激光器锁模技术
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！。
激光锁模条件
激光锁模条件激光锁模条件是指在激光器中，使得激光器输出的光束能够在空间上保持良好的模式结构。
激光锁模条件的实现对于激光器的性能至关重要，可以提高激光器的功率稳定性、光束质量和频率稳定性。
激光锁模条件的核心是控制激光谐振腔中的模式竞争。
激光谐振腔是激光器中用于增强光的谐振腔，通常由两个反射镜构成。
当激光器工作时，谐振腔中会存在多种模式，这些模式在谐振腔内来回传播并相互干涉，最终形成激光器输出的光束。
当激光器的增益介质处于饱和状态时，会产生光强的非线性效应。
这种非线性效应会导致谐振腔中的模式竞争，即不同的模式之间会相互影响，最终只有一个或少数几个模式能够占据优势地位。
而其他模式则会受到压制，无法得到增益，从而形成激光锁模条件。
为了实现激光锁模条件，可以采取多种方法。
一种常用的方法是在激光器谐振腔中引入光学元件，例如模式选择器、光纤或光栅。
这些光学元件可以通过选择性地增强或抑制特定的模式，从而实现激光锁模条件。
另一种方法是通过调整激光器的工作参数，例如激光器的泵浦功率、谐振腔的长度或曲率等，来控制模式竞争，从而实现激光锁模条件。
激光锁模条件的实现对于激光器的性能有着重要的影响。
首先，激光锁模条件可以提高激光器的功率稳定性。
当激光器满足锁模条件时，输出的光束的功率会比较稳定，不会因为模式竞争的影响而波动。
其次，激光锁模条件可以提高光束的质量。
锁模条件下的激光器输出光束的模式结构比较好，光束的光斑通常比较圆形，光束质量较高。
最后，激光锁模条件还可以提高激光器的频率稳定性。
锁模条件下的激光器输出的光束频率比较稳定，并且与激光谐振腔的长度和光学元件的特性有关。
激光锁模条件是激光器中实现模式竞争控制的重要条件。
通过控制激光谐振腔中的模式竞争，可以实现激光器输出光束的稳定性、光束质量和频率稳定性的提高。
激光锁模条件的实现对于激光器的应用具有重要意义，可以广泛应用于激光雷达、光通信、激光加工等领域。
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
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
第六讲激光的调Q与锁模
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
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
15
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。
16
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
5
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”。
6
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
1
6．1 锁模技术
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)
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。
光纤激光器锁模原理介绍
光纤激光器锁模原理介绍Lasers are devices that produce intense beams of monochromatic light through the process of stimulated emission of radiation. Fiber lasers, in particular, are a type of solid-state laser that uses an optical fiber as the gain medium. Their ability to produce high-quality beams of light with high efficiency makes them highly desirable for a variety of applications, including cutting, welding, drilling, and marking in the industrial sector.激光是通过受激辐射过程产生强烈的单色光束的设备。
光纤激光器是一种将光纤作为增益介质的固体激光器。
它们能够高效地产生高质量的光束，因此在工业领域的切割、焊接、钻孔和标记等应用中备受青睐。
