6 飞秒光纤激光器
第六章 飞秒光纤激光器
稀土元素掺杂的单模光纤激光器诞生于80年代中期, 光纤孤子激光器也随后发明，真正稳定的超
短脉冲光纤激光器(20ps)出现在1989年[1]。近年来随着固体飞秒激光器的发展, 飞秒量级的光纤激光器
也已出现, 并成为飞秒固体激光器强有力的竞争对手。它的最大优点是小型化, 高效率, 省能源, 稳定性
好。具有这些优点的最大原因取决于稀土掺杂的光纤作为激光介质。首先，光纤介质细长、易于散热，
相同体积下，表面积比固体激光介质增大2～3个数量级；另外，光纤激光器的激光横模由光纤纤芯直
径和数值孔径决定，不会因热变形而变化，因此易于保持单横模运转；而现在，随着光纤技术的发展，
光纤具有了双包层结构，采用这种双包层结构，可以大大提高转换效率和输出功率；此外，光泵浦功率
在光纤内传输时，截面积不变，有利于保持高功率密度，有利于实现上转换激光，有利于三能级系统达
到高效率。飞秒光纤激光器甚至可以做成手掌大小。缺点是它的功率还很低(几毫瓦到几十毫瓦), 脉冲
还不够短(80~100fs), 波长还不可以任意调谐。
飞秒光纤激光器固然可以用一般的锁模方法, 例如调制器主动锁模, 同步泵浦锁模等, 但是最简单
最有应用价值的还是克尔效应型被动锁模和可饱和吸收镜被动锁模。本章中我们先简单回忆一下光纤
（包括普通单模光纤和双包层光纤）的基本特性，然后着重分析一下几种不同腔型结构的飞秒光纤激光
器及其锁模原理，最后介绍一下目前研究较为广泛的几种锁模光纤激光器。
6.1 光纤简介
光纤全称光导纤维，简单的说它是由纤芯、包层和涂覆层构成。光在光纤中的传播是靠全内反射原
理，即光纤纤芯的折射率要大于包层的折射率,如图（6.1.1）所示。根据光纤纤芯的折射率不同，光纤
又可以简单划分为两种结构：纤芯折射率一定的称为阶梯折射率分布光纤，简称SIF （Step Index Fiber ），
图(6..1.1)所示的就是这种光纤的折射率分布示意图；另一种是纤芯折射率随半径r 变化的光纤，称为渐
变折射率光纤，简称GIF(Graded Index Fiber)，常用光纤前一种居多。下面我们分析一下单模光纤，大
模面积光纤及双包层光纤的具体特征。
横截面轴截面折射率
图 6.1.1 单模光纤传播原理及折射率分布示意图。
6.1.1 单模光纤与大模面积光纤
根据柱坐标和柱面边界条件的麦克斯韦方程，光在光纤中可以传播很多横模模式。光在光纤中的传
播特性可以从柱坐标的波动方程得到，我们简单总结一下光纤的基本特性。
光纤的一个重要参数就是连接介质条件的归一化频率V 参数，定义为：
02221aNA n n a V λπλπ=-?=
(6.1.1) 其中n n n n NA ?=-=
222210，是光纤的数值孔径。V 是个无量纲的量，决定光纤可以支持多少个模式。它的意义是，除了HE 11模式，每个模式超过一定的V 值才能存在（每个模式都对应一个极限值）。
当k n 2=β时，这些模式都会截止，这个值就是405.2≤V 。当V 很大时，V 值也可以用来表示存在的
模式数目M ：
2)(2212
22212V n n a M =-??? ??≈λπ (6.1.2)
在波长确定的情况下，光纤V 参数取决于光纤的半径和折射率差。为了实现单模工作，就要慎选光纤直
径和折射率差。通常的光纤直径在5~6μm 左右。如果加大折射率差，单模工作时要求的芯径就会更小。
在极端情况下，例如空气包层，光纤的直径就会缩小到1~2μm 左右。这样细的纤芯是很难在空气中独
立存在的。事实上，空气包层是由在包层中“打”的无数孔来实现的，这就是所谓的光子晶体光纤（见第
11章）。包层的折射率是由空气所占的面积的比例决定的。大芯光纤可能工作在多模。但是如果纤芯
与包层之间有较小的折射率差，满足(6.1.2)式，较大芯径（例如20~30μm ）的光纤也可以工作在单模。
这种光纤称为大（单）模面积光纤（Large Mode Area, LMA ），以区别于大芯光纤。最近，大（单）模
面积光纤由于光子晶体光纤概念的提出而获得了极大的发展。包层中较少的孔可以等效为较小的折射率
