4.7激光锁模技术
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。
新激光ppt课件第八章 调Q技术与锁模技术
nL tc
式中tc
nL
c
为光子在腔内的寿命
d (G c 1 )
dt
n tc
d (G c 1 )
dt
n tc
当增益=损耗时，即为阈值条件
令 t tc
Gt
n ct c
则 d d (tcG n c1) (G G t 1)
GN
d
d
dN
N (
Nt 2
1) N
d
Nt
2.速率方程的解
1.工作物质储能调Q(PRM) 也叫脉冲反射式调Q.它是将能量以激活离子的
形式储存在工作物质中,能量储存的时间取决于激 光上能级的寿命.
(1).工作过程
(2).Q脉冲形成的三个时刻 (3).特点
Hale Waihona Puke 2.谐振腔储能调Q(PTM) 也叫脉冲透射式调Q.它是将能量以光子的
形式储存在谐振腔中,当腔内光子数密度达到最大 值时瞬间将腔内能量全部输出，因而也叫腔倒空法。
和选择合适的谐振腔，以降低Nt.
六、调Q方法
1. 电光调Q
电光调Q装置如图， 激光腔中插入起偏振片 及作为Q开关的KD*P晶 体。
原理:
电光调Q装置示意图
电光调Q激光器如图。未加电场前晶 体的折射率主轴为x、y、z。沿晶体光轴 方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应, 主轴变为 x 、y 、z 。令光束沿z轴方向传 播,经偏振器后变为平行于Z轴的线偏振光, 入射到晶体表面时分解为等幅的 x 和 y 方 向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折 射率 X 和 y 。经过晶体长度d距离后,二 偏振分量产生了相位差δ
由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而 使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若 这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损 耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。
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。
锁模技术
a2=Ωt2+α
2π 2πL′ 2L′ T= = = Ω πc c
T 1 τ= = N ∆νT
a2 – a1 =Ω(t2-t1)= ΩT=2π
2π a2 − a1 = Ωτ = N
∆νT N= ∆νq
3、脉宽(光脉冲持续时间的一半 、脉宽 光脉冲持续时间的一半 光脉冲持续时间的一半)
证
2π T τ= = NΩ N
ω0-Ω ω0 ω0+Ω Ω Ω
④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有 两个边模再产生新边模， 纵模都被耦合形成脉冲系列输出。 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 、相位 频率 调制模锁:电光锁模 频率)调制模锁
(1)概念 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 行相位调制，调制频率为 ′ 频率也为f的激光脉冲系列 频率也为 的激光脉冲系列 z (2)装置 装置
ln 2 ln 2
c 3×108 =100M Hz ∆νq = = 2L 2×1.5
∆q = [
∆νT 950 ] +1 = [ ] +1 =10 ∆νq 100
m ② Iν = Is (α2 −1) = 50×(22 -1) =150w/m 2
0
Pν0 = 1 STI ν0 = 1 ×1×0.01×150 = 0.75w 2 2 P = ∆q ⋅ Pν0 =10×0.75 = 7.5w
腔平均损耗率, 损耗率变化幅度, 损耗频率 δo:腔平均损耗率 ∆δ 损耗率变化幅度 Ω:损耗频率 腔平均损耗率 ∆δ:损耗率变化幅度 调制电信号为零时，损耗最小， 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， 值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍
第四章激光的基本技术
第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。
为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。
这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。
其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。
在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。
本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。
因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。
4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。
前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。
大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。
然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。
因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。
为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。
激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。
前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。
4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。
当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。
锁模激光器的原理
锁模激光器的原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊锁模激光器的原理，这玩意儿可神奇啦！你看啊，锁模激光器就像是一个超级有节奏感的音乐家。
咱普通的激光器呢，就像一群人各自为政地乱唱，声音乱七八糟的。
但锁模激光器不一样，它能让这些光啊，变得超级有秩序，就跟乐队演奏一样整齐好听。
它是怎么做到的呢？其实就是通过一些巧妙的办法，让激光器里的光都按照同一个节奏跑。
这就好比一群人在跑步，本来是各跑各的，速度也不一样，但是突然有个指挥出来，让大家都迈同样的步子，那跑起来多整齐呀！这里面有个关键的东西叫“锁模元件”，它就像是那个指挥。
它让光脉冲一个接一个地紧密排列，形成一串超快的脉冲序列。
你说神奇不神奇？想象一下，这些光脉冲就像一列高速行驶的列车，快速而有序地前进。
而且它们的间隔非常非常短，短到让人惊叹！这能带来啥好处呢？那可多了去了！比如可以用来做超高速的通信，信息传递得那叫一个快呀，就跟火箭似的。