One fundamental principle behind the operation of fiber lasers lies in the process of mode locking. Mode locking refers to the synchronization of the phases of the modes of the laser’s electromagnetic field. By doing so, the laser produces pulses of light with a very narrow linewidth and high peak power, which is advantageous for many applications.光纤激光器运作背后的一个基本原理是锁模过程。
4.7激光锁模技术
钕玻璃
7.5×1012
1.33×10-13
4×10-13
若丹明 6G
5×1012~3×1013
GaAlAs (0.85m)
1013
InGaAsP (1.55m)
1012~1013
2×10-13～3×10-14 10-13
10-12～10-13
3×10-14 0.5～30×10-12 4～50×10-12
]
ei0t
2
输出光强
I (t)
E02
sin2 (2N sin2
1)
t 2
t 2
振幅随时 间而变化
光强随时 间而变化
E(t)
N
E0 (
N
eiqt )ei0t
E0
s
in[1 (2N 1)t 2 sin 1 (t)
]
e
i0t
A(t )ei0t
2
下图为(2N+1)=7时I(t)随时间变化的示意图。
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:
Eq
(t)
E ei(qtq q
)
那么激光器输出的光波电场 是N个纵模电场的和，即
E (t)
E ei(qtq ) q
q
Eq
(t)
E ei(qtq q
)
E (t)
E ei(qtq ) q
q
Eq、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Eq、
设光信号在t1时刻通过调制器,并且δ(t1)=0,则在(t1+T0)时刻此信号将再次无 损地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而言,若δ(t2)≠0,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。
激光器主动锁模相位调制_概述说明以及解释
激光器主动锁模相位调制概述说明以及解释1. 引言1.1 概述激光器是一种非常重要的光学设备，其具有高度的相干性和单色性。
激光器主动锁模相位调制是一种对输出激光进行调控的技术，通过改变激光的相位来实现对其空间和时间特性的调节。
这一技术在现代光通信、激光雷达、激光医疗等领域中得到了广泛应用。
1.2 文章结构本文将首先介绍激光器原理，包括其基本结构和工作原理。
接着将详细阐述主动锁模相位调制的原理，包括其工作机制和相关理论。
然后将探讨该技术在各个应用领域中的优势和特点。
最后，我们将介绍与该技术相关的实验设备与材料，并详细描述实验步骤与参数设置。
最后，在结果分析与讨论部分，我们会展示实验结果并进行深入讨论。
1.3 目的本文旨在全面介绍激光器主动锁模相位调制这一重要技术，并深入探讨其工作原理和应用领域。
通过对实验设备与材料的描述以及实验步骤与参数设置的讨论，我们将为读者提供一个全面理解该技术并能够在实际应用中运用的基础。
同时，我们也将展望该技术未来的研究方向和发展趋势，希望能够激发更多人对于这一领域的兴趣和研究热情。
2. 正文:2.1 激光器原理简介:激光器是一种能够产生高度聚焦和定向的准单色光束的装置。
其工作原理基于电子在外部能级间跃迁时放出能量，从而激发介质中的原子或分子进入激发态。
当这些激发态粒子回到基态时，会发出特定频率和相位的光子。
因为这些光子具有高度的相干性和定向性，所以形成了一束激光。
2.2 主动锁模相位调制原理:主动锁模相位调制是一种控制激光束特性的技术，在传统的激光器基础上引入了相位调制装置。
通过改变该装置对激光腔中光场的干涉条件，可以实现对输出激光波前形状和振荡模式进行精确控制。
主要实现方法是通过在激光腔内加入一个可调谐相位调制元件，如电偶极体或压电晶体等。
该元件可以根据控制信号改变其局域折射率并改变输出波前形状。
当施加不同的电压信号时，相位调制元件会引入不同程度的相位扰动。
利用这种方式，可以实现激光器输出波前在时间和空间上的精确调节。
激光原理与技术之激光锁模技术
激光锁模技术
1
§3.1概论
调Q技术的局限性
采用PTM方式，Δt=2L/c，L为光学腔长。
c 3 108 L(ns) t 109 0.15m 2 2 c 3 108 L( ps) t 1012 0.15mm 2 2 c 3 108 L( fs ) t 1015 0.15 m 2 2
只与激光介质本身的性质有关，增益线宽越宽，脉冲宽度越窄， g 1是傅里叶变换的极限，也符合测不准关系。 1 1 PTM (2 N 1) q 2 N 1
4 峰值功率Pm
2 Pm Amax (t ) (2 N 1) 2 E 02 (2 N 1) P