差。对于传统的单模光纤，纤芯和包层的折射率差在0.2％至0.1％之间。纤芯直径应该选择为刚好在第
一个高阶模的截止条件之下，即，使V 稍稍小于2.405。例如，对于800nm 波长，光纤应该有6微米纤
芯直径和0.1的数值孔径。这样，V ＝2.356。满足单模运转条件。
6.1.2 双包层光纤与泵浦光的吸收效率
掺杂光纤作为光学谐振腔的主要组成部分，其结构对于光纤激光器的运转起着很大作用。早期的掺
杂光纤采用普通的单层结构(single-clad)。为了维持单模运转，光纤的芯径必须小于5μm ，这就与泵浦用
半导体激光器的大发散角和大聚焦面积之间发生矛盾，泵浦光很难耦合入纤芯，降低了泵浦效率。于是
有人在1988年提出泵浦光进入包层的思想，即双包层结构光纤(double-cladding fiber)的概念[2]。
以D 形光纤为例，双包层光纤是由四部分组成，其横截面如图（6.1.2）所示：
横截面轴截面
图 6.1.2 D 形双包层光纤截面示意图及泵浦示意图。
中间一部分内包层(Inner cladding)，也被称为泵浦芯（pump core ），它是一根具有较大直径和较高
数值孔径的多模光波波导，第二部分－纤芯是泵浦芯中嵌入一根掺稀土元素的光纤芯（laser core ）, 纤
芯的尺寸一般是泵浦芯的1/20，为几个或几十微米，成为单模的光波。第三部分是外包层,也称第一包
层（First cladding ），第四部分是光纤最外层的光固化涂层(Coating)。对于这种双包层结构的光纤来说，
泵浦光不是直接进入到纤芯中，而是先进入到包围在纤芯外部的泵浦芯中，而后在整个光纤长度上传输
的过程中，泵浦光都是从多模的泵浦芯耦合到单模的纤芯中的，从而延长了泵浦长度以使泵浦光被充分
吸收。内包层的作用有：1、限制和保证振荡激光在纤芯中传播，输出激光的光束质量高；2、构成泵浦
光的传播通道，3、内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯，内包层的尺寸一般大于100μm ，使得
聚焦后的泵浦光可以高效地耦合进内包层；4、普通单模光纤激光器要获得单模输出，泵浦光也必须是
单模的，但单模泵浦光功率非常低；双包层光纤激光器的输出模式是由其波导结构限制和决定的，高功
率的多模半导体激光泵浦，就可获得高功率单模激光输出。
这种简单、高效的耦合方式，使高功率半导体激光器产生的多模状态的泵浦光，有效地转化为具有
很好光束质量的高亮度激光。
为了能够得到更高的转换效率，半导体激光器输出的泵浦光必须以有效的方式耦合到掺杂光纤中。包层截面形状不仅决定了从半导体激光器到包层的耦合，也决定了从包层到纤芯的耦合效率。所以掺杂光纤的泵浦芯采用何种横截面，对于光纤激光器的转换效率有着很重要的影响。如果内包层的截面是圆形的，光在包层中的传播就会有很多螺旋光，与纤芯没有交叉，泵浦光就不能被吸收。
Reichel等人曾经计算得出光纤激光器的泵浦光转换效率随双层光纤长度的变化曲线[3]，如图（6.1.3）所示，其中每一条曲线对应着泵浦芯具有不同横截面形状的光纤。其中，曲线由上到下按照泵浦芯的形状分为：矩形（Rectangular）、D形(D-Shape)、椭圆形(Ellipse)、卵形（Kidney-like shape）形和圆形(Circular)。显然，泵浦芯具有矩形（由所示）和D形（由所示）横截面形状的光纤，其对应的光纤激光器具有较高的泵浦光转换效率，理论上可以达到80%。而泵浦芯为圆形的光纤，其对应的光纤激光器的转换效率最低，最大只能达到20%。因此，如何选择泵浦芯横截面的形状，从而获得更高的转换效率成为光纤激光器的设计过程中比较重要的环节。
图 6.1.3 不同泵浦包层截面对于泵浦光的吸收率。
由于半导体激光器输出的泵浦光具有矩形的横截面，泵浦光不能有效地耦合到泵浦芯横截面为圆形的光纤包层中，长方形内包层截面的双包层光纤成为首选。有实验获得光－光转换效率50％，连续光的输出功率5W[4]。
6.1.3掺杂类别