还有啊，锁模激光器在科学研究中也特别重要。
科学家们可以用它来研究超快的现象，就好像给时间按了快进键一样，能看到很多平时看不到的东西。
这多有意思呀！它在医学上也有大用处呢！可以用它来做精准的治疗，就像一个超级准确的手术刀，能把问题解决得干干净净。
你说锁模激光器是不是很厉害？它就像一个隐藏在科学世界里的魔法棒，能变出各种神奇的东西。
我们真应该好好感谢那些聪明的科学家们，是他们让我们能享受到这么厉害的技术。
所以呀，锁模激光器的原理虽然有点复杂，但它带来的好处却是实实在在的。
它让我们的生活变得更加精彩，让我们能看到更多的奇迹。
让我们一起为锁模激光器点赞吧！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
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
激光技术调Q与锁模
当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃 迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下
或者工作物质有相当宽的增益线宽
如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一 组纵模时
利用色散腔选择纵模是最为实用且有效 的方法
16
色散腔粗选波长
棱镜色散腔
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
激光单元技术
对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术
激光选模技术
激光Q开光技术
激光锁模技术
2
1、激光选模技术
激光模式选择及其意义：
激光的优点在于功率高、方向性好、单色性 和相干性好，一个理想的激光器输出光应按 需要控制输出模式，很多情况下我们希望只
输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制
t
I
t
28
通过锁模得到超短脉冲
29
30
被动锁模原理
在谐振腔内放入吸收介质，由于饱和吸收效应，介质 只吸收强度低的光，而强度高的光透过吸收介质形成 振荡逐步被放大
工作物质
染料
t
t
t
t
t
t
31
主动锁模原理
在激光谐振腔内加入一 个调制器
域值
对谐振腔内部损耗进行 调制 令调制频率等于C/2L
紫外滤光片
反射镜
光输出波长吻合
YAG
染料
染料应有适当的饱
和光强值
染料配成溶液后应
有较长 的保存期
染料盒
反射镜
影响染料调Q输出 特性的因素
染料浓度的影响
输入能量的影响 染料盒的影响
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)
激光技术调Q与锁模
激光振荡的建立条件是增益G大于损耗
G = i + m+ d
○ 其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产
生的损耗, m为反射镜产生的损耗； d为谐 振腔中由衍射产生的损耗。
选择横模的两个原则
○ 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 ○ 尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m, 从而
输出光束发散角和光强分布为主要目的的横 模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的 纵模选择技术。
3
横模选择及其意义
激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角 从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光 测距，横模输出的选择都非常重要
TEM00 TEM10
TEM20
TEM11
4
横模选择技术
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
5
1）光阑法选横模
在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸，增 加了衍射损耗。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体 积问题。
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
6
小孔光阑选横模腔型举例
7
2）介稳腔和非稳腔选模
增益
损耗
实际振荡的纵模
10
纵模选择技术
短腔法选纵模 F-P标准具法
色散腔法粗选波长
行波腔选纵模
11
短腔法选纵模
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
谐振腔模间隔=c/2L 如果设计腔长L使模间 隔 >= 增益曲线宽度, 即： >= g 则可以实现单纵模工作
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。
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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。
压缩脉冲宽度——锁模
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)。
4.7.1 锁模原理
一、多模激光器的输出特性
自由运转激光器的输出一
假设有三个光波，频率分别为v1 v2 和 v3，沿相同方向传播，并且有如下
关系：
v2 = 2v1,
v3 = 3v1
，在未锁定时，初相彼此无关。
E1 = E2 = E3 = E0
v1 v2
v3
由于“破坏性”的干涉叠加，形成
的光波没有一个地方有突出的加
强，输出的光强只在平均光强级基
础上有一个小的起伏扰动。
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。
信息（2004）： 中科院上海光学精密机械研究所在其建所40周
年之际宣布：上海小型化超短超强激光功率成功突 破100太瓦（1太瓦＝1012瓦）大关，输出峰值功率 达到120太瓦/36飞秒，这标志着上海在这一领域已 进入了国际同类研究的前沿，目前，国际上只有少 数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超 过100太瓦。 在1000万亿分之36秒（36×10-15秒）的超短瞬 间，上海超短超强激光装置迸发出相当于全球电网 发电总和数十倍的强大功率。
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
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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。
sin[1 (2N 1)t]
lim A(t)max
E0
t m
2 sin 1 (t)
(2N 1)E0
2
2
Amax (2N 1)E0
1. 输出脉冲的峰值(最大光强)
I (t) A(t)2 E02 (2N 1)2
注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率