2 周期性 T 等于腔内只有一个脉冲， 1 2L 2 q c 往返一次输出一个脉冲。 2N 1 2 1 1 (q )] 0 2 (2 N 1)q (2 N 1) q g
3 脉冲宽度：Amax A( ) 0 sin[
A(t ) E0
sin[
2N 1 (q t )] 2 为调制包络，0是载波 1 sin[ (q t )] 2
§3.1概论
锁模原理（二）
锁模激光器的特性
1 峰值（最大值） Amax lim A(t ) lim A(t ) (2 N 1) E0
t 0 t 2
§3.2声光驻波场振幅调制主动锁模
频域分析
5 相干叠加 1个锁模脉冲由所有同相位、相干叠加的纵模一起贡献
§3.2声光驻波场振幅调制主动锁模
设AO的驱动频率为f s，声波驻波场 Ts "出现-消失"的频率为2 f s，周期为 2 1 要求：f s f m q 2 T 1 1 c f s f m q 2 2 4L
激光器锁模的工作原理
激光器锁模的工作原理
激光器锁模是指在激光器中通过一定的控制方法，使其输出激光波长单一、线宽窄、光能稳定的特殊工作状态。
因此，激光器锁模是一种对于一般激光器性能更高的技术。
激光器的发射是通过激发激光材料中的电子使之跃迁而形成，其发射波长相对单一，但线宽相对较宽，正常情况下，一个激光器的输出往往具有多个模式，这些模式的波长并不相同，同时线宽也存在差异。
如果将这些模式输出，将会影响到激光器的使用效果与信号传输质量。
因此，锁模技术可以使激光器的性能得到提升。
激光器锁模的实现需要通过某种方法使激光器只输出一个特定波长的光，也就是只输出一个模式，即所谓“锁定模式”。
一般来说，这种锁模是基于共振腔模式的锁模技术实现的。
共振腔模式锁模通过在激光器的两端加上反射器形成一个共振腔，将激光器中的多个谐振模式限制在共振腔内并强迫它们保持同一相位，在一定条件下可以使一个谐振模式成为优先输出的模式，从而实现锁模。
同时，激光器工作的稳定性也是锁模技术的关键问题之一，因为在工作过程中激光波长的波动会导致模式的切换，甚至出现模式竞争。
要稳定输出模式，需要通过对激光器中的温度、抽运泵浦功率、电流等参数的精确控制实现。
锁模光纤激光器讲义
Байду номын сангаас
主动锁模光纤激光器
主动锁模光纤激光器的典型结构示意图
谐波锁模
主动锁模光纤激光器
输出脉冲的波形
输出脉冲的光谱
被动锁模技术（染料锁模）
利用非线性元件对光强的依赖性，来产生光脉冲的锁模方式。
E(t)的振幅极大值A(t)max=(2n+1)E0，这说明在振幅出现极值的时
刻各振荡纵模的振幅同时到达极大值。（峰值功率）Pm=N2P0 锁模后所得脉冲的宽度为Δt=[(2n+1) q]-1=1/，式中：q为
器件的纵模间隔； 为器件的振荡线宽。所以激光的带宽越宽，
则所获得的脉冲宽度越窄。（脉冲宽度）
若共有（2n+1）个纵模，则激光的电场强度可表示为:
总的光强为:
由于各纵模之间相位彼此相互独立并呈无规则变化，所以各纵 模之间相干项在时间平均下为零，平均输出光强是纵模之和，不会 出现相干加强或相干减弱时域脉冲波输出，而是呈现出存在幅度和 相位噪声的连续光输出。
锁模激光器输出特性
若使 ，即使相邻纵模间的位相差均保持为某一常 数a（通常称此为相位锁定或锁模），则第q个纵模可以表示为：
激光 输出镜 激光介质 染料盒 全反镜
1、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸多光脉冲进行线 性放大。 2、非线性吸收：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉冲被吸收。 3、非线性放大：工作物质对留下的强脉冲进行非线性放大，使脉 宽被压缩。
被动锁模技术（染料锁模）
P t 线性 放大 P 非线性 吸收 t P t
锁 模 方 式
主动锁模 通过外界信号周期性调制激光器谐振腔参量
4-7激光器的基本技术-激光锁模技术
§
4 7 激 光 锁 模 技 术源自.上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
4.7.2 主动锁模
第 四 如果在谐振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 νm 变化，即 激 光 E (t ) E0 cos(2ν0t sin 2νmt ) 的 基 本 E (t ) E0 [ J 0 ( ) cos 2ν0t J1 ( ) cos 2 (ν0 νm )t J1 ( ) cos 2 (ν0 νm )t 技 J 2 ( ) cos 2 (ν0 2νm )t J 2 ( ) cos 2 (ν0 2νm )t J 3 ( ) cos 2 (ν0 3νm )t 术 J 3 ( ) cos 2 (ν0 3νm )t J 4 ( ) cos 2 (ν0 4νm )t J 4 ( ) cos 2 (ν0 4νm )t ]
§
4 7 激 光 锁 模 技 术 .