掺杂光纤（doped fiber）作为光学谐振腔的主要组成部分，其掺杂离子类别和浓度对于光纤激光器的运转起着很大作用。作为增益介质的稀土金属离子（如Er3+、Nd3+ 等离子）是以10ppm~103ppm的浓度和一定的分布掺杂于以SiO2为主要成份的纤芯中。掺杂的稀土元素有很多种，表6.1.1列出了几种典型元素的吸收和发射波长。
表 6.1.1 掺杂光纤中稀土元素的光谱特征
另外还有双掺杂等其他一些掺杂形式的光纤。由于这些稀土金属离子具有从紫外到红外很宽的荧光
光谱范围，这就使得光纤激光器的发射波长覆盖了更宽的波段。
6.1.4 泵浦方式
光纤激光器的泵浦耦合方式有以下几种：
1、 端面泵浦：用传统光学方法，将泵浦光聚焦，从光纤端面输入光纤包层。这种耦合方式特别适
合于双包层光纤激光器。
2、 WDM 泵浦：对于功率比较小的输入和输出功率，特别是孤子锁模激光器，常用商用的波分复用
接插件作为泵浦光耦合方式。
3、 在光纤内包层加工成V 形槽，聚焦光束在V 形槽表面全反射进入内包层，如图6.1.5所示，这种
耦合方式适用于中等功率的激光器。
图 6.1.3 V 字形泵浦耦合示意图
4、 泵浦光还可以从侧面进入芯部，泵浦光由平面波导的导光将多根光纤与激光光纤相耦合（焊接），
输入泵浦光功率。这种方式结构紧凑，免调试，利于集成化。且可以利用小的LD （5W ）得到
高功率的单模激光。
6.2 基本谐振腔[5]
克尔型被动锁模的极大优点是它可以充分利用光纤介质的带宽, 因此可以产生最短的脉冲。在大多
数克尔型被动锁模过程中, 自相位调制在脉冲形成过程中起主要作用。然而，与主动锁模不同的是, 同
时还伴随一个时间域内的幅度调制。这个幅度调制保证了在非线性很强的谐振腔内脉冲的稳定性。按照
克尔介质几乎是即时响应的特性, 我们可以假定接近瞬时的幅度调制。在脉冲功率不太大的情况下,光
纤环路的透过率或反射率可以用一个非线性反射率来描述：
R R P nl =+0κ (6.2.1)
κ是个常数, P 是脉冲的峰值功率。稳态情况下, 脉冲的电场可以写为一个变换算符 T
作用后的自恰, T z a t z e a t z n i n ()(,)(,)+=1ψ (6.2.2)
对于克尔透镜锁模的光纤激光器, 上述方程可以写为第三章介绍的非线性薛定锷方程：
a i a a i L i l g t
D i ψεγ=+--+??}||)1()(212{2222 (6.2.3) l 是线性功率损耗, D 2是整个光纤的群延色散, ψ是单程相移, γ控制着光纤中的被动位相调制, εγ
主导被动振幅调制。κ通过κεγ=L 与εγ联系在一起。在大多数克尔透镜型被动锁模系统中, ε<<1,
因此脉冲的形成仍然可以由孤子模型来描述。脉冲宽度也应该对应于孤子脉冲宽度。然而, 式6.2.3不
包含可能的脉冲形状变化的信息, 因此它只适用于所有的脉冲成型元件均匀分布的情况, 即谐振腔完全
由负色散光纤构成。在存在着较大的色散微扰的情况下, 用包括变换算符展开式中高阶项的方程来描述
也许更好。
光纤中的克尔型锁模主要有两种腔的构造。一种是所谓非线性放大环路反射镜(Nonlinear Amplifying
Loop Mirror, NALM)，一般构成8字形锁模光纤激光器。另一种是利用非线性偏振旋转在弱线性双折射
光纤中演化成的振幅调制进行锁模的单环形和直线型谐振腔。以下分别介绍。
6.2.1 非线性环路反射镜[6]
前一个系统把环形光纤作为一个非线性反射镜, 如图6.2.1所示。这个光纤环路有一个50:50的分束
器, 把输出分为两个出口。这实际上可以看成一个干涉仪。入射光进入光纤后被分为两束等强度传播方
向相反的光。如果我们暂时忽略光的偏振, 两束光将通过同样长度的光纤, 并在入射处相干。对于任何
强度的入射光, 这个平衡的光纤环路都是完美的反射镜。但是, 实际上分束器不可能是精确的50:50, 因
此干涉就不是100%。总有一些光漏到另一束光纤中，这个光纤环路的反射率可以推导出来[4]：
]})21cos[(1){1(2φηηη++-=R
(6.2.4)
其中 φπλ=22n PL A i eff (6.2.5)
式中，
P i 是入射光的功率, L 是环路长度, λ是波长, n 2是光纤的非线性折射率, η是功率分束比, A eff 是光纤芯的有效截面面积。光纤的非线性折射率影响环路的透射特性。由于相对方向传播的光的强度不
