激光被动锁模技术的原理及应用
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。
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摘要: 锁模是激光技术中一个十分关键组成部分。
调Q技术, 受原理上限制, 其激光器输出激光脉冲宽度在1~30115之间。
伴随科学技术发展, 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很多领域要求取得脉冲宽度更窄、峰值功率更高激光脉冲。
这推进了超短光脉冲技术研究, 发展了激光锁模技术。
关键词: 锁模技术, 激光脉冲--s光脉引言: 世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并取得了91010~10冲列。
以后, 激光锁模理论和方法不停推陈出新, 相继出现了红宝石、Y AG、钦玻璃及有机染料等锁模激光器, 取得了ps(1210-)量级窄脉冲。
八十年代初, Fork等人又发展了碰撞锁模理论, 使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级, 这是至今在试验室利用其它手段尚不能实现最短时标。
这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新工具, 并将开阔这些领域新前景。
.1.激光锁模技术原理自由运转激光器输出通常包含若干个超出阈值纵模, 如图所表示。
这些模振幅及相位都不固定, 激光输出随时间改变是它们无规则叠加结果, 是一个时间平均统计值。
假设在激光工作物质净增益线宽内包含有N个纵模, 每个纵模输出电场分量可用下式表示:)()(q q t i q q eE t E ϕω+=那么激光器输出光波电场是N 个纵模电场和, 即)()(q q t i q q e E t E ϕω+= E q 、 ωq 、 φq 为第q 个模式振幅、 角频率及初位相。
各个模式振幅E q 、 初位φq 均无确定关系,各个模式互不相干,所以激光输出是它们无规叠加结果,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, 沿相同方向传输, 而且有以下关系: , 在未锁定时, 初相相互无关。
因为“破坏性”干涉叠加, 形成光波没有一个地方有突出加强, 输出光强只在平均光强级基础上有一个小起伏扰动。
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。
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
锁模
主动锁模与被动锁模的比较
2.相同点 调制器和燃料盒都紧靠全反镜。 主动锁模和被动锁模都具有标准具效应。 经过调制器和燃料盒后各纵模之间相
1、不同点 主动锁模使用调制器对光波的振幅和相位 进行调制；被动锁模是自身辐射和燃料盒 进行周期性调制。 主动锁模运用电光和声光效应进行锁模； 被动锁模运用燃料的可饱和吸收效应进行 锁模。 主动锁模和被动锁模的物理过程不同。 被动锁模比主动锁模更容易失谐。
被动锁模
非线性吸收阶段 特点： 强脉冲使染料饱和，弱脉冲不能使染料 饱和－实现非线性吸收。
结果：实现相位固定
被动锁模
非线性放大阶段（主要压缩脉宽阶段） 特点： 染料饱和，增益饱和－非线性放大
结果： 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。
主动锁模与被动锁模
主动锁模 被动锁模
主要内容
主动锁模与被动锁模的比较
一、主动锁模
1、主动锁模是在自由运转的激光器中加入调 制器，调制光波的振幅和相位进行锁模。
主动锁模结构示意图
主动锁模
2、调制器的作用 调制光波，产生边频 3、根据调制方法可分为两类： 振幅调制 相位调制
二、被动锁模
1、在激光器中放一个装有机燃料的燃料盒， 依靠有机燃料的饱和吸收过程对光波进行 锁模。
被动锁模
2、物理过程： 线性放大阶段 非线性吸收阶段 非线性放大阶段
被动锁模
线性放大阶段
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> 时，产 生激光，在激光介质中线性放大-增益未饱和。
利用被动锁模技术实现超短脉冲激光输出实验
更 加深 刻地 理解 并掌握 锁 模概 念 有实 际 意义 ．实
验 结 果表 明 本 实 验 实 现 了 Ｌ 直 接 泵 浦 的 高 效 Ｄ
率 、 型化 全 固态超快 激 光运转 ， 小 这种 全 固态小 型
超快 脉 冲激 光 实 验 系统 不 仅 具有 超 短 脉 冲 宽度 、 结构 紧 凑 、 积小 、 易 发 生 光学 失调 等 优 点 ， 体 不 而 且避 免 了主动 锁模 的高 压 或 射频 电源 驱 动 ， 常 非 适合 培养 学生 的实验 操作 能力 ．
４ｍｍ×４ｍｍ×８ ｍｍ， 减 少 腔 内元 件 的损 耗 ， 为 Ｎｄ： ＹＶＯ 晶体 靠 近 泵 浦 光 的一 面 兼 作 输 入镜 ，
腔设 计 ， 以实 现 的现 象仅 限 于从调 Ｑ 到调 Ｑ 锁 可
模 的过程 ， 学生 无法 观察 从调 Ｑ锁 模 到 连续 锁 模 的整 个 变 化过 程 ， 响 了实 验 教 学 效果 ．本 实 验 影 系统从 理 论 研 究 人 手 ， 理 地 设 计 了 Ｚ型 谐 振 合
