激光锁模条件
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。
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：
第六讲激光的调Q与锁模
该式说明了我们观察到的平均光强是各个 纵模光强之和。
11
如果我们能设法使这些各自独立振荡的 纵模在时间上同步，就需要把它们的相位相 互关联起来，使之有一确定的关系。一般说， 能使q+1 - q等于常数，我们就说该激光器各 模的相位q是按照q+1 - q=常数的关系被锁 定。
12
二、多模激光器模式锁定特性
8
激光的频 谱是由等间隔 (C/2L)的分离 谱线所组成， 每条谱线对应 一个纵模，各 纵模间彼此独 立，相位是在 -到之间随 机分布。在时 间域内，其强 度分布有噪声 特性。
振幅
0
v
振幅强度
t
9
当用接收器件来探测非锁模激光器输出 的光功率时，接收到的光强是所有满足阈值 条件的纵模光强的叠加。此时，某一瞬时的 输出光强为：
第六讲 激光的锁模 技术
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。 锁模技术可以实现更窄的脉宽和更高的 输出峰值功率。
2
锁模技术是从1964年发展起来的，由于 它能使激光脉冲的持续时间达到10-12秒，甚 至更窄（10-15秒）。所以也称为超短脉冲技 术。由于激光输出脉宽很窄，所以峰值功率 可以很高。这种窄脉冲高峰值功率的激光应 用甚广，在受控核聚变、等离子体物理学、 遥测技术、化学及物理动力学、生物学、高 速摄影、光通讯、光雷达、光谱学、全息学 及非线性光学等许多领域都有着重要的应用， 对于研究超高速现象及探索微观世界的规律 性具有极大的意义。
q 2 q 2 C C 2L L
n 0 n 第n个纵模频率为： 0为中心频率，为纵模间隔 设第n个纵模的振幅为An(t)， i ( ) t 0 n An (t ) A0e n 其中，A0为振幅， n为初相位。
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。
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。
激光原理 锁模原理_主动锁模技术
这些都是当时的国际最高指标。
目前正进入as 1018 s
6
二、超短脉冲特性
28.1 概述
高时间分辨率：超短脉冲的脉宽在ps、fs甚至更短，能够作 为测量固体物理、化学、生物材料等领域超快物理过程 的测量工具。 高空间分辨率：超短光脉冲空间长度是脉冲宽度与光速的乘
积，随着光脉宽的缩短，其空间长度也不断缩短，已经达 到微米量级，这在显微成象方面有很大用途。
2N 1 sin q t 2 A t E0 1 sin q t 2
15
28.3 锁模原理
E t E0 cos 0 qq t 0 A t cos(0 t 0 ) q N
总光场为 : E t
q N
N
Eq
E0 cos 0 qq t 0 q N
N
2N 1 sin q t 2 cos t A t cos t E0 0 0 0 0 1 sin q t 2
3、外界温度变化, 机械振动和光腔标准具效应等随机条件引起 光学频率起伏与“跳模”等。 d t d q 1 t const . 4、各纵模非相干叠加： dt dt
10
28.2自由运转多纵模激光器
以上各点互相关联，由于色散造成的 q m 和各纵模初始 相位随机分布造成了 t 的随机分布， 最终造成输出的光场
N
N
令0 0， 0 0，则有：
第28讲 锁模原理&主动锁模技术
， 为常量
q q
则意味着激光器各纵模之间实现了同步输出，即锁模， 锁模技术就是要实现各纵模之间的同步。
这种时域上的“干涉”效应，将导致以线宽为倒数的超短激 光脉冲输出，即时域上的“干涉”
13
28.3 锁模原理
一、锁模条件
1、2 N 1 3
g q
1 3
N
N
令0 0， 0 0，则有：
E0 cos 0 qq t 0 A t cos(0 t 0) q N N cos 0 t 0 代表载波 A t E0 cos qq t q N A t 为调制包络
3、外界温度变化, 机械振动和光腔标准具效应等随机条件引起 光学频率起伏与“跳模”等。 d t d const . 4、各纵模非相干叠加： q 1 t dt dt
10
28.2自由运转多纵模激光器
以上各点互相关联，由于色散造成的 q m 和各纵模初始 相位随机分布造成了 t 的随机分布， 最终造成输出的光场 在时域随时间做无规则起伏，属于非相干叠加，没有干涉项，
E t
q N
Hale Waihona Puke NEq cos q t q
E
N q N
q
cos t
9
28.2自由运转多纵模激光器
多纵模激光器有如下输出特性：
1、线性极化有关的色散效应，使得激光器出现纵模间距不严 格相等的“频率牵引”效应： c c c 1 1 q q q q q m q 1 2 Lq 2 L0 nq 2 L0 nq 1 nq 2、非同步的受激辐射导致的各纵模之间没有确定的相位关系 各纵模初始相位随机分布： q 1 q const .