之和,即I∝(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了
2
2
L
1 2L 所以 t=0 , 2N 1 c ,
2 2L 2N 1 c ,
L 2L是 A(t)的0 点. c
2. 分母为0 的 点:
sin[1 t] 0 1 t m ,
2
2
m 0,1, 2,3...... t 0, 2L , 4L ,L 2Ln
cc
c
观察分母为0时，分子的值。
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
(2N+1)倍。思考：显然模式数越多，光强越大，那么如何增多模式数？
(1)腔长越长,(2)荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就
越大。——思考：由此推知第五章光纤激光器的优点。
比如对于钕玻璃激光器，在3*10^12Hz的荧光线宽范围内，腔内可有上万个纵模，
因此峰值功率极大。
q
sin[1 (2N 1)t]
lim A(t)max
E0
t m
2 sin 1 (t)
(2N 1)E0
2
2
3.脉冲的宽度 (τ)
c
L
按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大
值和0点之间的时间来表示。
t=0 为极大值 , 第一个0点:
t 1 2L 2N 1 c
所以
t1
1 2L 2N 1 c
q
•
c
2L
v3
由于“破坏性”的干涉叠加，形成
Байду номын сангаас
的光波没有一个地方有突出的加强，
输出的光强只在平均光强的基础上
有一个小的起伏扰动。
如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如φ1 =φ2 =φ3，
即按关系 q1 q 0 锁定， 此时三个光波的方程为
E1 E0 cos(2v1t) E2 E0 cos(2v2t) E3 E0 cos(2v3t)
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。
假设有三个光波，频率分别为v1 v2 和 v3，沿相同方向传播，并且有如下
关系：
v2 2v1,
v3 3v1
，在未锁定时，初相彼此无关。
E1 E2 E3 E0
v1 v2
q阶纵模频率可以表达为： q
c 2L
2.周期 (T)
相邻脉冲峰值间的时间间隔
T 2L c
图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9)
激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。
t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。在两个相邻主脉冲之间，共 有2N个零点，意味着2N +1个模式锁定在一起。所以锁模振荡也可以理 解为只有一个光脉冲在腔内来回传播。
钛宝石 (800nm)
~1014
fs
问题：对于普通激光器，工作物质谱宽太宽，意味着什么？
对于锁模激光器，宽带宽意味着什么？
超连续谱的获得——人为增加激光器带宽。
总结
锁模（锁相）的定义：
在非均匀加宽激光器中，如果腔长足够长，一般总是多纵模工作的，但各个纵模间 没有（也不可能有）确定的相位关系，锁模的作用只是使个纵模间具有确定的相位 关系。
记住锁模原理的四个字：宽谱同相
锁模技术：
指在激光器内不同振荡纵模之间实现位相锁定，以期获得规则的超短脉冲序列的专 门技术。
主动锁模：给调制器施加的射频信 号提供了相位或频率调制而导致锁 模。如果谐振腔内有合适的非线性 器件，或者从外部驱动光调制器， 这些无规则的扰动就可能装换成循 环在谐振腔中相位规则且功率很大 的单脉冲。 被动锁模：辐射本身与被动非线性 器件共同产生周期性调制，导致轴 向模有固定的相位关系。
4.7.2 锁模技术——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。须采取措施强制各纵模初位相保持确定关系,实 现各个纵模振动同步。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
在谐振腔内插入一个调制频率v=c/2L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，叫做主动锁模。
问题：已知钕玻璃激光器（中心波长1059nm）的振荡谱宽， 试估算钕玻璃激光器的极限脉宽。
谱宽——带宽（线宽）——脉宽
激光器类型
荧光线宽（s-1） 荧光线宽的倒数(s) 脉冲宽度（测量值）(s)
氦氖 Nd:YAG
1.5×109 1.95×1011
6.66×10-10 5.2×10-12
～6×10-10 7.6×10-12
锁模激光也是研究超快，超强科学的主要工具。
例: 1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好.
2.超快过程的研究，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. (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). 问题：思考钛宝石的脉宽极限？X射线激光有什么优点？
图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构, (a) 非锁模,（b)理想锁模
二、锁模的基本原理
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。——技术上如何实现姑且不论。
1.定义处于增益曲线中心频率的纵模 q＝0，因此在腔内参与振荡的模式个
3.对一些超强激光的需求,激光核聚变,激光引雷,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。
1飞秒（fs）=10-15秒
1飞秒相对于1秒———
200年中秒针嘀嗒一下的光阴
速度为每秒三十万公里的光在 1fs内只能走大约0.3微米的距 离。
平常把光叫做光束, 就是光的前后连成一条线。现在纳秒 脉冲的光束相当于一把尺子的长度。皮秒(10- 12秒) 光, 你 只看到一个“光片”。到飞秒级, 等于光的波打了一个滚儿, 只有几个波长。正在追求用几个波长的光脉冲对物质, 特别 是象核这样的物质进行研究。从这里我们可以看到激光对推 进认识世界所起的作用。
1. 损耗内调制锁模（振幅调制锁模） 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)
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
工作物质
损耗调制器 E1(t) E2(t)
E3(t)
图(4-31) 锁模调制示意图
q
c 2L
q
c
L
机理上理 解锁模为 什么比调 Q复杂。
➢从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理
上图中损耗调制器M为一电光调制器或声光调制器,加以适当的调制电压, 使腔的损耗发生角频率为Ω的周期性变化(Ω=2πvm)。由于损耗的改变,每 个模式的振幅也发生周期性变化。如果激光器中增益曲线中心频率 ν处0 的纵 模首先振荡,其电场强度为
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年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps） 量级，甚至到fs量级。)