锁模激光器的工作原理及其特性
第十章 锁模技术
P q P 0 10 0.75 7.5w
③ Pm=N2P0=1000.75=75w
2 L 2 1 .5 8 T 10 s 8 c 3 10
T 10 8 10 9 s N 10
或
1 1 9 1 . 05 10 s 6 T 950 10
ln 2 ln 2
c 3 108 q 100MHz 2L 2 1.5
T 950 q [ ] 1 [ ] 1 10 q 100
② I Is ( 2 1) 50 (2 2 - 1) 150w/mm 2
0
1 P 0 1 STI 0 2 2 1 0.01 150 0.75 w
二、输出强度
I = I0
sin 2 ( Na 2 )
I0:一个纵模的输出强度 N:纵模个数 c 2 q L :相邻两纵模圆频率间隔 :相邻两纵模的相位差
sin 2 ( a 2) a t
对于非锁模脉冲
qc 纵模频率 vq 2 L
I t E t [ Eq cos(qt q )]2
合光场为
q n
E q (t)
n q n
q n
i[(ω 0 q )t ( 0 q )] i(ω 0 t 0 ) E e A (t) e 0 n
n
A(t) E 0
iq(t ) e E0
q n
iqa e
E 0 [e
N
纵模间隔
c v 2L
=0
对于锁模脉冲：设腔内共有N=2n+1个纵模, 第q=0模的圆频率、初相位为:0、0;第q模 为:q=0+q、q= 0 +q 第q模的光场为
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！。
激光原理4.7激光锁模技术(2014)
4.7 激光锁模技术目的:压缩脉冲宽度，高峰值功率。
Q开关激光器般脉宽达10s 10s量级，如果再压缩开关激光器一般脉宽达-8s~10-9量级如果再压缩脉宽，Q开关激光器已经无能为力，但有很多实际应用需要更窄的脉冲。
(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps）量级。
)例:1. 激光测距：为了提高测距的精度，则脉宽越窄越好.2激光高速摄影为了拍照高速运动的物体提高照片的2. 激光高速摄影：为了拍照高速运动的物体，提高照片的清晰度，也要压缩脉宽.3. 对一些超快过程的研究，激光核聚变，激光光谱，荧光3对一些超快过程的研究激光核聚变激光光谱荧光寿命的测定，非线性光学的研究等需窄的脉宽。
(掺钛蓝)。
宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列14.7.1 锁模原理多模激光器的输出特性一、多模激光器的输出特性自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的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那么激光器输出的光波电场个纵模电场的和即量可用下式表示:)(q q t i eE t E ϕω+=+=t i q q )(ϕω是N 个纵模电场的和，即(4-73)(4-74)2)(q q ∑qq eE t E )((473)(474))()(q q t i q q eE t E ϕω+=∑+=t i q q q eE t E )()(ϕωqE 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 、初位相均无确定关系，各个模式互不相干，因而q 、φq ，，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：3213112302, ,v v v v E E E E =====在未锁定时，初相彼此无关。
激光被动锁模技术的原理及应用
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。
固体锁模激光器
四、被动锁模原理
在激光谐振腔中插入可饱和吸收体（半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、硫化钨、黑磷）来调
节腔内的损耗．当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。根据锁模形成过程的机理和特 点，被动锁模分为固体激光器的被动锁模和染料激光器的被动锁模两种类型。
1. 工作原理
由于吸收体的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的高强度 激光能使吸收体吸收饱和。图示出了激光通过吸收体的透过率T随激光强度 I 的变化情况。 强信号的透过率较弱信号的为大，只有小部分为吸收体所吸收。强、弱信号大致以吸收体的 饱和光强 Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。
v3
v1
技术”。
3 E02 /2
0
time
未 锁相 前的 三个 光 波 的 叠加
二、实现锁模的方 法
三. 声光驻波场振幅调制主动锁模
1.时域分析
设在t1时刻通过调制器的光信 号受到的损耗为 t ，在经过 2L/c时间往返一周后，这部分 光信号受到的损耗为 t1 2 L / c ， 如果 t 的周期 Tm 2 L / c ，则这 部分信号每往返一次受到相同 的损耗。则有：
固体锁模激光器
锁模原理 实现锁模的方法 主动锁模 被动锁模
