激光原理与技术（华中科技大学）第28讲锁模原理有源锁模技术

第28课锁模原理有源锁模技术28.1激光技术的重要发展方向是连续获得脉冲宽度更窄的激光输出. 可以通过调制技术获得的脉冲宽度有其局限性: 高水平寿命非常短的激光器，因为它们无法在较高能级上积累粒子数量，也无法达到良好的调谐效果. 该技术可获得的脉冲输出宽度限制为28.1. “同步”相干锁模技术突破了调制技术的局限，并利用辐射来实现超短脉冲输出. 模式锁定技术用于实现模式锁定和纵向模式间隔严格相等. 基于相位差的恒定同步，锁模技术是当前产生超短激光脉冲最重要和最有效的方法. 主动锁模可以接近由不确定性原理确定的带宽和脉冲宽度的傅立叶变换. 极限接近于由激光介质增益的线宽确定的最小脉冲宽度. 28.1 1.锁模技术的发展自1965年以来，由于通过使用无源锁模激光器进入超短距获得超短距，脉冲激光技术得到了飞速发展. 碰撞锁定环形染料激光器出现在1970年代中期，使激光脉冲的宽度进入了飞秒范围. 在80 27 fs中，碰撞锁定环形染料激光器的脉冲宽度在19fs到达中国科学院西安光学所. 英国的陈国富使用碰撞锁定的环形染料激光创造了世界上最短的唱片.

1990 6501100 nmfs钛蓝宝石具有较宽的增益带宽，因此具有较宽的调谐范围. 它适用于产生超短脉冲. 由它组成的飞秒激光器理论上可以支持产生的脉冲. 它高度可靠且易于使用. 它掀起了飞秒激光技术的国际发展. 随着飞秒脉冲28.1 1995 fs的应用激增，钛蓝宝石固态飞秒激光器产生的脉冲宽度减小到1996 fs. 奥地利XIOPM的许琳于1996年从西安光电学院的魏志义博士毕业后产生的超短激光脉冲创造了荷兰全固态腔空压缩的记录. 1998 fsfs脉冲产生了很强的白光连续体，并压缩了超宽带chi反射镜腔的近红外部分，以获得最佳效果. 这些是当时最高的国际指标. 18 10目前正在进入28.12. 超短脉冲特性ps fs超短脉冲的脉冲宽度甚至更短，可以用作测量固体物理学，化学，生物材料和其他领域中超快物理过程分辨率的工具: 定量工具. 超短光脉冲的空间长度是脉冲宽度和光速的乘积. 随着光脉冲宽度的缩短，空间长度也被连续缩短，并且已经达到微米的数量级. 这是显微成像中的空间分辨率: 非常有用. 光脉冲的脉冲宽度与其带宽的乘积是相同的数量级，并且脉冲宽度随带宽而减小: 宽度增加. 100 10 fs THz脉冲宽度的带宽达到可见光波段. 超短激光脉冲带宽已经包含了大部分可见光谱，看起来像白光.

高带宽在光通信中非常重要. 28.1增加激光输出功率意味着增加体积，但也意味着高功率激光器: 随着使用的增加，fs技术可以使用中等输出能量的激光器产生非常高的峰值功率激光输出. 15 20 1010 cm已达到强度和光强度的峰值. 超短脉冲技术是物理学，化学，生物学，光电，激光光谱学和其他学科研究微观世界并揭示新的超快过程的重要手段. 它为人类提供了前所未有的新实验方法和极限物理学. 条件. 就时间尺度而言，可以说人类已经从飞秒时代进入了阿秒时代. 从空间角度看，空间分辨率已从微米发展到纳米. 28.2向下调整垂直模式间隔，并设置振荡增益带宽，然后可在腔中振荡的纵向模式编号为coscos. 光电场为: 28.2多纵向模式激光器具有以下输出特性: 1.与线性偏振有关的色散效应；当纵向模式间距不严格相等时，该激光器具有“拉频”效应: 2.有由异步受激辐射引起的纵向模式之间没有确定的相位关系. 每个纵向模式的初始相位是随机分布的: 4.每个纵向模式非相干叠加: constdt dt，外部温度变化，机械振动和光学腔标准具效应以及其他随机条件会导致光频率波动，并且“色散引起的纵向模态随机引起分布的随机分布，对于不规则变化的光场，讨论其瞬时光强度和一般讨论其平均光强度意义不大.