同，非线性折射率就不同，因此透射率也不同。
图 6.2.1 包含非50:50分束器的非线性光纤环路反射镜示意图。
在讨论环路反射镜的非线性依存性之前, 让我们先看一下光纤中的另一个重要的线性效应, 即双折
射。一般的光纤总有一些双折射，这是由于制造时产生的应力以及外部压力。这个应力可以模拟为快慢
两个轴[7]。如图6.2.2所示, 把光纤的总的双折射综合为3个线性元件, 元件1和3的快慢轴互相垂直, 夹
在中间的元件2是一个半波片, 其轴与1和3成45o 角。仔细分析会发现, 从左面入射的光与从右面入射
的光的光程不相等。例如, 从左边射入的光总是沿快轴, 而从右边入射的光总是沿慢轴。尽管它们再相
遇时偏振方向是一致的, 却走了不同的光程。以上情况并不限于快慢轴垂直的情况。
在存在非线性折射率的情况下, 较强的光沿一个方向的回路传播会看到较高的折射率, 导致进一步
的位相移动。透过率对于光强的依赖关系式（6.2.4）也适用于连续光的情况。把式(6..2.4)应用到脉冲的
情况, 如果脉冲的强度接近透过率最大值，脉冲的两翼会更多地被反射, 而脉冲的尖峰部分则更多地被
透过。因此, 出射的脉冲会比入射的脉冲窄。这相当于一个快可饱和吸收器。
图 6.2.2 简单的三个双折射片表示沿相反方向传播的光线看到不同的路径长度
但是随着脉冲变窄, 带宽变宽, 色散的作用会使脉冲展宽, 从而抵消掉非线性窄化的效果。一个可能的保持脉冲宽度的办法也许是把脉冲强度升高直至稳定的孤子脉冲形成。但是, 光纤回路对于孤子脉冲的响应和对于色散可以忽略的脉冲的反应是非常不同的。根据
φ=-2122(/)A z (6.2.6)
(其中A 是孤子振幅，z 是孤子在光纤中传播的距离) 孤子所累积的位相对于峰值和两翼是相等的, 因此环路不会像前面所讲的那样对孤子有窄化作用。孤子会整个通过这个环路。所以非线性光学环路反射镜(Nonlinear Optical Loop Mirror, NOLM)也称做“孤子滤波器”(soliton filter)。以上不过是简化的图像。实际上应该回到数值法解非线性方程来得到更清晰的图像。
光在非线性环路镜中的传播可以参照《非线性光纤光学》书上的解法[8]，解非线性薛定谔方程获得, 其结果可以用归一化的孤子长度来表达:
|
|322.02
20D c z λτπ= (6.2.7)
入射脉冲也用基本孤子能量来衡量 E P 011135=.τ
(6.2.8) 其中孤子峰值功率为
P D A cn eff 13220776=.||λπτ (6.2.9)
图 6.2.3 以孤子长度来衡量的环路反射镜的透过率与基本孤子脉冲能量的关系
图6.2.4 画出了环路反射镜的透过率作为输入功率的函数的关系，以不同的环路长度作为参数。我们清楚地看到, 对于每一个环路长度，第一个透射率峰都没有达到100%。 如果以环路长度为坐标(图
6.2.4), 反射率只在很窄的范围内有完全的透过率。图6.2.4还画出了输出脉冲宽度对于输入脉冲的相对值。输出脉冲可以是宽或窄于输入脉冲, 取决于环路长度。这些结果都与所谓“孤子滤波器”的定义有区别。孤子只在环路长度在4z 0~5z 0, 输入能量约在2E 0时才能穿过环路反射镜。而且，只有入射脉冲能量低于或者接近第一透射峰时，才能使脉冲宽度保持不变。
图 6.2.4 环路反射镜的相对脉冲宽度和透过率与环路反射镜长度的关系。
根据以上原理, 可以构筑一个所谓8字形锁模光纤激光器(Figure 8 Laser: F8L)如图6.2.5。右边的半个8字是上述非线性放大环路, 左边是一个反馈环路, 其中插入一个光学单向耦合器(光学隔离器), 迫使右边的环路工作在透过模式。其具体工作方式大致可以描述成把NALM 中由端口2输出的光经过一个带隔离器的线性环再送入端口1，并在放大光纤中耦合进泵浦光，在带隔离器的环中输出激光。两个环中都采用偏振控制器来控制振荡模式，并能启动激光振荡。
光学
图 6.2.5 8字形光纤激光器(F8L)
