激光原理4.7激光锁模技术(2014)
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。
4.7 锁模原理 激光原理及应用 [电子教案]电子课件
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的
基
3.设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模
本 技
式的圆频率之差 Ωc L，则 q 0 q
N
术
E(t) Eqexi(p 0[qΩ )tq]
N
4. 如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则
§.
4
7 激 光
E(t)EqNeiqtei0t N
4 7 激 光 锁 模 技 术
§.
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4.7.2 主动锁模
第
2. 相位内调制锁模
四➢如果在谐ຫໍສະໝຸດ 腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的目的。设光振幅
章
不变，位相以频率 ν m 变化，即
激
E (t) E 0 c2 oν 0 ts (s2 iν n m t)
光
4.7.1 锁模原理
第
1. 非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成 Eq(t)Eqei(qtq)
四 章
则总的输出为 E(t)
Eei(qtq) q
，各纵模为非相干叠加。
q
激 2. 锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并
光 使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。
的
E (t) E 0 [J 0 ()c2 o ν 0 ts J 1 ()c2 o (ν 0 s ν m )t J 1 ()c2 o (ν 0 s ν m )t
基
J 2 ()c2 o (ν 0 s 2 ν m )t J 2 ()c2 o (ν 0 s 2 ν m )t J 3 ()c2 o (ν 0 s 3 ν m )t
激光原理4.6激光调Q技术(2014)
光子数达到最大值Φm 之后，由Δn ＜ Δnt ，则Φ 迅速减少，此时Δn = Δnf ， 为振荡终止后工作物质中
剩余的粒子数。可见，调
Δni= Δnt Δnf
Q脉冲的峰值是发生在反 转粒子数等于阈值反转粒
Δt
Φm
子数(Δni= Δnt)的时刻。
ΦD
Φi
高福斌
16 /28
3. 开关时间
从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的
偏振器的偏振方向，因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔
的损耗很大，处于低Q值状态,激光器不能振荡，激光上能级不
高断福积累斌粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。
22 /31
（2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开
在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的 振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变 至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当 于光开关处于打开状态）。
子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级
的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒
子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率
(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。
既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那
么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激
二、电光调Q技术特点
1. 有较高的动态损耗（99％）和插入损耗（15％）；
2. 开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到10-9秒 ；
3. 典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度约为 10~20 ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 ；
4. 适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损耗使 激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器。
激光器锁模技术
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
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
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
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 ]
[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
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：
锁模激光器的原理
锁模激光器的原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊锁模激光器的原理，这玩意儿可神奇啦！你看啊，锁模激光器就像是一个超级有节奏感的音乐家。
咱普通的激光器呢，就像一群人各自为政地乱唱，声音乱七八糟的。
但锁模激光器不一样，它能让这些光啊，变得超级有秩序，就跟乐队演奏一样整齐好听。
它是怎么做到的呢？其实就是通过一些巧妙的办法，让激光器里的光都按照同一个节奏跑。
这就好比一群人在跑步，本来是各跑各的，速度也不一样，但是突然有个指挥出来，让大家都迈同样的步子，那跑起来多整齐呀！这里面有个关键的东西叫“锁模元件”，它就像是那个指挥。
它让光脉冲一个接一个地紧密排列，形成一串超快的脉冲序列。
你说神奇不神奇？想象一下，这些光脉冲就像一列高速行驶的列车，快速而有序地前进。
而且它们的间隔非常非常短，短到让人惊叹！这能带来啥好处呢？那可多了去了！比如可以用来做超高速的通信，信息传递得那叫一个快呀，就跟火箭似的。
还有啊，锁模激光器在科学研究中也特别重要。
