锁模光纤激光器

锁模光纤激光器
主要内容：
激光器锁模原理 锁模激光器输出特性 锁模光纤激光器关键技术
激光器锁模原理概述
锁模技术
激光器输出一般是多纵模振荡模式，纵模之间的振幅与相位彼
此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，
则总光场是各个模式光场的相干叠加，输出为一超短脉冲。这种把 激光中各个纵模的相位关系锁定、形成脉冲序列的方法称为锁模。
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。
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。
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：
0-m 0 0+ m

主动锁模建立过程（频域）
如果使调制频率 m等于纵模间隔，则两个边频正好对应邻
近的两个纵模。同样这两个边频经过调制器后又会进一步产生
以它们为中心的另外两对边频，如此继续下去，就可以将增益 带宽之内的所有纵模都耦合激发起来。因此，锁模过程就是由
模式竞争中获胜的优势模通过调制器的作用，将其能量耦合到
激光总的电场强度表示为:
总的光强为:
可见，多个纵模相干叠加后，使能量聚集在一个峰值较高的波 包中，形成锁模脉冲，脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2n+1)倍。
非锁模与锁模激光输出对比
三个纵模随机振荡的情形
三个纵模锁模振荡的情形
主动锁模激光器工作特性
锁模脉冲的时间间隔为Δt =2L/c。由于2L/c恰好是一个光脉冲在 腔内往返一次所需的时间，所以锁模的结果可以理解为只有一个 光脉冲在腔内往返传播。而激光器的输出则是时间间隔为Δt = 2L/c 的规则脉冲序列。（重复周期，重复频率）
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
（如在腔内插入一个电光调制器），实现激光 纵模间相位锁定的锁模技术。 利用非线性元件对光强的依赖性，实现各纵模 间的相位锁定，进而产生光脉冲的锁模方式。
被动锁模
主被动联合锁模 将主被动锁模的特点相结合的一种会
和锁模方式。
多纵模激光器输出特性
主动锁模激光器输出特性
频域
（光谱） 输出经PD探测，输入频 谱分析仪上得到频谱
时域 （脉冲）
主动锁模建立过程（时域）
通过调制腔损耗
实现主动锁模示意图
在激光器腔内插入强度调制器，对腔损耗进行调制。由于激光器
在损耗最低时发射较强的光，激光在腔内往复传播，当调制频率等于 相邻两纵模之间的角频率间隔或者是它的整数倍时，初始产生的细微 的强度差别不断被增强，导致最终产生稳定的锁模脉冲序列。


非线性 吸收
P t
非线性 放大
P t


被动锁模技术
被动锁模光纤激光器
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被动锁模光纤激光器
被动锁模光纤激光器
被动锁模光纤激光器
被动锁模光纤激光器
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）
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
主动锁模建立过程（频域）
从频域上看，在激光器腔内加入主动强度调制器，对腔内光场 进行调制，则输出电场强度可表示为：
上式中M为调制系数，m为调制频率。该式表明角频率为0的 纵模经过损耗调制后，除了原有的频率为0的模式外，还在附近激 发了两个边频振荡，其频率分别为 0-m 和 0+ m ，它们与 频率为0的模有相同的初始相位。