２ 实 验 原 理 及 装 置
激光 晶体 是 全 固态 激 光 器 中 重 要 的元 件 之
一
获得 被动 锁模 激 光 运转 是 一 种 有 效 的 技术 手 段 ．
，
在 很 大程度 上决 定 了激光 器 的输 出特 性 ， 了 为
由于半 导 体 可饱 和 吸 收镜 简 单 、 可靠 、 低成 本 、 使 用方 便 以及能 够得 到稳 定 的锁模 脉 冲 ， ２ 自 Ｏ世纪 ９ Ｏ年 代半 导 体 可饱 和 吸收 镜 Ｓ Ｓ Ｅ ＡＭ 一 经 出现 ， 便 很 快 被 应 用 于 全 固态 被 动 锁 模 激 光 器 中． 目 前， 适用 于各 种 波 长 固体 激 光 器 的 Ｓ Ｓ Ｅ ＡＭ 几乎 都 可 以实现 ， 且 Ｓ Ｓ 并 Ｅ ＡＭ 已经 在 各 种 固体 激 光 器 和光 纤激 光器 上 得 到 广 泛应 用 ， 来 实 现 被 动 用 调 Ｑ及 连续 锁模 ， 现超短 脉 冲输 出． 实
第六讲激光锁模技术
11 2N1 q
可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的
锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而上式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，
A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则有…）
(3)输出脉冲的峰值功率正比于 E02 (2N 1)2，因此，由于锁模，峰值
功率增大了2N+1倍。
本节将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几种典 型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术。
6.2 锁模的基本理论
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。本节介绍纵模锁定。
一、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：
Δω ，假定第q个振荡模为
E t E cos t E cos qt q
q
0
q
q
0
0
式中，q为腔内振荡纵模的序数。
激光输出频谱
ω-5
ω-1ω0ω1 ω
ω5
N=5, 2N+1=11
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：
N
N
E(t) Eq (t) E0 cos(0 q)t qa
出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。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。
E(t)
E0
1
0
2
-E0
3
I(t)
v3 9E02
v3=3v1,
v2
v1
v2=2v1， 初位相相同(0)
9E02
0
E(t)
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激光被动锁模技术的原理及应用
简介
激光锁模技术是一种通过调整光源和谐振腔的特性来实现锁定光波的模式的技术。
激光被动锁模技术是在被动元件的作用下实现激光锁模的一种技术。
本文将介绍激光被动锁模技术的原理及其在激光器、光通信和光谱分析等领域的应用。
激光被动锁模技术的原理
激光被动锁模技术的原理基于被动元件对激光光波的调制和过滤作用。
主要包
括以下几个方面：
1.调制：激光光源产生的光波经过被动元件的调制，改变其频率、相位
等特性。
常用的被动元件包括光纤、薄膜滤波器等。
2.过滤：被动元件对激光光波进行频率选择性过滤，将其锁定在特定的
模式上。
通过选择合适的滤波器参数，可以实现特定波长的锁模。
3.反馈：被动元件对锁定的光波提供反馈，使其保持稳定的模式。
这种
反馈机制可以通过调整被动元件的参数来实现。
激光被动锁模技术的应用
1. 激光器
激光被动锁模技术可以应用于激光器的波长选择和模式控制上。
•波长选择：利用被动元件的频率选择性过滤作用，可以实现激光器在特定波长范围内的选择性发射。
这对于光通信、光谱分析等领域具有重要意义。
•模式控制：被动元件可以锁定激光器的输出模式，使其保持稳定的单模态输出。
这在一些精密测量、光学仪器等领域中非常有用。
2. 光通信
激光被动锁模技术在光通信中的应用也非常广泛。
•波长分割多路复用：通过锁定激光器的特定波长模式，可以实现波分复用技术，将多个信号同时传输在同一光纤上，提高光纤的利用率。
•光路限制：激光器在特定波长模式下传输光信号，可以减少光子的传输丢失，提高光信号的传输距离和质量。
3. 光谱分析
激光被动锁模技术在光谱分析领域也有重要应用。
•高分辨率谱分析：被动元件可以锁定光源的单模态输出，使得光谱分析具有高分辨率和高稳定性，提高分析的准确性。
•光子计数：通过锁定光波的模式，可以实现对光子的精确计数，为光谱分析提供精确的数据。
总结
激光被动锁模技术通过被动元件的调制、过滤和反馈作用，实现对激光光波的锁定和稳定输出。
它在激光器、光通信和光谱分析等领域具有广泛的应用前景。