4.7 激光器的锁模-20200513
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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
4.6 激光器的驰豫振荡Q调制-20200513
22
第四章 激光器的工作特性
2、声光调Q(acoustooptical Q-switch)
如果入射光与声波波面的夹角θ满足
sin 2s
s; 声波与入射光的波长
则透射光束分裂为零级与+1级(或-1级)， +1级
或-1级衍射光与声波波面的夹角也为，一级衍
射光强与入射光强之比为
I1 sin 2 ( D )
Ii
2
式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位
变化的幅度。
D 2 Dd (2 d MP)2
H
换能器：将高频信号转化为超声波(铌酸锂、石英等压电材料)
声光介质：熔融石英(Fused Silica)，钼酸铅、重火石玻璃等
属于快开型开关；对高能量激光器开关能力差
23
第四章 激光器的工作特性
商用声光调Q开关
21vN 0 A21 W03
Dn 1 N R
Dn(t )N (5-4-7)
(t )
N0 R
N (t ) R
21vN 0Leabharlann n(5-4-8)二阶常系数微分方程
(5-4-7),(5-4-8) 再次求导后代入
(5-4-7),(5-4-8)
d2Dn dt 2
dDn dt
Dn
0
d2N dt 2
dN dt
调Q & 锁模目的: 压窄脉冲宽度，提高峰值功率
激光器的 Q调制
第四章 激光器的工作特性
连续激光器
激光器：
脉冲激光器 —— 可获得较高的峰值功率 • 获得脉冲激光的方法之一： 脉冲激励(电脉冲、光脉冲) • 存在的问题：
驰豫振荡、脉冲宽(几百s~ms)
• 上述激光器称作自由运转激光器
第四章 激光器的工作特性
2、声光调Q(acoustooptical Q-switch)
如果入射光与声波波面的夹角θ满足
sin 2s
s; 声波与入射光的波长
则透射光束分裂为零级与+1级(或-1级)， +1级
或-1级衍射光与声波波面的夹角也为，一级衍
射光强与入射光强之比为
I1 sin 2 ( D )
Ii
2
式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位
变化的幅度。
D 2 Dd (2 d MP)2
H
换能器：将高频信号转化为超声波(铌酸锂、石英等压电材料)
声光介质：熔融石英(Fused Silica)，钼酸铅、重火石玻璃等
属于快开型开关；对高能量激光器开关能力差
23
第四章 激光器的工作特性
商用声光调Q开关
21vN 0 A21 W03
Dn 1 N R
Dn(t )N (5-4-7)
(t )
N0 R
N (t ) R
21vN 0Leabharlann n(5-4-8)二阶常系数微分方程
(5-4-7),(5-4-8) 再次求导后代入
(5-4-7),(5-4-8)
d2Dn dt 2
dDn dt
Dn
0
d2N dt 2
dN dt
调Q & 锁模目的: 压窄脉冲宽度，提高峰值功率
激光器的 Q调制
第四章 激光器的工作特性
连续激光器
激光器：
脉冲激光器 —— 可获得较高的峰值功率 • 获得脉冲激光的方法之一： 脉冲激励(电脉冲、光脉冲) • 存在的问题：
驰豫振荡、脉冲宽(几百s~ms)
• 上述激光器称作自由运转激光器
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。
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
锁模光纤激光器讲义
其它纵模上去。因所有纵模都是由优势模给予激发的，所以它 们彼此间都保持着相位的同步，并经相干叠加，形成锁模脉冲。
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
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
一种激光器、锁模状态检测方法及装置[发明专利]
![一种激光器、锁模状态检测方法及装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f168e215c8d376eeafaa3140.png)
专利名称：一种激光器、锁模状态检测方法及装置专利类型：发明专利
发明人：于海波
申请号：CN202011084619.7
申请日：20201012
公开号：CN112271531A
公开日：
20210126
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请涉及一种激光器、锁模状态检测方法及装置，其包括将输入的脉冲激光转换为电压脉冲信号；其中，所述脉冲激光为激光器输出或所述激光器的种子光源发出；获取所述电压脉冲信号的频率值；根据所述频率值判断锁模状态；其中：所述频率值在第一阈值范围内、且连续多次在所述第一阈值范围内，判断所述锁模状态为锁模成功；所述频率值不在第一阈值范围内，且连续多次不在所述第一阈值范围内，判断所述锁模状态为锁模失败。
本申请具有简化锁模状态检测流程，提高检测效率以及检测结果的可靠性的效果。
申请人：北京卓镭激光技术有限公司
地址：101300 北京市顺义区安平北街8号院16号楼-1至5层101内1-5层
国籍：CN
代理机构：北京维正专利代理有限公司
代理人：何爽
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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
q c L 2 q