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
4.7激光锁模技术2015
A(1 M cos 2vmt ) cos 2v0 t
T0 M :调幅系数, A=E0T0:调制后的光场振幅 T0
③调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有角频率v0的成 分,还含有角频率为(v0±vm),初位相不变的两个边带,其频谱如图所 示。
E (t ) A(1 Mcos2 vm t)cos 2 v0 t
N
N
按指数形式展开，再用三角函数可得：
N
E (t ) E0 ( eiqt )ei0t
N
1 sin[ ( 2 N 1 ) t ] i0t 2 E0 e 1 sin (t ) 2
振幅随时 间而变化
输出光强
t sin 2 (2 N 1) 2 I (t ) E02 2 t sin 2
在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的某 个参量而实现锁模的方法
2、振幅(损耗)内调制锁模：声光锁模
(1)概念
图(4-31) 锁模调制示意图
使用声光调制器调制谐振腔损耗，损耗的调制频率为vm=c/2L时,损耗调制周 期为Tm=2π/Ω =2L/c，可获重复频率也为vm的激光脉冲系列 设光信号在t1时刻通过调制器,并且δ(t1)=0,则在(t1+Tm)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。
用下式表示:
Eq (t ) Eqe
i (qt q )
E (t ) Eq e
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。
激光锁模技术
激光锁模技术作者：付永旭摘要：自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，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。
激光锁模主要有主动锁模、被动锁模、同步锁模、注入锁模及碰撞锁模等几种。
典型锁模技术声光调制锁模是在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的某个参量而实现锁模的方法，属于主动锁模。
随着波分复用和光时分复用技术的飞速发展，锁模光纤激光器以其优越的性能将在未来高速光通信系统中发挥重要作用。
正文：一．激光锁模概念产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术（mode locking)。
这是因为一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。
世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并获得了910--s的10~10光脉冲列。
此后，激光锁模的理论和方法不断推陈出新，相继出现了红宝石、)量级的窄脉冲。
八十YAG、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，获得了ps(1210-年代初，Fork等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级，这是至今在实验室利用其它手段尚不能实现的最短时标。
这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新的工具，并将开阔这些领域的新前景。
.二．激光锁模原理自由运转激光器的输出一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。
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:那么激光器输出的光波电场是N 个纵模电场的和，即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 q 、初位φq 均无确定关系,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。
激光锁模
1. 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调 2制L频c 率
(恰ν为m 纵c模2L频率间隔)
由于损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往 返一次所需的时间T0 ,因而调制器的损耗δ(t)是 一周期为T0 的函数
图(4-31) 锁模调制示意图
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；第三，其驰豫时间应短于脉冲在 腔内往返一次的时间，否则就成为被动调Q激光器了。
信息（2004）： 中科院上海光学精密机械研究所在其建所40周
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。
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。
2
2
L
所以
1 2L
2 2L
t=0 , 2N 1 c , 2N 1 c
, L 2L c
是 A(t)的0 点.