所产生的光场将在时域中随时间不规则地波动. 它属于非相干叠加，没有干扰项. 它是非同步辐射. 多纵向模式自由运行激光器的输出强度是在通常的非相干条件下纵向模式叠加的结果. 28.2 cosco cos cos cos cos cos cos cos cos光场的平均光强度可以从上式获得: 它是光场的纵向模态的光强度之和. 光场28.3 constdt的平均光强度是恒定的，这意味着激光器的纵向模式之间的同步输出，即锁模，锁模技术是要实现纵向模式之间的同步. 纵向模式之间存在确定的相位关系. 纵向模式彼此耦合. 远距离激光锁模技术将采取相应措施进行干式叠加. 时域中的这种“干扰”效应将导致输出具有相反线宽的超短激光脉冲. 实时域中的“干扰” 28.3 1.锁模条件是至少可以锁定三个纵向模式，constdt为纵向模式间隔严格相等，并且纵向模式之间的相位差通常为常数constconst 28.3二，等幅近似下的锁模脉冲特性纵向模式幅值相等: 假设代表载波是调制包络中子（现在在讨论中为28.316）脉冲包络: 28.3模式-的峰值（最大值）锁定脉冲特性仅等于空腔中的一个脉冲，并且一次输出一个脉冲.

两个最大值之间有零点和次最大值. 所有同相，相干叠加的纵向模式共同贡献了相干叠加的锁模脉冲. 38.3. 高斯分布锁模脉冲特性高斯分布的中心频率对应于纵向模式间隔. 激光器的纵向模式是expln2 expln2 28.3. 上式可以写成: expln2 expln2 exp expln2可以通过逆傅立叶变换得到，有: expln2 8ln2 expln2 8ln ln24ln2 ln2ln时域半功率点脉冲宽度可以写成: expln2比较上面两个公式，我们可以得到: 2ln2 0.441 2ln20. 441 28.3光场的平均光强度为expln2 expln2 expln2 expln2 28.3峰值功率对于不同的线性分布激光锁模脉冲，带宽积不同. 当纵向模式间隔和相位被锁定时，激光脉冲的脉冲宽度带宽乘积是恒定的. 激光介质的增益线宽决定了最终的锁模脉冲宽度. PS例如: 钕玻璃介质，锁模可以获得数量级为HeNe ns的超短脉冲. 对于激光，无法获得小于的脉冲. 根据锁模方法的不同，可以分为主动锁模和被动锁模28.4. 1.原理往返后通过调制器的光信号损失，这部分光信号的损失就是时间. 一旦接收到一个周期小于信号增益的信号，该信号的光强度就会变得越来越强，最后留在空腔中的信号会来回振荡，形成一个锁态脉冲，脉冲非常窄宽度.

1. 时域分析28.4 26由超声波驻波形成的折射率光栅的变化由频率驱动的超声波驻波场可以调制调制光电场. 腔内产生的光波被声光调制器衍射，损耗大于增益，超声场消失并振荡. 在腔体中的往返行程中仅输出一个满足锁模条件的光脉冲. 28.4 2.频域分析假设由于最大增益，增益曲线中心处的纵向模首先开始振荡，腔中的光场为: 要产生的两个侧边频率，如果是，则是两个边边频率频率恰好是三个纵向模式初始位置模式是相同的. 重复此过程，并且腔中所有纵向模式的初始阶段都相同，满足模式锁定的要求. 28.4其次，锁模脉冲宽度Kuizenga Siegman使用自洽分析方法来获得均匀加宽的锁模激光器到实际脉冲宽度解. 这个想法是: 在振荡腔中循环的单个高斯脉冲开始，然后确定每个腔元件在通过腔时如何改变脉冲的形状和幅度. 一次使脉冲来回穿过腔体后的波形与原始脉冲波形一致，从而获得稳态脉冲特性. 所需的自洽解可以给出锁模脉冲宽度和频谱宽度的表达式. 实际激光模式的振幅不相等，并且与增益曲线的形状有关. 振荡模式不一定全部锁定. 有源锁模激光器中的锁相模数与调制强度有关.