锁模：调Q技术得到的脉宽有所极限，为了得到更窄的脉冲在 光纤通讯、医学、激光精细微加工、高密度信息存储和记录及 非线性光学等领域的应用，从而诞生锁模技术。
激光器的分类方法有很多种,一般按照产生激光的工作物质不 同分类,或者按照工作方式分类。用激光二极管(LD)泵浦固体工 作物质的激光器(简称DPSSL)就是所谓的全固态激光器。
锁模光纤激光器的光谱
锁模光纤激光器的光谱锁模光纤激光器是一种高性能光纤激光器，其光谱具有独特的特点。
锁模光纤激光器通过被动锁模技术实现超短脉冲输出，具有很高的稳定性和可靠性。
其光谱特点主要表现在以下几个方面：1. 光谱宽度：锁模光纤激光器的光谱宽度相对较窄，这是由于被动锁模技术本身的特点决定的。
被动锁模光纤激光器通常采用线性光纤光栅或非线性光纤光栅作为光谱调节元件，通过调节光纤内的增益和损耗来实现光谱的窄化。
2. 光谱形状：锁模光纤激光器的光谱形状通常为高斯型或近高斯型分布。
这种光谱形状有利于实现较高的光束质量和输出功率。
同时，高斯型光谱具有良好的谱线对称性，有利于实现稳定的锁模输出。
3. 输出功率和波长调节：锁模光纤激光器的输出功率和波长可以通过调节泵浦源的功率、光纤激光器的结构以及光谱调节元件来实现优化。
在实际应用中，锁模光纤激光器通常需要具备较高的输出功率，以满足各种应用场景的需求。
4. 光谱稳定性：锁模光纤激光器具有较高的光谱稳定性，这是由于其被动锁模技术的特性所决定的。
在被动锁模光纤激光器中，锁模稳定性主要取决于光纤激光器内部的噪声源和光谱调节元件的稳定性。
通过选用高品质的光谱调节元件和优化光纤激光器结构，可以进一步提高光谱稳定性。
5. 光谱可调性：部分锁模光纤激光器具有光谱可调性，这意味着可以通过调节光谱调节元件或泵浦源来实现光谱的连续调整。
这种可调性有利于满足不同应用场景对光谱的需求。
综上所述，锁模光纤激光器的光谱具有窄宽度、高光束质量、良好的光谱形状、较高的输出功率和光谱稳定性等特点。
通过优化光纤激光器结构和光谱调节元件，可以进一步提高锁模光纤激光器的光谱性能。
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
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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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。
设腔内有N N N N q ),1(,,0,),1(,----= 等)12(+N 个模式振荡。
如果相邻模式的初相位之差保持一定（称为相位锁定），即βϕϕ=1--q qβϕϕq q +=0 在忽略频率牵引和频率推斥时，相邻模式角频率之差为L c '=Ωπ,Ω+=q q 0ωω。
在0=z 处，第q 个模式的电场强度为]q )t [(00)(βϕω++Ω+=q i q q e E t E)12(+N 个模式合成之电场强度∑=++Ω+=N N q q i q e E t E -]q )t [(00)(βϕω设各模式的振幅相等，0E E q =，则：∑∑-=+=+Ω++Ω==NN q t i N N q q i q t i t q e E e E e t E )(cos )()(0-]q t ()(0000βϕωβϕω （2.4） 利用三角级数求和公式，可得)(00)()(ϕω+=t i e t A t E （2.5）)(21sin ))(12(21sin )(0ββ+Ω+Ω+=t t N E t A （2.6） 式（2.6）表明)12(+N 个模式的合成电场的频率为0ω，振幅)(t A 随时间而变化。
输出光强)(21sin ))(12(21sin )()(22202ββ+Ω+Ω+=∝t t N E t A t I （2.7） 如图为7)12(=+N 时)(t I 随时间变化的示意图。
当πβm t 2)=+Ω（时),2,1,0( =m ，光强最大。
最大光强（脉冲峰值光强）为202222)(20)12()(21sin ))(12(21sin lim E N t t N E I m t m +=+Ω+Ω+∝→+Ωββπβ （2.8） 如果各模式相位未被锁定，则各模式是不相干的，输出功率为各模式功率之和，即20)12(E N I +∝。
由此可见，锁模后脉冲峰值功率比未锁定时提高了)12(+N 倍。
腔长越长，荧光线宽越大，则腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。
相邻脉冲峰值间的时间间隔为0T ，由式（2.7）可求出cL T '=Ω=220π （2.9） 可见锁模脉冲的周期0T 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地看作有一个脉冲在腔内往返运动，每当此脉冲行进到输出反射镜时，便有一个锁模脉冲输出。
由式（2.7）可以看出，脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为υπτ∆=Ω+=1122）（N （2.10） 脉冲的半功率点的时间间隔近似地等于τ，因而可以认为脉冲宽度等于τ。
式（2.10）中υ∆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。
气体激光器谱线宽度较小，其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。