这种8字型锁模光纤激光器最早是由英国人Richardson 提出[9]，他们利用980nm 的光泵浦掺Er 光纤，得到了脉宽320fs ，带宽9nm ，重复频率在50MHz －10GHz 之间变化的脉冲。现在在实验上, 这种光纤激光器产生的脉冲数据是, 输出功率1~20 mW, 脉冲宽度90fs~10ps 。8字型被动锁模光纤激光器输出脉冲重复频率受到光纤长度的限制，不可能太高，稳定性也不好。要实现锁模一般要求要用几十至几百米的光纤，输出能量比较低。这种8字型锁模光纤激光器由于其具有难以改善的缺点，所以目前已经没有太多的研究应用价值。
6.2.2 单环形和线性腔[10]
另一种形式的锁模光纤激光器并不一定要作成8字形, 可以作成单环形或线形。它的原理仍然是利用光纤中的双折射。对弱线性双折射光纤中的非线性偏振控制演变作为幅度调制。假定线性双折射光纤与偏振片的x 轴的夹角为 , 输出光是椭圆偏振光，在如图6.2.6所示的线性腔中：
图 6.2.6 非线性偏振引入脉冲鉴别机制的原理
反射率可以写为：
R R =+0212
2sin cos α? (6.2.10)
其中?δβ=L , β是椭圆偏振光的主轴与x 轴的夹角。 tan tan cos[()],222βα?ψ=+?x y (6.2.11)
?ψx y ,是x 轴和y 轴之间的位相延迟。
用非线性反射率来表示, 即R R P nl =+0κ, 反射率展开至一次项, 可得
κγαα?=-L
6422sin sin sin (6.2.12)
注意κ的最大值对应于?ππ=-±/42n , n 是整数。对于环型腔, 同样可以得出类似的公式。
R 和κ与α的符号无关, 因此光纤对于正向和反向传播的光具有同样的非线性反射率。这与前面介绍的8字型光纤激光器中正反向传播的光非线性反射率不同的情况正好相反。但是, 假如光纤中有一段非双折射区域, 这种互换性就会丧失。所以这种光纤激光器对于偏振控制非常敏感。
偏振控制对高双折射光纤较容易实现, 因为光纤的两个轴是很明显的, 只要两个偏振控制器就可以获得被动锁模。但是这也带来了另一个困难, 因为两个轴之间的位相延迟过大, 减少了锁模的稳定区间。当然, 可以把光纤分为两段, 使它们的轴正交, 但这样仍然解决不了温度稳定性问题，而且这种正交也未必能做到很精确。比较好的解决办法可能是在腔内加两个法拉第旋转器, 第一个作为法拉第反射镜, 把反射光的偏振面旋转90o , 第二个补偿第一个的旋转角。
让我们来详细看一看腔内偏振形成的过程。为了简单, 我们假定腔内存在两个波片。从第二个腔镜出发考虑一次腔内循环。假定偏振片与光纤双折射的主轴平行。第一个波片的轴与光纤双折射的主轴成固定的45 o 角。第一个波片引入一个单程位相延迟?, 延迟的量可以由旋转波片的角度来控制。第二个波片假定是半波片, 它把偏振方向旋转一个角度α。那么累计的两个本征偏振的单程位相延迟是5
?ψγα?x y PL ,sin cos =
32 (6.2.13)
非线性反射率为： R P ()cos cos sin (sin cos sin )
sin cos sin =++-2222222212222?ψψαα?ψα???? (6.2.14)
其中忽略了脚标x,y 。以上两式完全描述了线性腔的可能的非线性响应。
第一个利用非线性偏振演化的光纤激光器是在色散补偿的谐振腔中实现的[11]，实验装置如图6.2.7所示：
图6.2.7 线性腔飞秒光纤激光器。
光纤是20cm长的掺钕的弱线性双折射光纤，放在两镜腔中。色散补偿是靠两对SF10玻璃棱镜。偏振是靠3个压电陶瓷柱来控制。这样的激光器中锁模不能自己启动，要靠声光调制或振镜。
为了和理论比较，测量了在光纤1端在锁模时的偏振状态（如图6.2.8所示），然后计算出入射角α和线性位相延迟?。实验证明，最佳入射角是α=38o和?=-0.40π。实际上，入射角α在20~45 o, 位相延迟?从0.3π至0.4π范围内都可以获得被动锁模。图 6.2.9画出了计算出来的对于α=38o, ?=-0.40π, -0.34π的非线性反射率的值。从图6.2.9看出，对于锁模和连续状态，反射率的变化接近90%。实际谐振腔内还包含色散补偿元件, 例如棱镜对儿或负色散光纤。即使这样，锁模还是不能自己启动。利用振镜启动的这样的锁模激光器可以输出53fs的脉冲11。用声光调制器锁模的光纤激光器已经产生了34fs的脉冲[12]。最近, 用半导体可饱和吸收器作为锁模启动器已经普及。详见第六章。