科学家们可以用它来研究超快的现象，就好像给时间按了快进键一样，能看到很多平时看不到的东西。
这多有意思呀！它在医学上也有大用处呢！可以用它来做精准的治疗，就像一个超级准确的手术刀，能把问题解决得干干净净。
你说锁模激光器是不是很厉害？它就像一个隐藏在科学世界里的魔法棒，能变出各种神奇的东西。
我们真应该好好感谢那些聪明的科学家们，是他们让我们能享受到这么厉害的技术。
所以呀，锁模激光器的原理虽然有点复杂，但它带来的好处却是实实在在的。
它让我们的生活变得更加精彩，让我们能看到更多的奇迹。
让我们一起为锁模激光器点赞吧！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
激光的调与锁模PPT课件
由以上分析可知：多模激光器模式所定 的结果出现了以下有意义的现象。 (1)激光器输出间隔为=2L/C的规则脉冲序列。 (2)每个脉冲的宽度 =1/(2N+1) )(1/) ，近 似等于振荡线宽的倒数。因为振荡线宽不会 超过激光器净增益线宽0 ，因此在极限情况 下 可，能得到mi窄n =的1/锁模0 ，脉可宽见。增益线宽越宽，越
27
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。
28
1、纵模锁定
3
下面内容将要讨论锁模激光器的原理、 特点、实现的方法及设计，并举例分析锁模 激光器的输出特性，讨论有关超短脉冲技术， 如：单一脉冲的选取和常用的超短脉冲脉宽 的测量方法。
4
一、多模激光器的输出特性
为了更好地理解锁模的原理，将先讨论未 经锁模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：
12
二、多模激光器模式锁定特性
为了便于了解锁模的基本理论，用图3.12简要表示光波相位锁定的情况。 而且假2设=2有1三、个3光=3波1，。频假率定分三别个为光波1、的振2、幅3， 都相等。如果三个光波的相位1、2、3之 间没有固定的关系，则三个光波叠加后的总 光强是时间的随机函数，总功率正比于3E02。 如果三个光波在某一时刻(t=0)有固定的相位 关系，例如有相同的相位，此时场强出现极 大值3E0。
激光的调与锁模
1
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。
激光锁模技术ppt课件
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。
➢脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔
sin[(2N 1) t ] 0但sin(t ) 0 t (m n )
2
2
2
2N 1
2 T 1
为锁模激光器的线宽
(2N 1) 2N 1
4.7.1 锁模原理
，
所以
(t1) (t1
2L) c
，以后这束光波每次通过调制器时损耗
相同。若损耗大于增益，这部分光波终将消失，而在损耗等于
零时通过的光每次都能无损耗的通过，会不断被放大，满足阈
值条件形成振荡，如果腔内损耗和增益控制得当，最终将形成
脉宽很窄，周期为T的脉冲序列输出。
损耗内调制锁模
➢从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心 频率 ν0 处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：
彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相
干叠加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即 I Iq
输出光强随时间无规则起伏。
q
4.7.1 锁模原理
核心思想：锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率 间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有 规则的等间隔的短脉冲序列。
实现锁模的方法
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，须采取措施强制各纵模初位相保持 确定关系，并使相邻模频率间隔相等。
• 主动锁模 • 被动锁模 • 自锁模
4.7.2 主动锁模
在自由运转的激光器谐振腔中加入受外界信号控制的调制器， 对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫 作主动锁模。 1. 振幅调制（损耗内调制锁模） ➢如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。 设调制周期为 Tm 2 Ω 2L c ，调制频率 νm c 2L (恰为纵 模频率间隔)
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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
1
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 ϕω+=+=t i q q )
(ϕω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 ϕω+=∑+=t i q q q e
E t E )
()(ϕωq
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。
1
v 2
v 3
v 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 3
v 2
v 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。
4
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
6
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
14
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
¾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
¾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；
¾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。
19
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。
20
超短超激光为众多学科的重大突破提供崭
超短超强激光为众多学科的重大突破提供了崭新的实验手段，科学家可以在全新状态下，研究各各种物质的行为、现象和规律。
判断超强超短激光系统的性能有两个重要技术指标：一是时间尺度，二是输出功率。
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/21。