺钛蓝宝石为增益介质的飞秒自锁模激光器，标志着固体飞秒激光器进入了一个新的发展阶段。
随后在飞秒激光领域产生了飞速的发展。
1999年，U Morger [3]等人利用低色散棱镜对和一对啁啾镜，在自锁模掺钛蓝宝石激光腔内输出小于2个光学周期的飞秒光脉冲，对应的带宽大于350nm ，重复频率为90MHz ，是当时激光振荡器输出的最短脉冲宽度。
同年，A. V. Sokolov [4]提出利用超薄气体介质引起激光脉冲频率调制，产生宽带频谱，预计可以产生小于1fs 的超短脉冲。
在1997年，I N Ross [5]等人又提出了光学参量啁啾脉冲放大技术。
1998年，Charles G. Durfee [6]等人利用多通放大技术获得了、输出能量为、峰值能量为的激光束。
fs 17mJ 414TW 26.0现在已步入二十一世纪，在产生和控制超短激光脉冲参数方面取得了巨大的进步，目前飞秒激光振荡器的输出脉宽最新达到3.4飞秒[22]；采用相位相干合成技术，可以产生阿秒脉冲；缩短腔长，最高重复频率可达到160GHz [23]；采用啁啾脉冲放大技术，最高输出脉冲峰值功率达到100TW [23]。
使得飞秒激光在许多方面有特殊的用途，成为当今激光技术领域研究与应用的热点。
三、超短脉冲激光器的发展方向
随着科学领域的发展，超短脉冲激光器的发展方向大致分为几个主要方向：
1、脉冲相位相干控制。
进一步把脉冲宽度压缩到阿秒量级（），同时稳定脉冲的重复频率和初始频率，得到稳定的飞秒光学频率梳，用于光频标仪器中。
s 1810−2、 压缩脉宽的同时，还要努力提高脉冲的能量。
3、 产生不同波长的激光器，并且使激光波长连续可调。
4、得到超高重复频率脉冲，以适应光时钟、光通讯的需求。
四、超短脉冲激光器的分类
超短脉冲激光器按照激光介质的不同大致可分为四类：
第一类是以有机染料为介质的飞秒激光器。
依据不同染料可以输出不同波长的飞秒脉冲，它覆盖了从紫外到红外波段，但最有效集中于红光（620nm ）附近。
主要技术手段是被动锁膜，主要技术途径是两个相反方向传播的光脉冲在可饱和吸收染料中的碰撞锁模技术（CMP ）。
第二类是以掺钛蓝宝（Ti:A12O 3）、掺镁橄榄石等固体材料为介质的飞秒固体激光器。
飞秒固体激光器实现了极其稳定的自锁模（SML ）运动，波长范围是近红外：700nm ～1.10μm 和1.2μm ～2μm ，其二次谐波可以覆盖紫外。
第三类是以多量子阱（MQW ）材料为介质的半导体激光器。
多量子阱材料具有高增益、宽谱带、强的非线性增益饱和以及非常快的恢复时间等优点。
这种激光器的主要特点是体积小、对泵浦光的要求低、输出波长可以人为的设计，而不象晶体受能级的限制，因此是一种新型的激光器类型。
第四类是以掺杂稀土元素（Er ）的SiO 2为增益介质的飞秒光纤激光器。
其主要特点是结构紧凑、小巧、高效率、低损耗，尤其输出波长适宜于光通讯波段，且可以和传输光纤直接连接，实现全光光学系统。
五、超短技术的应用
飞秒激光在许多领域有重要的应用，如飞秒等离子体物理、飞秒电子学、飞秒全息光谱学、飞
秒X射线学等。
例如飞秒脉冲的可用于时间分辨光谱学；用飞秒脉冲可观测物理、化学和生物等超
快过程；飞秒脉冲可用作共焦显微镜的光源来做生物样品的三维图像；利用飞秒脉冲在半导体激发声子的反射可以用来测量半导体薄膜的厚度，以检测半导体薄膜的生长；用飞秒脉冲来做微型加工时，打出的孔光滑没有毛刺；用飞秒脉冲作为光时钟的光源。
许多交叉学科也应运而生，如飞秒激光技术在化学反应方面的应用，并由此在物理化学方面诞生了一门新学科—飞秒化学。
参考文献
1.赵玲慧、魏志义、张杰,“高峰值功率固体飞秒激光振荡器技术的进展”, 中国科学院物理研究所光
物理实验室 北京 100080
2. D E Spence, P N Kean, W Sibbett, “60fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire
laser[J]”. Opt, Lett, 1991, (16): 42-45.
3. U Morger, F X Karner, S H Cho, et al. “Sub-two-cycle pulses from a kerr-lens mode-locked
Ti:sapphire laser[J]”. Opt Lett, 1999(24): 411-415
4. A V Sokov, “Sub-femotosecond compression of periodic laser pulse [J]”. opt , Lett, 1999,
(24):1248-1251。