图 6.2.8 在图6.2.7中的光纤1端测量的输入和输出的连续和锁模光的偏振态。
图 6.2.9 计算出来的对于α=38o, ?=-0.40π, -0.34π的非线性反射率的。
6.3 展宽-压缩型飞秒光纤激光器
前一节我们介绍了光纤中孤子脉冲飞秒激光器。然而, 这种激光器的最大缺点是输出能量很小, 只有几十pJ 。为了提高输出能量，人们在振荡器后面又增加了放大器，但是输出能量仍然不到1nJ 。那么, 为什么脉冲的能量不能再提高, 脉宽不能再窄呢? 这里有多种原因。脉冲的峰值功率取决于附加脉冲锁模(Additive Pulse Mode locking ：APM)的饱和水平。一旦脉冲的峰值功率确定, 脉冲宽度就由面积定理所决定。增加泵浦功率只能使脉冲分裂为多个孤子。当然, 饱和能量也可以调节, 但可能因此失去自启动特性。根据孤子脉冲理论, 当腔内周期性微扰即腔长接近孤子长度的4~5倍, 即L <8z 0时, 孤子脉冲最稳定。实际上这个长度在1或2z 0, 而z 0<25cm 。这样短的腔长会减少脉冲能量, 因而是不实际的。另一方面, 因为z D 01∝/, 似乎可以用减少D 来增加z 0。但是根据式(6.2.7)和(6.2.8), 减少D 显然会降低孤子基本能量。所以获得高能量孤子脉冲是比较困难的。联想到脉冲的啁啾放大, 能不能在光纤中把脉冲展宽, 再放大, 然后再压缩呢？
显然, 采用正色散光纤是解决办法之一, 因为正色散光纤中不但不会产生孤子效应, 还会展宽脉冲。例如上一节介绍的线性腔（图6.2.7）就是只用最短的正色散光纤, 色散靠腔内棱镜对儿补偿。用这样的方法获得了84fs~10pJ 以及190fs~100pJ 的脉冲。这种激光器的锁模要靠可饱和吸收器来启动。
另一种办法就是全光纤系统。田村等人[13]把光纤激光器分为两部分，一部分具有正色散, 另一部分具有负色散, 让脉冲在腔内交替展宽压缩, 从而降低脉冲的峰值功率。即使如此, 脉冲能量仍然在数百pJ 量级。另一方面, 考虑附加脉冲锁模系统本身是一个非线性干涉仪, 由两部分组成, 一部分构成谐振腔的一支, 另一部分抛出一部分能量, 以减少两翼来缩短脉冲。如果把抛出的能量作为输出, 我们可以去掉输出耦合镜, 这样既获得了高能量输出, 又减少了腔内损耗, 提高了效率。
然而这样做的最大问题是, 被抛出的脉冲质量怎么样。但是, 如果附加脉冲锁模所需要的微分非线性相移很小(<π/2), 抛出的脉冲质量仍然可以很好, 尽管脉冲要比在腔内的宽一些。进一步, 如果把干涉仪调整为在低能量时有高损耗, 输出耦合率可达腔内功率的30%以上。
图6.3.1是一个环型光纤激光器装置示意图[14]。其中有一个隔离器迫使光按单一方向传播。在隔离器的入口处放置了一个偏振分束器, 被偏振分束器反射的s 偏振作为线性偏振输出脉冲。两对波片分别放在隔离器的两边, 来控制偏振状态。这种分立的波片比光纤偏振控制器要来得精确一些。一旦调整波片达到锁模状态, 可以画上记号。如果光纤没动的话, 只要把波片再次调整到这个状态时锁模就会恢复, 重复性相当好。
WDM 耦合器 图 6.3.1 展宽-压缩型环型光纤激光器装置示意图。PD 是光检测器, WDM 是耦合器, PBS 是偏振分光
器, SMF 是单模光纤, BFP 是双折射滤波片[15]。
光纤腔的主要部分是由2.5 m 长的康宁(Corning)SMF28型光纤, 45 cm 长的康宁1060光纤(与光纤耦合器相联), 以及1米长的掺铒光纤构成。每一种光纤的色散依次为-0.023, -0.007, 及+0.075±0.005ps 2/m, 总的色散为+0.016±0.005ps 2。分立元件的色散忽略不计。有掺杂的光纤部分在波长1.56μm 处含有非泵
