第八讲 激光技术三：锁模、选模、稳频

1、第八讲 激光技术三一、锁模技术二、选模技术三、稳频技术1采用调Q技术可以获得脉冲宽度小、峰值功率高的激光输出。Q开关激光器一般可使脉宽达到10-8s - 10-9s量级，如果要再压缩脉宽，调Q技术已经无能为力，但有很多实际应用需要更窄的脉冲。例如: 激光测距 （为了提高测距的精度，脉宽越窄越好。） 激光高速摄影 （为了拍摄高速运动的物体、提高照片的清晰度，需要压缩脉宽。） 对一些超快过程的研究 （激光核聚变、激光光谱、荧光寿命测定、非线性光学等研究需要窄的脉宽。）1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-1110-14s量级。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。一、

2、锁模技术2（一）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。假设在激光工作物质的净增益线宽内包含N个纵模，每个纵模输出的电场分量表示为：那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即：其中，A0q、q、 q为第q个模式的振幅、角频率及初位相。3各个模式的振幅、相位均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们无规叠加的结果,强度随时间无规则起伏。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，输出光强只在平均值基础上有一个小的起伏扰动。假设有三个光波，沿相同方向传播，频率分别为v1、v2 和v3，且满足关系 在未锁定时，它们的初相彼此无关。4如果设法使三个光波在

3、某时刻有固定的相位关系，例如 1 = 2 = 3 = 0，则三个光波的方程为由于“建设性”的干涉叠加，形成的光波周期性地出现极大值。当 t = 0 时,当 时,5 如果采用适当的措施使那些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系(q+1 - q =常数)，那么激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲，这就是说，该激光器各模的相位己按照q+1 - q =常数的关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。6非锁模和理想锁模激光器的信号结构非锁模 理想锁模7 -5 -1 0 1 5 N=5, 2N+1=11下面分析激光输出与相位锁定的关系

4、。为运算方便，设多模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅A0，超过阈值的纵模共有2N十1个，处在介质增益曲线中心的模角频率为0，初相位为0，其模序数q=0。以中心模作为参考，各相邻模的相位差为 ，模频率间隔为 ，假定第 q 个振荡模为 8激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：利用三角函数求和公式并经运算，可得式中9由此可知，2N+1个振荡的模经过锁相以后，总的光场变为频率为0 的调幅波。振幅(t)是一随时间变化的周期函数，光强(t)正比(t) ，也是时间的函数，光强受到调制。按傅里叶分析，总光场由2N十1个纵模频率组成，故激光输出脉冲是包括2N十1个纵模的光波。下图给出了N=3时的输出光强

5、曲线。 10 输出脉冲的峰值（最大光强） 当 时，输出光强最大。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长,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。11 周期T 相邻脉冲峰值间的时间间隔 2L/c 等于光在腔内往返一次所用的时间，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。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。12 脉冲的宽度为激光器的带宽。 采用增益线宽大的工作物质进行锁模对压缩脉冲有利。气体激光器谱线宽度较小，其锁模脉冲宽度约为纳秒量级。固体激光器谱线宽度较大，在适当的条件下可

6、得到脉冲宽度为10-12s量级的皮秒脉冲。钕玻璃激光器的振荡谱宽达2535nm，其锁模脉冲宽度可达10-13s。 被锁定的纵模数越多，脉宽可以被压缩得越窄。131、主动锁模 主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。2、被动锁模 产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模。3、自锁模当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。（二）锁模方法14 主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。 根据调制的原理，可分为相位

7、调制(PM)锁模及振幅调制(AM)锁模。1、主动锁模15利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模。设在某时刻t1通过调制器光信号受到的损耗为(t1)，则在脉冲往返一周 时，这个光信号将受到同样的损耗， 。如(t1) 0，则这部分信号就会消失。而在损耗(t1) 0时刻通过调制器的光，将形成脉宽很窄、周期为2L/c的脉冲序列输出。（1） 振幅调制锁模 16式中M = Em / E0为调幅系数,其大小决定于调制信号的大小。将上式展开得设前面图中的损耗调制器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 的周期性变化。如果激光器中增益曲线中心频率 处的纵模首先振荡,其电场强度

