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”
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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
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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
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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 .
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28.1 概述
n 1 2nL 1 L 2h h 1 c t c t 2L 最终有t ，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 c c c L( ns ) t 0.15m L( ps ) t =0.15mm L( fs ) t 0.15 m 2 2 2 在技术上不可能实现如此短的谐振腔。




1 峰值（最大值） Amax lim A( t ) t lim A( t ) (2 N 1) E0 t 0 2 / q 两个极大值之间存在2 N 个零点和2 N 1个次极大值。
2 1 2L 等于腔内只有一个脉冲， 2 周期性 T q q c 往返一次输出一个脉冲。




2N 1 sin q t 2 A t E0 1 sin q t 2




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28.3 锁模原理
E t E0 cos 0 qq t 0 A t cos(0 t 0 ) q N
1 1 (2 N 1) q g
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
1 cos q t T
2

T 0
1 cos q t dt T
2

T 0
1 1 1 cos 2 q t dt 2 2


N 1 2 由以上各式可以得到光场的平均光强为：I Eq I q 2 q N q N 即为光场各纵模光强之和。
目前已达到1015 W 量级的峰值 生有极高峰值功率激光输出， 功率和1020 W / cm 2的光强。
超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学以及激光 光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重 要手段，为人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端的 物理条件。
就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒时代进入阿秒时代。 就空间角度而言，空间分辨率已经从微米向纳米发展。
高带宽：光脉冲的脉宽和其带宽乘积为相同数量级，脉宽缩
100 短，则带宽增加。 fs的脉冲宽度其带宽达到了10THz，最 短的可见光波段超短激光脉冲的带宽已经包含了大部分可 高带宽在光通信方面非 见光光谱区，看起来象白光一样。
常重要。
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28.1 概述
高功率激光：激光器输出功率提升意味着体积的增加，也意 味着费用的增长， fs技术可以用中等输出能量的激光器产
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28.1 概述
1995年，钛宝石固体飞秒激光器产生的脉冲宽度降至8 fs
1996年，西安光机所的许林在奥地利产生了7. 5 fs的超短激光 脉冲
1996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 fs的记录
1998年, 西安光机所的程昭则在奥地利利用亚毫焦耳的25 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。
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 E0 0 0 A t cos 0 t 0 1 sin q t 2
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28.2自由运转多纵模激光器
纵模间隔为 q，设振荡增益带宽为 g，则腔内能够振荡的 g 则腔内每个纵模的光电场为 纵模数为2 N 1 1， q 向下取整 Eq ( t ) Eq cos q t q


腔内总的 光电场为：
激光原理与技术
第二十八讲 锁模原理 主动锁模技术
28.1 概述
激光技术的一个重要的发展方向就是不断获得更窄脉宽的激 光输出，调Q技术所能获得的脉冲宽度有其极限：
由图中可知，光子封闭在谐振腔中，L为谐振腔的几何长度， 则光子的空间测不准量为x L。
光子在谐振腔中往返振荡，其动量测不准量为 h n h h k k Px k k 2k 2 c 2 h 2 n 1 t E h t h Px 2h 2 t c t
1986年,中科院西安光机所的陈国夫在英国进修期间，利用对 撞锁模环形染料激光器创造了19 fs的当时国际最短记录。
1990年，国际上出现了被动锁模钛宝石飞秒激光器.
钛宝石增益带宽宽,因而调谐范围宽 650～1100 nm , 适用于产生超短脉冲 理论上可以支持产生3 fs的脉冲 ,由它构成的飞秒激光器可靠性高、使用 方便, 掀起了国际上发展飞秒激光技术与应用飞秒脉冲的热潮.
这些都是当时的国际最高指标。
目前正进入as 1018 s


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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。


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28.3 锁模原理
激光锁模技术将采取相应的措施，使得各纵模之间具有确定 的相位关系，纵模相互耦合，间距严格相等，从而实现光电 场的相干叠加。
d 即如果采用某种技术，满足 q 1 t q t const .， dt
可以得到： q 1 t q t q t q ,
g c / 2L
2 L
c g
即至少三个以上纵模才能锁定，
而且有最小腔长的限制，Lmin =c / g。
q m const . d q 1 t q t const . q 2、 dt q 1 q const . 0
1 T cos q t cos q t cos q t cos q t dt T 0 1 T cos q t q t cos q t q t dt 0 T 0 N
为非同步辐射。
在通常条件下，多纵模自由运转激光器的输出光强为各纵模 光强的之和，是各纵模光电场无规则，非相干叠加的结果。
对于无规则变化的光场，讨论其瞬时光强I t 意义不大，一 般讨论其平均光强。
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28.2自由运转多纵模激光器
光场的平均光强
I t E t
2 q N

N
Eq cos q t
q N

N
Eq cos q t
2 Eq cos 2 q t 2 Eq Eq cos q t cos q t q q q q
对于上能级寿命非常短的激光器，因为不能实现上能级粒子 数的积累，也达不到好的调Q效果。
3
x Px h x L n 1 Px 2h c t
28.1 概述
锁模技术突破了调Q技术的限制，利用“同步”相干的受激 辐射，实现了超短脉冲输出。
锁模（Mode Locking）技术以在多纵模激光器中实现各纵模 之间相位差恒定，模式锁定，纵模间隔严格相等，产生同步 能够趋近测不准原理所确定的频宽与脉宽 的受激辐射为基础， 的付里叶变换极限，接近激光介质增益线宽所决定的最小脉冲 宽度。
E t



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28.3 锁模原理
现在讨论 2 N 1 3 情况下的脉冲包络:
A3 t =E0 E0 cos q t E0 q t
I 3 A3
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28.3 锁模原理
锁模脉冲特性
2N 1 sin q t 2 A t E0 1 sin q t 2
即各纵模间隔严格相等以及各纵模之间相位差恒定 一般为0
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28.3 锁模原理
二、等振幅近似下锁模脉冲特性
假设各纵模振幅相等:Eq E0；初始相位相同： q 0，
则第q个纵模为：Eq E0 cos q t q E0 cos 0 qq t 0
锁模技术是目前产生超短激光脉冲的最重要、最有效的方法。 实现锁模的方法主要有主动锁模，被动锁模和自锁模三种。
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28.1 概述
一、锁模技术的发展
脉冲激光技术自1965年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒级脉 冲而进入超短范围以来，发展十分迅速。 20世纪70年代中出现了对撞锁模环形染料激光器, 使激光脉冲 的宽度进入飞秒范围。 80年代中，对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了27 fs。
3 脉冲宽度： 极大值和第一个零点之间的时间间隔 即Amax A 0
2N 1 sin q 0 2 2 1 1 (2 N 1) q (2 N 1) q g


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28.3 锁模原理