固体锁模激光器

在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布基本上是均匀的，但还有一些起伏。由于染料具有可饱 和吸收的特性，弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号则透过率大，损耗小，且其损耗可
通过工作物质的放大得到补偿。所以光脉冲每经过染料和工作物质一次。其强弱信号的强度相对值
就改变一次，在腔内多次循环后，极大值 与极小值之差会越来越大。脉冲的前沿不
E(t) E0 0 -E0 I(t) Байду номын сангаасE0
2
v3=3v1,
1 2 3 v3 v2 v1
v2=2v1， 初 位 相 相 同 (0)
如果采用适当的措施使这些各自独
立的纵模在时间上同步，即把它们的 相位相互联系起来，使之有一确定的
9E0
2
关系(q+1 - q =常数)，那么就会出
现一种与上述情况有质的区别而有趣 的现象；激光器输出的将是脉宽极窄、
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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。
断被削陡，而尖峰部分能有效地通过，则
使脉冲变窄。
在被动锁模激光器中，由不规则的脉冲演变到锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段， 如下图所示。其过程的实质是最强的脉冲得到有选择的加强，背景脉冲逐渐地被抑制，三个
阶段可简述如下。
可饱和染料锁模物理过程
(1)线性放大阶段
起初自发辐射荧光产生，当超过激光阈值 时，初始的激光脉冲具有荧光带宽的光谱含量，
1
I 0 的信号受到的增益小于 I 0 的信号，I 0 的信号的 光强越来越强，最终腔内只留下 I 0 信号来回振荡， 形成极窄脉宽的锁模脉冲。
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声光驻波场振幅调制主动锁模
超声波的驱动频率为 f s ，超声 驻波形成的折射率光栅的变化 频率为 2 f s ，用频率为 f s 驱动 的超声驻波场可以对调制光电 场造成 2 f 的调制效果。腔内 在非超声场消失时刻形成的光 波都被声光调制器所衍射，其 损耗大于增益，不能形成振荡。 只有一个满足锁模条件的光脉 冲在腔内往返一周输出。
2.锁模脉冲的特征 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2πνi t+ i ) i=1, 2, 3，设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，且有关系式：ν3=3ν1， ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
E(t)
E0
v3=3v1,
v2=2v1，
叠加的结果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 当t=2/(3ν1 )时，E = 0；t = 1/ν1时，E = 3E0 …… 。
E3 = E0cos(2π) = E0 , 三波
这样就会出现一系列周期性的脉冲。 当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“相长性”的
干涉作用，就周期性地出现了极大值（ 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。
可饱和染料锁模物理过程
(3)非线性放大阶段
工作物质的放大进入非线性阶段。其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几乎被完
全抑制，最后输出一个高强度窄脉宽的脉冲序列。此阶段使脉冲压缩，频谱增宽。
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。
并且具有随机相位关系的激光纵模之间的干涉，
因而导致光强度的起伏，脉冲总量很大。在一 个周期2L/c时间内，光脉冲通过吸收体和激光介 质各一次，在吸收体中，对强脉冲吸收得少而 对弱脉冲吸收得多。在激光介质中，产生线性 放大，其结果就发生自然选模作用。
(2)非线性吸收阶段。
该阶段的主要特点是强脉冲使 吸收体吸收饱和，“漂白”了吸收 体，从而使脉冲强度得到很快的增 长，而大量的弱脉冲受到吸收体的 吸收而被抑制掉，使发射脉冲变窄 ，谱线增宽。
0 1/(3v1) 2/(3v1) 1/v1 t
峰值功率很高的光脉冲，这就是说， 该激光器各模的相位己按照q+1 - q =常数的关系被锁定，这种激光器叫做 锁模激光器，相应的技术称为“锁模
三个 光 波 的相 位 锁定
E(t)
E0
v3=3v1,
v2=2v1，
初 相 位 无 规律
-E0
I(t)
v2
q N

N
Eq ei[(0 q ) t 0 q ]
1. 各纵模初相位彼此无确定关系，完全独立、随机的。 2. 频谱。由于存在频率牵引和推斥作用，各相邻纵模之间频率 间隔并不严格相等。各纵模不相干。 3. 输出光强。输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随机 的无规则起伏。
1.锁模的概念 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。
未 锁相 前的 三个 光 波 的 叠加 未锁相前三个光波的叠加
E(t)
但若设法使
1 = 2 = 3 =0时，有 E1 = E0cos(2πν1 t) E2 = E0cos(4πν1 t) E3 = E0cos(6πν1 t) 当 t=0 时, E = 3E0, E2 = 9E02;
v3=3v1,
q q 1
c
L
'

其中，第q个模式的电场强度为：
Eq (t) E0e

i[(0 q)t 0 q ]
激光器输出的总光场是（2N+1）个纵模相干叠加的结果：
E (t)
三大特点：
1 sin (2 N 1)( t ) 2 E0 cos(0 t) 1 sin ( t ) 2
1 2 3 v3 v2 v1
2
v2=2v1， 初 位 相 相 同 (0)
E0 0 -E0 I(t) 9E0
9E0
2
0
1/(3v1)
2/(3v1)
1/v1
t
三个 光 波 的相 位 锁定
当t = 1/(3ν1)时, E1 = E0cos(2π/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4π/3) = -E0/2,

锁模激光脉冲宽度可达10-12~10-15s,相应的具有很高的峰值功 率。
一.锁模原理
每个纵模输出的电场分量用下式表示：
Eq (z, t) Eq e

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 的振幅 E0 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
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：
初 相 位 无规 律
-E0
I(t)
v2
v3
v1
若相位未锁定，则此三个不同频率的光波 的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图， 由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并 没有一个地方有很突出的加强。输出的光 强只在平均光强3 E02 /2级基础上有一个小 的起伏扰动。
3 E02 /2
0
time