锁模光纤激光器
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。
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。
近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。
光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。
它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。
1.光纤激光器工作原理光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。
光纤激光器的基本结构如图1所示。
掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。
当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。
反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。
从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。
激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。
光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。
例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。
激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。
光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。
三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
《光纤激光器》PPT课件 (2)
光纤激光器根本原理
光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介 质，使光子得到反响并在增益介质中进展谐振放大的光 学谐振腔和鼓励光跃迁的泵浦源三局部组成。
光纤激光器的开展
1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他 们用 MCVD方法制作成功单模光纤激光器 ,此后他们先后 报道了光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放 大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL )于 1987 年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置, 同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的根底 工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线 方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活泼在 这个研究领域 ,如德国汉堡技术大学 ,日本的 NTT、 三菱 , 美国的 贝尔实验室 ,斯坦福大学等。
共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一 局部通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一局 部被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所 以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件， 就可以获得连续的受激光发射。
3．功率源
为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中 激光材料的增益到达阈值增益，也就是说要使粒子 数反转到达一·定的程度，称为阈值反转密度。
Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54 m发射谱线，与Nd激光 器一样，用0.514 m的激光泵浦，便可产生振荡，其荧 光光谱有1.534和1.549 m峰，寿命8—12ms。 Er激光 为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难， 但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。 插入衍射光栅，也可在1.53—1.55 m范围内实现波长可
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。
3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器以及高功率中红外超连续谱光源中期报告
3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器以及高功率中红外超连续谱光源中期报告
本文介绍了关于3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器以及高功率中红外超连续谱光源的中期报告。
首先是关于3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器的研究。
该激光器的实验室搭建已经完成，并且测试了不同的反射镜对于激光器性
能的影响。
实验结果表明，使用反射镜反射的光将会返回到激光器中，
这会导致激光器成为一个时变光学系统，从而降低了激光器的效率。
因此，使用高透过率反射镜进行反射，可以有效地提高激光器的性能。
另外，我们还测试了不同的腔长度对于激光器的影响。
实验结果表明，适当增加腔长度可以有效地降低激光器的阈值，从而提高激光器的
功率输出。
接下来是关于高功率中红外超连续谱光源的研究。
我们已经完成了
光纤拉伸技术的研究，并且运用该技术成功拉伸了硅芯片，用于中红外
超连续谱光源的设计。
此外，我们还对超连续谱光源进行了系统的理论分析和实验测试。
我们发现，采用镶嵌在光纤内的有源材料和正交光相互作用的方法，可
以有效地扩展光谱范围。
在实验测试中，我们成功地获得了连续的谱线，并且光功率输出达到了高功率水平。
总的来说，我们的研究表明，采用调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光
器和光纤拉伸技术，可以实现高功率、高效率的中红外超连续谱光源，
具有广泛的应用前景。
8字腔结构
原理：附加脉冲锁模是一种典型的被动锁模技术,它首先是在固体激光器中实现的，后来被用于光纤激光器.它由主腔和附腔两个腔组成,主腔中有饱和增益介质，附腔中包含一段光纤，两个腔通过一个半反半透的介质镜耦合。
如果两个腔的腔长选择合适，从光纤附腔反射回来的脉冲进入主腔后会和主腔中原有脉冲在脉冲的峰值处相干干涉,而在脉冲的两翼没有相干叠加，这是因为脉冲峰值处和两翼在光纤中所获得的非线性相移不同.结果，脉冲的峰值提高了，而两翼衰减了，这样利用光纤中的非线性相移可以实现等效饱和吸收被动锁模。