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q
§
.
I Iq
q
上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
4.7.1 锁模原理
第 四 章 激 光 的 基 本 技 术
2. 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。
3.设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模 式的圆频率之差 c L ，则 q 0 q
即在激光器中，一旦形成 ν0 的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图 （4－32） 。
§
4 7 激 光 锁 模 技 术 .
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)
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。
激光锁模技术原理
激光锁模技术原理咱先来说说激光是啥。
激光呀，就像是一群超级听话的小光精灵，它们都朝着同一个方向，有着相同的频率，能量可集中了。
普通的光就像一群调皮捣蛋的小毛孩，到处乱跑，方向乱七八糟的。
但是激光就不一样啦，它特别有纪律性。
那激光锁模又是怎么回事呢？想象一下，激光就像一个合唱团。
在没有锁模的时候呢，合唱团里的每个成员都按照自己的节奏唱歌，虽然都是在唱同一首歌，但是听起来就有点乱糟糟的。
锁模就像是给这个合唱团请了一个超级厉害的指挥。
这个指挥一出现，所有的歌手就开始按照统一的节拍唱歌啦。
从技术的角度来讲呢，激光是由很多不同频率的光波组成的。
在没有锁模的时候，这些光波之间的相位关系是乱七八糟的，就像一群各自为政的小团体。
但是当我们采用锁模技术的时候，就像是给它们制定了一个统一的规则。
我们通过一些特殊的方法，让这些不同频率的光波的相位都变得整齐有序。
比如说，有一种主动锁模的方法。
这就像是在激光的产生过程中，有一个小闹钟一样的东西。
这个小闹钟按照固定的时间间隔，去调整激光光波的状态。
就像小闹钟每隔一段时间就敲一下，告诉那些光波：“该整齐一点啦！”然后那些光波就听话地调整自己的相位，变得整整齐齐的。
还有一种被动锁模的方法呢。
这有点像在激光的传播路径上设置了一些小关卡。
那些不符合整齐规则的光波，在经过这些小关卡的时候就会被削弱，而那些符合规则的光波就能够顺利通过。
慢慢地，剩下的就都是那些听话的、相位整齐的光波啦。
当激光实现锁模之后，那可就不得了啦。
它的能量变得超级集中，就像所有的小光精灵都手拉手，齐心协力地发挥力量。
这时候的激光在很多领域都能大显身手呢。
在医疗领域，它就像一把超级精准的小手术刀，可以精确地切割病变组织，对周围健康的组织伤害特别小。
在通信领域，它就像一个超级快递员，能够快速地传输大量的数据信息。
激光锁模技术就像是给激光这个神奇的工具注入了更强大的魔力。
它把那些原本有点散漫的光波变得团结起来，让激光能够发挥出更惊人的效果。
第10章锁模技术
证 相位 t0 相移 t0
频移
d()
dt
⑥频移为零时，光信号可输出形成光脉冲，频 移不为零时，光信号经频移积累，移出增益曲 线而熄灭
⑦存在两组无关的脉冲系列，对应于相移波形的 极大值与极小值，随机输出其中任意一组
(4)调制曲线
U(t),n(t),(t)
(t)
eia 2[-ei n aei (1 n )]a
E0 1eia
E0 eia 2(1 eia)
E 0e -ie ( 1 2 ) ia 2 n a e e iia 2 ( 1 2 n )a E 0ss in n ia 21 2 n a E 0s siN ia 2 2n n a
0
2
a
P 0la i0N m s sia iN n n a P 0la i0N m 2 c co a o Ns sa N 2P 0
(N=4)
2、重复周期与重复频率
(1)重复周期 T 2L 光在腔内往返一周所用时间 c
(2)重复频率
f
c 2L
q
证 a1=t1+
a2=t2+
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
③调制器透过率 T (t)T 0 Tco ts
To:平均透过率，T：透过率变化的幅度 损耗最小时透过率最大，损耗最大时透过率最小
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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：
制，如果调制频率
f c 2 L'
可实现锁模
幅 度 调 制 锁 模 激 光 器 示 意 图 损耗调制器M为一电光调制器或声光调制器，加以适当的调制 c 电压，使腔的损耗发生角频率为 ' 的周期性变化
