激光原理锁模技术
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 锁模原理_主动锁模技术
28.1 概述
1 9 9 5 年 ， 钛 宝 石 固 体 飞 秒 激 光 器 产 生 的 脉 冲 宽 度 降 至 8 f s 1 9 9 6 年 ， 西 安 光 机 所 的 许 林 在 奥 地 利 产 生 了 7 .5 f s 的 超 短 激 光 脉 冲 1 9 9 6 年 ， 毕 业 于 西 安 光 机 所 的 魏 志 义 博 士 在 荷 兰 创 造 了 全 固 态 腔 倒 空 压 缩 后 4 .5 f s 的 记 录 1 9 9 8 年 ,西 安 光 机 所 的 程 昭 则 在 奥 地 利 利 用 亚 毫 焦 耳 的 2 5 fs 的 脉 冲 产 生 了 强 白 光 连 续 谱 ,将 其 近 红 外 部 分 用 超 宽 带 啁 啾 镜 腔 外 压 缩 ,得 了 4 fs 的 最 佳 结 果 。 这 些 都 是 当 时 的 国 际 最 高 指 标 。
光 子 在 谐 振 腔 中 往 返 振 荡 ， 其 动 量 测 不 准 量 为
P x k k 2 k22hk
h
k
h n c
t E h t h h 2
2
t
n1
Px
2h c
t
2
28.1 概述
x
P x
x
h L
Px
2h
n c
1
t
L2hn1 h2nL 1 1
ct
c t
最 终 有 t 2 L ， 式 中 L 为 谐 振 腔 的 光 学 长 度 。 c
调 Q 技 术 能 获 得 的 脉 冲 输 出 宽 度 极 限 为 t 2 L / c
L(ns)ct0.15mL(ps)ct=0.15mm L(fs)ct0.15m
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。
激光锁模技术
激光锁模技术顾朝晖宁波大学光电信息工程摘要: 锁模是激光技术中一个十分关键组成部分。
调Q技术, 受原理上限制, 其激光器输出激光脉冲宽度在1~30115之间。
伴随科学技术发展, 在遥测技术、高时间分辨率光谱学、非线性光学、光电子学、化学动力学以及受控核聚变等很多领域要求取得脉冲宽度更窄、峰值功率更高激光脉冲。
这推进了超短光脉冲技术研究, 发展了激光锁模技术。
关键词: 锁模技术, 激光脉冲--s光脉引言: 世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并取得了91010~10冲列。
以后, 激光锁模理论和方法不停推陈出新, 相继出现了红宝石、Y AG、钦玻璃及有机染料等锁模激光器, 取得了ps(1210-)量级窄脉冲。
八十年代初, Fork等人又发展了碰撞锁模理论, 使锁模光脉冲进入了fs(1510-)量级, 这是至今在试验室利用其它手段尚不能实现最短时标。
这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新工具, 并将开阔这些领域新前景。
.1.激光锁模技术原理自由运转激光器输出通常包含若干个超出阈值纵模, 如图所表示。
这些模振幅及相位都不固定, 激光输出随时间改变是它们无规则叠加结果, 是一个时间平均统计值。
假设在激光工作物质净增益线宽内包含有N个纵模, 每个纵模输出电场分量可用下式表示:)()(q q t i q q eE t E ϕω+=那么激光器输出光波电场是N 个纵模电场和, 即)()(q q t i q q e E t E ϕω+= E q 、 ωq 、 φq 为第q 个模式振幅、 角频率及初位相。
各个模式振幅E q 、 初位φq 均无确定关系,各个模式互不相干,所以激光输出是它们无规叠加结果,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, 沿相同方向传输, 而且有以下关系: , 在未锁定时, 初相相互无关。
因为“破坏性”干涉叠加, 形成光波没有一个地方有突出加强, 输出光强只在平均光强级基础上有一个小起伏扰动。
第六激光锁模技术
q
qq '
I (t) E2(t) 1 t1 q
t1 E 2 (t)dt
0
N N
1E 2
2
q
若振幅相同
E2(t) N Eq2
2 q N
E2 (t) (2N 1) E02 2
二、锁模的基本原理
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。
主要内容
6.1 概述 6.2 锁模的基本理论 6.3 主动锁模原理 6.4 被动锁模原理 6.5 同步泵浦锁模 6.6 自锁模
6.1 概述
•
目的:
•
压缩脉冲宽度,高峰值功
率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-
10-9s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
但若设法使 1 = 2 = 3 =0时，有
E1 = E0cos(2πν1 t) E2 = E0cos(4πν1 t) E3 = E0cos(6πν1 t)
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)
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
主动激光锁模技术原理
E3 = E0cos(2π) = E0 , 三波叠加的结果是：
E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(3ν1 )时，E = 0；t = 1/ν1时，
E = 3E0 …… 。这样就会出现一系列周期性的脉冲，见下图。 当 各光波振幅同时达到最大值处时，由于“建设性”的干涉作用，
峰值功率增大了2N+1倍。
注意：
0
(3.1-6)
q=-N
(4)多模(ω0+q△ωq )激光器相位锁定的结果，实现了q+1 - q=常数， 导致输出一个峰值功率高，脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵模激 光器锁模后，各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的功率 应看成是所有振荡模提供的。##