8、为振幅调制的基本原理分析17可见，调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有角频率v0的成分，还含有角频率为(v0vm)、初位相不变的两个边带，其频谱如下图所示。因调制频率vm正好等于相邻两纵模模频率，这就是说，在激光器中，一旦在增益曲线的某个角频率v0形成振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡。并且，这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新的边频，因而激起角频率为(v02vm)模式的振荡。如此继续下去，直至线宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止。所有这些纵模相干叠加，形成锁模脉冲输出。18 相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器，当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，便

9、有不同的相位延迟。下面以铌酸理(LN)晶体相位调制器为例予以说明。 式中，n0为寻常光折射率； ne为非常光折射率；13和33为电光系数；Ez为在z方向施加的电场， 设光沿y方向传播，沿z方向施加调制信号电压，即采用横向运用方式，则晶体的折射率（2）相位调制锁模 19 式中，d为z方向晶体的长度；V0为外加电压振幅；m为调制角频率。如果晶体在y方向的长度为l，则光波通过晶体后产生的相位延迟为(设电矢量与z轴平行） 由于频率的变化是相位变化对时间的微分，故 20相位调制器的作用可理解为一种频移，使光波的频率发生向大(或小)的方向移动。脉冲每经过调制器一次，就发生一次频移，最后移到增益曲线之外。类

10、似于损耗调制器，这部分光波就从腔内消失掉。只有那些与相位变化的极值点(极大或极小)相对应的时刻，通过调制器的光信号，其频率不发生移动，才能在腔内保存下来，不断得到放大，从而形成周期为2L/c的脉冲序列。晶体折射率的变化n(t)、光波相位延迟及频率变化情况。21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：2、被动锁模第一，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。 22激光器通常是多模振荡，包括多纵模和多横模。前者按频率区分模数，后者按空间区

11、分模数。尽管谐振腔对纵模和横模都有限制作用，但是在有些情况下，还需要进一步选模，即选择特定的模式允许其振荡。极限情况下，将要求单纵模、单横模的振荡输出。二、选模技术激光振荡的条件是增益大于损耗，即 。如果使需要输出的模式具有小的损耗，满足振荡条件，而不需要的模式具有大的损耗，不满足振荡条件，则可达到选模的目的。23（一）横模选择激光在谐振腔内振荡的过程中，横向光强分布不均匀，在光束横截面上形成各种不同形式的稳定分布，这种稳定分布，称为横向模式。光阑法选模（1）小孔光阑选模（2）聚焦光阑法24（二）纵模选择1、短腔法缩短谐振腔长度以增大相邻纵模频率间隔，使得在荧光谱线宽度内只存在一个纵模振荡，从

12、而实现单纵模输出。2、色散腔法在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具反馈能力而被抑制掉。253、干涉选模法（F - P 标准具法）标准具：两面平行，镀高反射膜，厚度为d，材料的折射率为n 。26由于多光束反射，对满足 频率条件的光有极高的反射率(接近100%) 。式中c 为真空中光速，i2为平板中的折射角，k是正整数。27图（a）：不选模时有5个纵模，二模之间的间距为激光器的纵模间隔 。图（b）：标准具的透射曲线，在vk-1，vk，vk+1 有高透射率，且间距大于激光器的纵模间隔。图（c）：

13、5个纵模中只有一个能通过标准具，因而形成振荡输出激光的只有一个纵模频率。 28稳频的目的使频率本身稳定，不随时间、地点变化，稳频是实际的要求。1、频率的质量指标 （1）频率的稳定性 激光器连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率与该时间内频率的变化量之比，用 S 表示。三、稳频技术通常把 S 的倒数作为稳定度的量度29（2）频率的复现性 激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再现的精度，用R表示。频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂移，频率的再现性表示平均频率本身的变化。 302、影响激光频率稳定的因素频率的稳定性主要取决于折射率n和腔长L的稳定。 引起n，L变化的外界因素 温度变化的影响； 大气