。
L
由于损耗呈周期性变化
调制器的透过率也呈周期性变化
调制器的透过率为
T (t) T0 T0 cos(m t)
移到增益曲线之外，从腔内消失，只有那些在
相位调制函数极值时通过调制器的光信号，其
基频不会发生移动，在腔内保存下来，不断放
大，形成周期为
2 L' c
的超短光脉冲序列
由图可见，对于调制信号 的两个极值，有两个完全 无关的超短脉冲序列。这 两列脉冲出现的概率相同。 激光器通常工作在一个系 列上，但器件的微小扰动 会使锁模激光器输出从一 个系列跃迁到另一个系列。
A0 E0T0
m
E0 T0 A0
m为调制系数
E(t) A0 cos(0 t 0 )
1 mA0 cos[(0 m ) t 0 ] 2 1 mA0 cos[(0 m ) t 0 ] 2
上式说明，一个频率为 0 的光波，经过 外加的调制信号调制后，同时激起了两 个相邻模式的振荡，其频谱包括了三个 0 , 0 m , 0 m 并且这三个频率 频率， 的光波的相位差相同，从而实现了锁模
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
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
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
d (t) d (t) (t) sin t dt dt
其振荡角频率就变为：(t) 0 sin t
上式表明，除了在相位调制器的那部分信号光不产生频移 外，其他时刻通过调制器的光信号均经受不同程度的频移
相位调制函数为： (t) cos t 其振荡角频率就变为：(t) 0 sin t 所以可以知道：脉冲每经过调制器一次就发生一次频移，最后
相邻脉冲峰值间的时间间隔为：
2 2 L' T0 c
可见锁模脉冲的周期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的看作有
一个脉冲在腔内往返运动，每当此脉冲进行到输出反射
镜时，便有一个锁模脉冲输出
脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为：
2 1 (2 N 1)
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
为了避免这种跃变，可将原有的调制信号及其 倍频信号同时施于电光调制晶体，造成相位调 制函数的不对称性，从而使一列脉冲优先运行
从频率特性分析相位调制锁模：
E(t) E0 cos(0 t 0 cos t)
令 0 0 当 1 时
E0 E0 E 0 (t) E0 cos(0 t) cos[(0 ) t] cos[(0 ) t] 2 2
T 为透过率变化的幅度 T0 为平均透过率 ，
假定调制前腔内的光场为
E(t) E0 cos(0 t 0 )
受调制后：腔内光场变为：
E(t) T(t) E0 cos(0 t 0 ) [T0 T0cos(m t)] E0 cos(0 t 0 )
2
如图在一个周期内， 强度曲线有2N个零点， 有(2N+1)个极值点
2 L' 在 t 0或者t 时极大，极大 c 值为
(2 N1) E0
2
2
如果各模式相位未锁定，则各模式是不相干的
输出功率为各模式功率之和，即：
I (2 N1) E
2 0
锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍 腔长越长，荧光线越宽，则腔内振荡的纵 模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大
在激光器中，一旦在增益 曲线的某个角频率0 形成 振荡
0
0
0
激起两个相邻 的模式振荡
0 2
0 2
这两个相邻模幅度调 制的结果又将产生新 的边频
如此下去，直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止
相位调制锁模
原理：相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器，
激光器锁模技术
锁模原理
实现锁模的方法
主动锁模
锁模，可得到更窄的脉冲
锁模激光脉冲宽度可达10-11~10-14s,相应的具
有很高的峰值功率
下面分析一下激光输出与相位锁定的关系
每个纵模输出的电场分量用下式表示：
Eq (z, t) Eq e
的振幅 E0
z i[q (t ) q ] v
为了运算方便，令激光器的所有振荡模式具有相同 设振荡的纵模数为（2N+1）个，处于增益曲线中心
的模为 q = 0,角频率为 0 ,初相位为 0 ，以中心模 作为参考各个模式的相位差为 ，模的频率间隔 为
q q 1
c
L
'
在Z=0处，第q个模式的电场强度为：