三、锁模的方法 1.主动锁模
因为
所以
q=-N
(3.1-6)
该式说明了平均光强是各个纵模光强之和 (除以2)。
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，使之有一确定的关系(φq+1 -φq＝ 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、峰值功率很高的光脉冲，如图3.12(b)所示。
为讨论方便，假定α = 0，则
(3.1-11)
上式分子、分母均为周期函数，因此A(t)也是周期函数。只要得到 它的周期、零点，即可以得到A(t)的变化规律。
1 由(3.1-11)式可求出A(t) 的周期为 2 L (令分母 sin 2 t c 1 2
0 →
个周期内2N个零值点及2N+1个极值点。
E(t)
E0
v3=3v1,
v2=2v1， 初相 无规律 位
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。
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。
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：
激光调q技术工作原理
激光调q技术工作原理激光器是一种特殊类型的光源，它产生非常得峰值功率的光束，可用于许多应用，如通讯、激光加工和医学等。
激光调q技术（也称为调制锁模技术）是一种通过对激光器进行调制来产生时域和频域短脉冲的技术，通常用于产生纳秒及次纳秒级别的脉冲。
激光器的工作原理基于受激辐射和光放大的效应。
大多数激光器都是由放置在共振腔中的反射镜构成的。
当光子在激光器内移动时，它们被反射镜反弹，产生来回移动的光子束。
当光子与激光器内被卡在共振腔中的原子碰撞时，所产生的能量从一个原子跃迁到另一个原子，释放出一个与醇子初始相同相位的光子。
该光子在共振腔内来回移动，并与其他原子碰撞，释放出越来越多的光子，直到光子数目够多时，它将穿过其中一个反射镜而离开激光器，这时其能量变成了光子的行驶动能。
由于激光器内的光子都是同相位的，所以它们叠加在一起，使激光光束具有非常高的能量。
激光调q技术是利用了激光器中原子碰撞所产生的输运时间不稳定性，将差异放大来改善脉冲宽度，是一种用于产生短光脉冲的方法。
调q技术基于时间限制原理，其核心思想是在一个激光共振腔中引入快速可调的损失，以压缩和增强激光脉冲。
假设我们有一个较长的脉冲，在一个有损耗的介质中传输时，各个频率分量的相位将会以不同的方式改变。
如果我们能够在每个循环中引入不同的暂时频率依赖性损失，我们就可以平衡这些相位的改变。
保持光在共振腔中的时间不断的变化，可以使重叠损失产生激光脉冲宽度的缩短。
工作原理的对比激光器能够产生非常短的光脉冲，但其脉冲宽度限制了光束的光谱宽度。
激光调q技术允许光谱产生宽而短的脉冲，通过利用光的时间和频率特性在激光共振腔中进行调整，从而产生光谱宽且短的光脉冲。
结论激光调q技术在光通信、生物医学和材料加工等领域都有广泛的应用。
通过合适的短光脉冲频率和强度，可以实现高能量光谱的打击，加大力度，提高效率，从而节省时间和资源。
该技术的优势在于可利用低成本的光纤通信进行实现，还可以在非常小的空间中实现高精度光功能。
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。
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。
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§2 锁模激光器 一、主动式锁模 1、定义
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)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
33:LN晶体有效电光系数 ④相移 l:晶体沿通光方向的长度
3 lU0 ne 33 (t ) ln(t ) cos t d
3 lU 0 ne 33 d [ (t )] ⑤光的频移为 (t ) sin t dt d 证 相位 t 0 相移 t 0
第十章 锁模技术 §1 锁模原理 一、锁模基本概念 将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定, 形成等时间间隔的光脉冲序列 sin 2 Na 2 P P0 二、输出功率 sin 2 a 2
P0:一个纵模的输出功率 N:纵模个数 c 2 q L :相邻两纵模圆频率间隔 :相邻两纵模的相位差
A(1 M cos t ) cos(0 t 0 )
M T0 : 调幅系数 , A=E T : 调制后的光场振幅 0 0 T0
③调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率 为0±的两个边模
E (t ) A(1 Mcost)cos(0 t 0 )
Acos(0 t 0 ) AMcos(t)cos(0 t 0 ) 1 Acos(0 t 0 ) AM[cos(0 t 0 t) cos(0 t 0 t )] 2 1 1 Acos(0 t 0 ) AMcos[(0 )t 0 ] AMcos[(0 - ) t 0 ] 2 2
3 lU 0 ne 33 M :调相系数 d
③调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率 为0±的两个边模
E (t ) E0cos[(0 t 0 ) M cos t ]
0- 0 0+ E0cos(0 t 0 ) cos( M cos t ) - E 0sin( 0 t 0 ) sin( M cos t )
U(t):驱动电光器件的 调制电信号 n(t)、(t):电光效 应引起折射率变化 和相移的波形 (t):光的频移波形
I(t):锁模激光输出波形