浦损耗55dB/m。光纤芯的直径是2.5μm, 非线性折射率是δ=0.035。如果调换一下隔离器的方向, 此激光器可以工作在正和负(逆时针和顺时针)任何一个方向。顺时针工作时, 当泵浦功率在380 mW时, 可获得稳定的脉冲。一旦锁模启动, 调节波片可以获得最佳的脉冲波形和光谱宽度。不管怎样调节波片, 从偏振棱镜输出的光功率总是占腔内循环功率的50%左右。当泵浦光的功率达到0.9W时, 输出脉冲的功率是90 mW。因为脉冲的重复频率是36.9 MHz, 每个脉冲的能量是2.25 nJ, 这已非常接近固体激光器的指标。它的输出脉宽是1~1.5 ps, 而带宽有50~60 nm, 因此输出脉冲含有啁啾。本例采用硅晶体材料做的棱镜对来压缩脉冲, 它的二阶色散估计为-1000fs2/mm, 三阶色散估计为-1000fs3/mm, 当棱镜间距为18cm时, 净三阶色散约为-3?105fs3。压缩后的脉宽达90 fs。因为它的倍频光是775nm, 可以作为钛宝石放大器的种子脉冲。
利用这种方法制作的全光纤飞秒激光器一直局限在1.55μm器件。对于更常用的1.06μm的光纤激光器，其最大困难在于没有在这个波长的负色散光纤。
但是最近发展起来的光子晶体光纤，可以通过设计微孔结构使光纤在这个波长具有负色散。康奈尔大学的H. Lim等人已经做了初步实验[16]，实验装置如图（6.3.2）所示。光子晶体光纤（芯径2 μm, 周期1.4μm，平均周期和孔径比0.7）在1μm波长具有40 ps2/km的反常色散。光子晶体光纤的长度是1.3 m。增益光纤是NA = 0.12, 芯径为6 μm, 长20cm的具有正常色散的光纤，Yb掺杂为23,600 ppm。腔内净色散是0.02 ps2。泵浦光是光纤耦合的550 mW的波长980 nm半导体激光器，通过波分复用耦合器WDM 耦合到光纤激光器中。从偏振分束器得到能量为1nJ的输出。脉宽在腔外压缩为100~120fs，多于带宽受限脉冲的30％。脉冲质量有待改善。
图 6.3.2 光子晶体补偿色散的环形腔飞秒光纤激光器(PC, 偏振控制；PCF，光子晶体光纤；PBS, 偏振棱镜)。
光子晶体光纤与普通单模光纤的芯径有很大差异，耦合比较困难。这是此类激光器的缺点。为了进一步提高输出能量，康奈尔大学的等人[17]用腔内光栅对来补偿色散（图.6.3.3）。增益部分仍然是23cm 长，Yb掺杂为23,600 ppm的光纤。泵浦光通过WDM耦合到单模光纤中，耦合功率是550mW。为了保持脉冲的高能量，必须降低重复频率。因此，除了增益光纤，4.5m长的普通单模光纤作为腔的一部分接入腔内。腔内净色散可以用光栅距离来调节。在净色散为0.004±0.002ps2时，脉冲能量达6nJ（平均功率235mW）。利用腔外光栅对把脉冲压缩到了50fs。
图 6.3.3 使用光栅对的光纤激光器实验装置：HWP,半波片；QWP, 四分之一波片；PBS, 偏振分束片。NEP，非线性偏振演化。
6.4线性腔锁模光纤激光器
展宽-压缩型光纤激光器也可以做成线性腔，例如图(6..2.7)所示的采用棱镜对的线性腔光纤激光器。但是棱镜对提供的色散过小。英国南汉普顿大学Lefort等人把光栅对引入线性腔光纤激光器（图6.4.1）[18]。此装置中增益光纤Yb的掺杂浓度是2300ppm，NA = 0.21。在1056nm波长处，其正常色散的数值是?50ps/km。尽管可以用腔内光栅对来补偿，但是其三阶色散与光纤的三阶色散符号相同。为了减少三阶色散，不得不用最少的增益光纤长度(1.46m。但仍然比6.3节介绍的掺Yb光纤激光器的23cm长很多)，二阶和三阶色散分别是5.1?104fs2和2.9?104fs3。光栅对中光栅密度是600线/mm，入射角是30o。当光栅距离是5.4cm时，得到最短脉冲。此时，双程二阶色散和三阶色散分别是?8.3?104fs2和+1.5?105fs3。
图6.4.1 线性腔展宽压缩型飞秒光纤激光器
这种光纤激光器是利用非线性偏振旋转作为脉冲鉴别机制，用半导体可饱和吸收镜启动锁模，而光纤的正色散则是依靠光栅的负色散来补偿的。这样的激光器输出脉冲的能量为60pJ，脉宽小于110fs，重复频率是54MHz，平均输出功率3mW。这个输出功率很低，原因可能是泵浦功率较低（只有65mW）以及光栅对的损耗太大。