NALM或NOLM被动锁模就是利用NALM或NOLM形镜作为附腔，通常采用“8”字形腔体，所以通常又称之为“8"字形被动锁模光纤激光器,如图3—6所示.非线性放大环形镜锁模的工作原理是：入射光通过3dB光纤耦合器分成传输方向相反、强度相同的两个部分，由于受到与强度相关的自相位调制和交叉相位调制等非线性效应的作用光在NALM内往返一次会产生非线性相移,而EDFA 的不对称放置导致传输方向相反两部分光所获得的非线性相移量不同，而且相位差不是一个常数，而是随脉冲色散形状变化.如果将NALM调节到使脉冲的中央较强部分的相移接近π或π的奇数倍，则脉冲的这部分能量被透射，而边沿部分由于其功率较低，所得相移较小，从而被反射。
总的结果是，从NALM输出的脉冲要比输入脉冲窄，因而从功能上讲，NALM的作用与快速可饱和吸收体类似。
其主要优点在于,光纤非线性效应的电极化起源决定其响应速度可以达到飞秒量级。
图3—6是一个典型的非线性放大环形镜结构示意图[3］。
实验设计：如图3-7给出了我们设计的“8"字腔光纤激光器的实验示意图。
一个3dB的耦合器将激光振荡腔和一个NALM连接起来构成“8”字形激光器。
激光腔包括一段长2米、铒离子掺杂浓度为2280ppm的掺铒光纤作为增益介质，两个980/1550 WDM来双向泵浦掺铒光纤，这样的结构可以提高980nm光的吸收。
非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器自动锁模电路
ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ — — ｌ ｏ ｃ ｋ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｎ ｒ ｅ ａ ｌ ｔ ｉ ｍｅ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ａ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｍｏ ｄ ｅ —
第 ２ ｌ 卷
第 １ ２期
光 学 精 密 工 程
Ｏｐｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏｎ Ｅｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｖ ｏ１ ． ２１ ＮＯ．１ ２
Ｄｅ ｅ ．２ ０１ ３
２ Ｏ １ ３年 １ ２月
文 章编 号 １ ０ ０ ４ — ９ ２ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） １ ２ ２ ９ ９ ４ ０ ７
非线 性偏 振 旋 转 被 动锁 模 光 纤激 光 器 自动 锁 模 电 路
易 波， 贾 文， 徐 军 ， 陈国梁， 梅 理
（ 中国科学技术大学 物理学院， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ２ ６ ）
摘要 ： 针 对 基 于非 线 性 偏 振 旋 转 （ ＮＰ Ｒ） 原 理 的 被 动 锁模 光 纤 激 光 器 稳 定 性 差 和 不 能 自行 进 入 锁 模 状 态 的 问题 ， 本 文 设 计 了 自动 锁 模 电路 ， 用 于 对 激 光 器 进 行 实 时 调 控 以 获得 稳 定 的 锁 模 输 出 。该 项 设 计 利 用 高 速 光 电 探 测 器 （ Ｐ Ｄ） 将 ＮＰ Ｒ 被 动锁 模 光 纤 激 光 器 输 出的 光 信 号转 化 为 电脉 冲信 号 ， 经过线性放大 、 整形处理后输 出至单片机进行 计数 ； 单 片 机 根 据 快 速 锁 模 判 定 算 法 判 断 该 激 光 器 的输 出状 态 ， 并 自动 反 馈 调 节 加 装 在 光 纤 激 光 器 上 的 电 控 偏 振 控 制 器 （ Ｐ Ｃ ） ， 从 而 实 现 激 光 器 的锁 模 稳 定 状 态 输 出 。实 验 结 果表 明 ， 对于重复频率为 ６ ． ２ ３ ８ ＭＨｚ的 Ｎ Ｐ Ｒ被 动 锁 模 激 光 器 ， 自动 锁 模 电 路 能 够 在 ６ ｍｓ内检 测 到 失 锁 状态 ， 在最长 １ ｏ ． ２ ４ Ｓ内 自动 搜 索 达 到 稳定 锁模 工作 状 态 。对 于 重 复 频 率 在 １ ６ Ｍ Ｈｚ 以下 的 Ｎ Ｐ Ｒ被 动 锁模 激光 器 ， 自动锁 模 电 路都 能 够 快 速 地 实 现 自行 启 动 或 将 启 动 后 因 故 失 锁 的状 态 调 节 回锁 模 状 态 ， 达 到 预 先 的 设 计 要求 ， 具 有结 构 简单 、 成本低 、 功耗低及性能稳定等优点。
锁模激光器的产生原理
锁模激光器的产生原理
锁模的基本原理，就是激光器内放置损耗调制元件，假设激光器
的腔长时L，则激光器的震荡频率为c/2L。
调制元件的调制周期刚好是光脉冲在腔内一周所需要的的时间2L/c。
因此在谐振腔中往返运行的激光束在通过调制器的时候，总是处在相同的调制周期内。
假如调制器放在谐振腔的一端，再假设t1时刻，某一光信号受到的损耗是a（t1），则，这一信号在腔内往返一周后，将受到同样的损耗，若a（t1）≠0，则该信号在腔内往返一次则遭受到一次损耗，如果损耗大于增益的话，在信号最后会衰减为零，该部分光消失。
而a（t1）=0时，光每次通过衰减器的损耗为零，加上光波在腔内工作物质中的放大，光会不断得到放大，光波振幅不断变大。
如果腔内的损耗和增益物质控制得当，就可以产生脉冲周期为2L/c的脉冲序列输出。
现假设在增益曲线的中心处的纵模频率为v0，由于它的增益最大，首先得到振荡，通过调制器时，受到损耗调制，调制的结果是产生两个边频v0+/—vm，当损耗的变化频率和腔内纵模的频率间隔相等时，即vm=c/2L时，由调制激发的边频实际上与v0相邻的两个纵模频率相等，它们之间具有相同的振幅和相位关系，它们可以开始震荡。
而后，两个边频开始被放大，得到调制，调制后又激发新的边频，以此类推达到了锁模的目的，这些模式叠加起来发生剧烈的耦合，形成了强而窄的光脉冲序列。
彭亦超2.28。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
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
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
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。
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。
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
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。
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。
若共有（2n+1）个纵模，则激光的电场强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
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）