28.4通过增加调制深度和增加调制频率，可以获得窄的脉冲宽度. 在不失谐的情况下，通过对均匀加宽的激光器的锁定特性的自洽分析自锁模原理，可以得到锁模脉冲宽度的计算公式: 2ln2 0.441 AM AM是谐振腔的增益因子，是激光器增益线宽，是锁模激光器的典型调制系数minAM min0.1 0.5 100 10 MHzPS Nd YAG的数量级. 28.4 maxmin maxmin cosAO 0.30.3 0.18例如: 那时可以得到28.4. 3.结构声光损耗调制锁定膜激光器的装置如图所示. 布拉格采用声光衍射方法，声光调制器位于靠近反射镜的一端，声光介质紧紧贴在换能器另一侧的超声反射介质上，并且长度沿超声波场传播方向的介质严格等于超声波半波长的整数倍，从而形成超声波驻波；驻波装置的使用是声光锁模和声光锁之间的重要区别. 28.5 LN相位调制的作用可以理解为频移，它将光波的频率移向高或低方向. 每次脉冲通过调制器时，都会发生频移，并最终移至增益曲线之外. 而且，激光信号中的纵向模因频率而偏移，因此不再与谐振腔的纵向模一致，并且也将被抑制. 仅在此刻通过调制器的光场不会发生频移并不断放大，最终形成锁模脉冲.

是频率不变点，可以产生两个系列的脉冲序列. 一个脉冲序列是另一脉冲序列. 根据贝塞尔（Bessel）相位调制分析，每个纵向模式电场都具有功能形式，并且包含其他纵向模式电场的分量，从而实现了模式耦合. 28.5 LN ln20.624 PM PM是谐振腔的增益因子，激光增益线宽和调制因子. 相位调制脉冲宽度是幅度调制脉冲宽度的两倍，这表明主动模式锁定无法生成具有带宽限制的超短脉冲. 28.5 LN铌酸锂晶体为负单轴晶体，其电光系数矩阵为: 轴加电场，可获得22 13 22 13 33 51 51 22 rjLN 1213 12 33 8.6 10 30.610如果水平使用，则设置以光的方向为轴，然后可以选择入射光的偏振方向来选择轴的偏振方向，以获得最可调的主轴方向和系统系数. 28.6调制器可以是声光损耗（驻波场），电光相位，电光损耗. 有源锁模激光器中所有光学组件的要求应比普通激光器调制更严格. 端面的反射率必须控制到最小. 每个组件的反射端面应切成布鲁斯特角，倾斜放置或涂防反射涂层，反射镜子为楔形. 调制器应放置在尽可能靠近腔镜的位置. 沿光透射方向的调制尺寸的尺寸应尽可能小. 调整相位或调制模式锁定28.6稳定性措施改善泵源的稳定性，并消除冷却液的不均匀流动和温度波动. 最好使用半导体泵浦以及精确的半导体冷却和空气冷却. 使用对热不敏感的空腔类型，并且使用热膨胀系数小的银钢或大理石作为光导自锁模原理，以将外部与外部隔离和隔离. NdYAG允许小于的偏差，等于腔长度的变化必须小于使用电子反馈，实时跟踪，闭环控制，伺服装置. 基本思想是利用激光输出信号变化产生的误差信号来校正驱动振荡频率或校正腔长.

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