通过能量传递给边频，产生具有相同 初相位（相位锁定）的多纵模振荡。
非均匀加宽：锁模使各纵模具有确定相位关系（相位锁定）。
第四章 激光器的工作特性
2 相位调制锁模 频率调制－h随外加电压变化
在激光腔内插入一个电光调制器，利用电光晶体折射率随外加电
压的变化对激光进行相位调制。
第二四章、锁激光模器原的理工作特多性纵模相位锁定 q1 q a
锁模物理机制：使腔内各个纵模的初相位保持一致或各纵模间
有确定的相位关系, 输出为等间隔短脉冲序列。
例: 三个纵模锁定后的光波叠加
1 , 2 , 3
2 21,
E1 = E2 = E3 = E0
1 2 3 0
3 31
E1 E0 cos(21t ) E2 E0 cos(41t ) E3 E0 cos(61t )
t
第四章 激光器的工作特性
6
第假四设章 2激N光+1器个的模工振作荡特性, 振幅相同 (E0) 相邻纵模间相位差：q q1 q 0 q
相邻纵模角频率间隔：q c L
q -N
-(N-1) …… -1
0 1 …… N-1
N
q 0-N q -N
0-(N-1) -(N-1)
…… ……
0- -
1
2N
1
1 osc
1 F
可通过F 估算锁模脉宽
第四章 激光器的工作特性
三、锁模方法
主动锁模 (Active Mode-locking) ✓ 振幅调制 ✓ 相位调制
被动锁模 (Passive Mode-locking)
(1) 振幅调制 (AM)法锁模 (损耗调制锁模)
振幅调制器M
E1(t)
E2(t)
工作物质 E3(t)
q
c 2L
q
c
L
振幅调制器M：电光、声光——加适当电压，使腔损发生角 频率为的周期变化 纵模振幅发生周期变化
10
第激四光章器激中光增器益的工曲作线特中性心频率处的纵模首先起振，电场强度为：
E0 (t ) E0 Em cos t cos(0t 0 )
M a Em / E0 (调幅系数)
第四章 激光器的工作特性
4.7 锁模技术(Mode Locking)
1
第四章 激光器的工作特性
模式选择
常 用 的
频率稳定 注入锁定
改善输出光的时间或空间 相干性
几
种
调Q
激
锁模
窄脉冲高功率激光
光 技
增益开关
术 激光放大器 提高激光束功率与能量
2
第四章 激光器的工作特性
锁模的目的：获得更窄的脉宽更大的峰值功率 调Q 技术：脉冲宽度：~10-9s(ns) 锁模技术：超短脉冲(10-11~10-14s) 技术( ps-fs )
致光频移出增益曲线，不再被放大.
第四章 激光器的工作特性
四、均匀加宽激光器的主动锁模自洽理论
自洽理论要点：考察腔内某一点，脉冲在腔内往返一周后能 自再现，E1(t) = E3(t)。
对损耗调制锁模激光器而言，考察短脉冲在腔内经 增益介质 损耗调制器 反射镜反射后回到起始点 是否正好能映射自身。
损耗调制器
0 0+ …… 0+(N-1) 0+N
0
…… (N-1)
N
N
N
E(t ) E0 cos (0 q)t N E0 cos0t cos q(t )
qN
qN
三角级数求和
sin 1 2N 1t
E(t) E0
2
sin 1 t
cos0t
2
I
t
A2 (t)
E02
sin2 1 2N 1 t
LN
起偏镜 铌酸锂 检偏镜
z
激光
激光介质
y
x
输出镜
全反镜
Uz
①外加电调制信号 U (t) U0 cos t
②电光晶体中的电场 E(t) U0 cos t
d
③折射率变化量
h (t )
1 2
he3
33
E
(t
)
U0he3 33
2d
cos t
④相移
(t) 2 lh(t) lU0he3 33 cos t
E0 (t ) E0 cos(0t 0 ) E0 M a cos t cos(0t 0 )
积化和差
E0 (t )
E0
cos(0t
0 )
E0
Ma 2
cos (0
)t
0
E0
Ma 2
cos (0
)t
0
0 0 2
0
0
0
0 2
0 3
...
osc
0 3
...
2 1
0 1 2
从频域角度（均匀加宽）
3
第四章 激光器的工作特性
一、未加锁模（自由运转）时，多纵模激光器的输出特性
每个纵模的电场表达式： Eq (z,t) Eq cos(qt q )
相邻纵模间的频率间隔：
q
v 2L
,
q
v
L
总的输出： E(t) Eqeiqtq
q
各个纵模的Ēq, q, q不同，输出为多纵模无规叠加的结果
E
t
4
t0 t
啁啾频率
脉冲频谱
E1
1
2
E1
t
eitdt A 2
0 2
1 e 4b
b
频率宽度(谱宽)
1
2ln 2 a 2 2 1 4
脉冲宽度
锁模脉冲的谱宽脉宽乘积
2t
2ln 2
a
1 谱宽脉宽乘积
2
ln
2
1
a
2
4
衡量锁模激光 器水平的标志
第四章 激光器的工作特性
Output coupler
B
E1(t)
E2(t)
工作物质
E3(t)
r1
C
r2
14
第四章 激光器的工作特性
光脉冲：高斯型 某参考平面上行波超短光脉冲电场强度为
E1 t Aebt2 ei0t
E1 t Ae e at2 i 0tt2
b a i
a－决定高斯脉冲包络形状
Fourier transform
－锁模系统的线性啁啾
只有那些与相位变化的极值点(极大或极小)相对应的时刻，通过调制 器的光信号，其频率不发生移动，才能在腔内保存下来，不断得到放 大，从而形成周期为2L/c的脉冲序列。
t= t0 , t1, t2, t3 …. t 0
t1
t3
t0
t2
t= t0 , t1, t2, t3 ..每经过调制器一次
会产生频移, 使频移增大，最终导
d
he非常光
折射率
12
第四章 激光器的工作特性
⑤光的频移为 (t)
d [ (t )]
lU0he3 33
sin
t
dt
d
相位调制器的作用可理解为一种频移，使光波的频率发生向大(或小)
的方向移动。脉冲每经过调制器一次，就发生一次频移，最后移到增
益曲线之外。类似于损耗调制器，这部分光波就从腔内消失掉。