(5)频域原理 ①增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为
E (t ) E0cos(0 t )
E0:光场振幅，0:频率, 0:初位相 ②电光器件对起振纵模进行相位调制，调制光场 为 E (t ) E0cos[0 t (t ) 0 ] E0cos[(0 t 0 ) M cos t ]
④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有 纵模都被耦合形成脉冲系列输出。
二、被动式锁模(染料锁模)
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
2
三、锁模激光器工作特性
1、峰值功率
证
Pm=N2P0
a=0、2、4…时P达最大
sin 2 Na 2 P P0 sin 2 a 2
P
Na Na N sin 2 Na 2 sin cos 2 2 2 2 Pm lim P0 P0 lim 2 a a 0 a 0 2 sin a cos a 1 sin 2 2 2 2
a t
证 设腔内共有N=2n+1个纵模,第q=0模的圆 频率、初相位为:0、0;第q模为:q=0+q、 q= 0 +q 第q模的光场为
E q (t) E 0e
E(t)
n
i(ωq t q )
E 0e
i[(ω0 q )t ( 0 q )]
P q P0 10 0.75 7.5w
③ Pm=N2P0=1000.75=75w
2L 2 1.5 8 T 10 s 8 c 3 10
T 108 109 s N 10
或
1 1 9 1 . 05 10 s 6 T 950 10
0
U(t)
t (t)
t
T(t) T0
T t
I(t) t
0
2 L c
4 L c
(5)频域原理 ①增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为
E (t ) E0cos(0 t 0 )
E0:光场振幅，0:频率, 0:初位相 ②声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场 为 E (t ) E0T(t)cos( 0 t 0 ) E0[T0 T cos t ] cos(0 t 0 )
M<<1
cos( M cos t ) 1
sin( M cos t ) M cos t
E (t ) E0cos(0 t 0 ) - E 0 Msin( 0 t 0 ) cos t
1 E0 M[sin( 0 t 0 t) sin( 0 t 0 t )] 2 1 1 E 0 cos(0 t 0 ) E0 Msin[( 0 )t 0 ] E 0 Msin[( 0 - ) t 0 ] 2 2 E 0 cos(0 t 0 )
ln 2 ln 2
c 3 108 q 100MHz 2L 2 1.5
T 950 q [ ] 1 [ ] 1 10 q 100
② I Is (2 1) 50 (22 -1) 150w/mm 2
0
1 P 0 1 STI 0 2 2 1 0.01150 0.75w
合光场为
q n
E q (t)
n q n
q n
i[(ω0 q )t ( 0 q )] i(ω0 t 0 ) E e A (t) e 0 n
n
A(t) E 0
iq(t ) e E0
q n
iqa e
E 0 [e
(2)装置
激光 输出镜
激光介质
声光器件 全反镜
2f
(3)时域原理 ①外加电调制信号
1 U (t ) U 0 sin t 2
1 :调制频率 U0:调制电压幅度， 2
c
L
②腔损耗率
(t ) 0 cos t
o:腔平均损耗率, :损耗率变化幅度, :损耗频率 调制电信号为零时，损耗最小，调制电信号为极 值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍
③调制器透过率
T (t ) T0 T cos t
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 ④透过率最大时，输出光脉冲，输出光脉冲的 重复频率与重复周期为
c f q 2 L 2 L T c
(4)调制曲线 U(t):驱动声光器件的 外加调制电信号 (t):腔损耗率 T(t):调制器透过率 I(t):锁模激光输出波形
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 (t) t I(t) t
0
L c 2 L c
a1=t1+
a2=t2+
2 2L 2L T c c
T 1 N T
a2 – a1 =(t2-t1)= T=2
2 a 2 a1 N
T N q
3、脉宽(光脉冲持续时间的一半)
证
2 T N N
1 T q
0- 0 0+
④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有 纵模都被耦合形成脉冲系列输出。
3、相位(频率)调制模锁:电光锁模
(1)概念 使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，调制频率为f=c/2L时，可以获重复 频率也为f的激光脉冲系列 z (2)装置
y
x
LN
全反镜
激光
a=2/N、4/N…时P=0
0
2
a
N sin Na N 2 cos Na P0 lim P0 lim N 2 P0 a 0 a 0 sin a cos a
(N=4)
2、重复周期与重复频率
(1)重复周期
2L T c
光在腔内往返一周所用时间
(2)重复频率 证
f
c q 2 L
另有
1 q 1 q T T
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
(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 率均按中心频率输出功率计)③锁模后的光脉冲峰 值功率、重复周期、脉宽。 解 ① T ln F ln 2 950 950MHz
P t
线性 放大
P
非线性 吸收 t
非线性 放大
P t
非线性 吸收
P t
P t
i a 2
E0
e
-i(n 1 )a 2
e
i(n 1 )a 2 ia 2
e