2. 分母为0 的 点:
sin[1 t] 0 1 t m ,
2
2
m 0,2,3...... t 0, 2L , 4L ,L 2Ln
cc
c
3.因A(t)的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时A(t)的最大值
式中M=Em/E0 称调幅系数,它的大小决定于调制信号的大小。将上式展开得
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 .
激光锁模技术
激光锁模技术顾朝晖 宁波大学光电信息工程 3摘要：锁模是激光技术中的一个十分重要的组成部份。
调Q 技术，受原理上的限制，其激光器输出的激光脉冲的宽度在1~30115之间。
随着科学技术的进展，在遥测技术、高时刻分辨率光谱学、非线性光学、光电子学、化学动力学和受控核聚变等许多领域要求取得脉冲宽度更窄、峰值功率更高的激光脉冲。
这推动了超短光脉冲技术的研究，进展了激光锁模技术。
关键词：锁模技术，激光脉冲引言：世界上是在1964年末第一对He-Ne 激光器实现锁模并取得了91010~10--s 的光脉冲列。
尔后，激光锁模的理论和方式不断推陈出新，接踵出现了红宝石、YAG 、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，取得了ps(1210-)量级的窄脉冲。
八十年代初，Fork 等人又进展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级，这是至今在实验室利用其它手腕尚不能实现的最短时标。
这就为研究物质微观世界超快速进程提供了新的工具，并将开阔这些领域的新前景。
.1.激光锁模技术的原理自由运转激光器的输出一般包括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，激光输出随时刻的转变是它们无规则叠加的结果，是一种时刻平均的统计值。
假设在激光工作物质的净增益线宽内包括有N 个纵模，每一个纵模输出的电场分量可用下式表示:)()(q q t i q q e E t E ϕω+=那么激光器输出的光波电场是N 个纵模电场的和，即)()(q q t i q q e E t E ϕω+= ()()q qi t q q E t E e ωφ+=∑()()q q i t q q E t E e ωφ+=∑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 q 、初位φq 均无肯定关系,各个模式互不相干,因此激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时刻无规则起伏。
假设有三个光波，频率别离为v 1 v 2 和 v 3，沿相同方向传播，而且有如下关系： ，在未锁按时，初相彼此无关。
激光原理：锁模
被动锁模光纤激光器
（利用光纤或其他元件的非线性效应）
• 优点： – ps 或fs量级 –结构简单（不需要外界有源调制器件） – 受外界环境影响小
• 缺点： –稳态锁模脉冲重复速 率取决于腔体长度,通常难以获得高速率锁模脉冲输 出。
激光器种类
• 固体激光器（如钛宝石激光器）
– 频谱范围宽（百纳米） – 体积大、稳定性相对较差、较难校准 – 模式控制难，光束质量相对较差
• 光纤激光器
– 支持飞秒脉冲（几十纳米） – 细长的波导结构具有优良的散热效果，适合长
时间工作 – 输出模式好，容易聚焦 – 稳定性好，成本低
光 纤 激 光 器
目前,已经可以从混合锁模光纤激光器中获得重
复速率可高达loGHz的ps级锁模脉冲
主动锁模光纤激光器
激光
输出镜
激光介质
声光器件 全反镜
U(t)
声光调制示意 图
(t) (t):腔损耗率
U(t):驱动声光器件的外加调制电信号 t
t
T(t) T(t):调制器透过率 T0
T t
I(t)
I(t):锁模激光输出波形
t
被动锁模光纤激光器
• 飞秒量级脉冲（3种结构） NOLM（8字激光器）
SESAM NPE
Kerr Medium
Polarizer
相位锁定（模式间具有固
定相位差）
平均功率
峰值功率 周期 脉冲间隔 脉冲宽度
主动锁模光纤激光器
（通过外界信号来周期性调制）
• 优点： – 可以制成全保偏光纤 – 通过可再生锁模（regeneratively mode-locking） 可以得到稳定输出 – Turn-key operation; never drop mode locking
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。
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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。