固体激光器谱线宽度较大，在适当的条件下可得到脉冲宽度为s 10-12量级的皮秒脉冲。
特别是铷玻璃激光器的振荡谱宽达（25~35nm ，其锁模脉冲宽度可达s 10-13。
下图列出几种典型锁模激光器的脉冲宽度。
综上所述，由于各纵模的相位锁定，锁模激光器可以输出一周期c L T '=20的光脉冲序列。
峰值功率较未锁定时大)12(+N 倍，一般峰值功率达到几吉瓦是不困难的。
光脉冲的宽度υτ∆=1远远小于调Q 脉冲所能达到的宽度。
三、实现锁模的方法为了得到锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初相位保持确定关系，并使相邻模频率间隔相等。
目前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类。
3.1 主动锁模主动锁模又可以分为振幅（损耗）调制锁模和相位调制锁模。
3.1.1 损耗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制，如果调制频率f=c/2L ，可实现锁模。
由于损耗调制的频率正好是c/2L ，损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需的时间T （T=2L/c ）。
因而调制器的损耗是一周期为T 的函数。
设时间在t1时刻通过调制器，并且，则在（t1+T ）时刻此信号将再次无损耗地通过调制器。
对于t2时刻通过调制器的光信号而言，若，则每次经过调制器时都要损失一部分能量。
这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信号能形成振荡，而光信号的其余部分因损耗大而被抑制，因此形成周期为2L/c 的窄脉冲输出。
在非均匀加宽激光器中，如果腔长足够长，一般总是多纵模工作的，但各个纵模间没有确定的相位关系，锁模的作用只是使各纵模具有确定的相位关系。
而在均匀加宽激光器中，如果不存在空间烧孔效应，通常只有一个纵模振荡，但实验说明，这类激光器也同样可产生超短脉冲。
这种现象的原因是，在施加各种锁模手段后，w0模将产生一系列的边频，高增益模的能量不断传递给低增益模，因而可产生多个模式。
振幅调制一方面促使多个模式振荡，同时使其相位锁定，从而产生超短脉冲。
3.1.2 相位调制锁模相位调制又称频率调制。
在激光器谐振腔内插入一电光晶体，利用晶体折射率随外加电压的变化，产生相位调制。
除了在相位调制函数极限时通过调制器的那部分光信号不产生频移外，其他时刻通过调制器的光信号均经受不同程度的频移。
如果调制相位的周期与光在腔内进行的周期一致，则经受频移的光信号每经过调制器一次都要再次经受频移，最后因移出增益曲线以外而猝灭。
只有那些在相位调制函数极值时通过调制器的光信号才能形成振荡，因而产生超短光脉冲序列。
相位调制的光波和幅度调制光波类似，也存在一系列边带，相位调制时诸纵模锁定的物理机制与幅度调制时相似。
3.2 被动锁模在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体（如染料盒）可构成被动锁模激光器。
饱和吸收体的透过率与光强有关。
在自发辐射基础上发展起来的光信号不可避免地存在强度起伏。
经过饱和吸收体后，弱信号遭受较大的损耗，而强的尖峰信号却衰减很小。
如果吸收体的吸收高能级寿命t<<2L/c,则在强尖峰光脉冲通过后，透过率很快下降，后续通过的弱光仍经受很大的损耗。
并且由于激光工作物质的纵向弛豫时间T1》2L/c，强尖峰光脉冲和弱光信号经受着相同的增益和相差悬殊的损耗，其结果是强光脉冲形成稳定振荡，而弱光信号衰减殆尽。
同时，在强尖峰光脉冲多次经过饱和吸收体时，其前后沿又因经受较大损耗而不断削弱，形成了周期T=2L/c的超短光脉冲序列。
四、锁模激光器产生高功率超短脉冲的应用科学家们对皮秒脉冲及数吉瓦高峰功率短脉冲那么感兴趣，其原因是这种高峰值功率的短光脉冲在工业、教育及军事等应用的潜力极大。
这种短脉冲要是能在高速摄影的应用中的潜力全部发挥出来，其结果将是不可估量的。
用超短脉冲进行远距离测距时，其精度可达到几分之一毫米。
高能量短脉冲可用于受控热核聚变，光雷达，光信息处理，高分辨率光谱、材料非线性光学性质、量子系统的瞬态响应以及超短声冲击渡的研究等。
与光脉冲同步的上升时间为皮秒的电脉冲有众多应用，例如，超快主动脉冲整形，无抖动条纹照相机应用，激光驱动的核聚变系统中的主动前置脉冲压缩以及大功率微波脉冲的形成等。
与集成光学兼容的单频速率光脉冲将在下一代光纤通信系统致超高速信息处理中会得广泛应用。
在光通信中使用单频窄带宽光脉冲，可以消除色散和加大重复率等，在分时多路光通讯系统中使用由外调制半导体激光器产生的吉位速度皮秒光脉冲的开关。
在确定宽带传输系统中的内反射的程度及位置和在研究传播延迟及宽带系统的瞬时响应等方面短电脉冲十分有用。
锁模激光器的发展以及制作高速材料的新方法的不断出现有可能使光导体的响应达到皮秒范围。
可用窄光脉冲作为精确的时钟做无抖动地控制电信号的产生和测量。
对高速电子仪器来说无抖动这一点具有重大的优越性。
这可在不失速情况下增大信号的平均量，延长动态范围并可测量小到每平方赫积成带宽为几微伏的信号。
也可产生大到几千伏的信号。
参考文献[1] 周炳琨，高以智.激光原理[M].第五版．北京：国防工业出版社，2008：234-239．[2] 孙忠琪.锁模激光器[J].激光集锦,1993，3（2）：12-18．。