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

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4.7.1 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 e E t E ?ω+=+=t i q q )

(?ω是N 个纵模电场的和，即(4-73)(4-74)2)(q q ∑q

q e E t E )((473)(474)

)(

)(q q t i q q e E t E ?ω+=∑+=t i q q q e

E t E )

()(?ωq 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 、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：

321311230

2, ,v v v v E E E E =====在未锁定时，初相彼此无关。

1v 2v 3v 由于“破坏性”的干涉叠加，

形成的光波没有一个地方有突

出的加强，输出的光强只在平

均光强级基础上有一个小的起

伏扰动3伏扰动。

12300当时31v t =1v 3v 2v 1230

E E E E =++=1

由于“建设性”的干涉

叠加形成的光波就周叠加，形成的光波就周

期性地出现极大值。

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图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构,

(a) 非锁模,（b)理想锁模

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T

A (t )的变化规律：1. 当分子为0，分母不为0])12(21sin[=Ω+t N 1所以t=0 , , , 21N +22.

分母为0的点:

1.输出脉冲的峰值

注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之和,即

率比未锁模时提高了

振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。

2.周期(T)

t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉

冲。在两个相邻主脉冲之间，共有

2N个零点。所以锁模振荡也可以理

解为只有一个光脉冲在腔内来回传图4-30 锁模光强脉冲

(2N+1=9)

播。

33.脉冲的宽度(τ)

4.7.2 主动锁模

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,由于频率牵引和频率推斥效应,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,须采取措施强制并格等此短冲

各纵模初位相保持确定关系,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。

用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类

一、主动锁模

主动锁模又可分为振幅调制锁模和相位调制锁模。

图(4-31) 锁模调制示意图

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m m 频率间隔)

由于损耗调制的周期正好

图(431)锁模调制示意图是脉冲在腔内往返一次所需的

时间T 0，因而调制器的损耗δ(t )

图(4-31) 锁模调制示意图是一周期为T 0的函数

并且，这两个相邻模幅度调制

的结果又将产生新的边频，因

而激起角频率为(v 0±2v m )模式

的振荡，如此继续下去，直至，，

线宽范围内的纵模均被耦合而

产生振荡为止。(4-32) 生荡。图(3)中心频v 0±v m 率及两边频

2. 相位内调制锁模

?如果在谐振腔中插入一个电

光相位调制器，也可达到锁

模的目的。设光振幅不变，

相位以频率νm 变化，即

图(4-31) 锁模调制示意图i ((485)?+=)2sin 2cos()(00t νt νE t E m πβπ()[()cos 2E t E J νt βπ=调制度贝塞尔公式展开(4-85)

0001010 ()cos 2()()cos 2()m m J ννt J ννt

βπβπ++???20203030 ()cos 2(2)()cos 2(2) ()cos 2(3) ()cos 2(3)m m m m J ννt J ννt

J ννt J ννt

βπβπβπβπ+++++??40 ()cos 2(4J νβπ++40)()cos 2(4)]

m m νt J ννt βπ+?+ (4-86)

18相位调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。

4.7.3被动锁模

?被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的盒即可；

染料的“盒”即可；

?染料必须具备以下几个条件：

第一，染料的吸收线应和激光波长很接近；

第二，吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；

第二

第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，

激光器了

否则就成为被动调Q激光器了。

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超短超强激光所能提供极端物理条件自然界

超短超强激光所能提供极端物理条件，自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。

超短超强激光及其相关技术有望使细胞手术成为可能，不久的将来，医生也许只要在人的细胞核上打个小洞就能进行手术，对周围组织的影响降至上打个小洞就能进行手术对周围组织的影响降至为零，使手术创口更小、时间更短、风险更低。这种激光技术在材料的切割、粉碎等加工方面也会

种激光技术在材料的切割粉碎等加方面也会“指哪打哪”，损耗更微。

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