参考文献
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12Ober M H, Hofer M, Fermann M E. 42-fs pulse generation from a mode-locked fiber laser started with a moving mirror,Opt. Lett, 1993,18(5): 367~369
13Tamura K, Ippen E P, Haus H A, et al, 77-fs pulse generation from a stretched-pulse mode-locked all-fiber laser, Opt. Lett, 1993, 18(13): 1080~1082
14Tamura K, Doerr C R, Nelson L E, et al, Technique for obtaining high-energy ultrashort pulses from a
additive-pulse mode-locked erbium-doped fiber ring laser, Opt. Lett, 1994, 19(1): 46~48
15Lenz G, Tamura K, Haus H A, et al, All-solid-state femtosecond source at 1.55 m, Opt. Lett, 1995, 20(11): 1289~1291
16Lim H, Ilday F ?, Wise F W, Femtosecond ytterbium fiber laser with photonic crystal fiber for dispersion control, Opt. Expr, 2002, 10(25): 1497~1499
17Ilday F ?, Buckley J R, Lim H, et al, Generation of 50-fs, 5-nJ pulses at 1.03 mm from a wave-breaking-free fiber laser, Opt. Lett, 2003, 28(15): 1365~1367
18Lefort L, Price J H V, Richardson D J, et al, Practical low-noise stretched-pulse Yb3+-doped fiber laser, Opt. Lett, 2002, 27(5): 291~293
光纤激光器工作原理及发展
光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进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2种：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
锁模激光器
西安邮电大学光电子技术及应用 锁模激光器 班级：软件1103班 学号：04113098 院（系）：计算机学院
姓名：刘歌歌 2013年12月8日 一、摘要 本文主要介绍了锁模的基本原理和应用前景，并简单介绍了锁模激光器。 二、关键词：锁模激光器，工作原理，应用和前景 三、引言 如果在激光谐振腔内不加入任何选模装置，那么激光器的输出谱线是由许多分立的，由横纵模确定的频谱组成的。锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。 发展前景： 目前,最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模（Kerr Lensmode locking)技术是一种独特的被动锁模方法。科尔透镜锁模实际上是利用了材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而最终实现短脉冲输出。一台激光器实现锁模运转后，在通常情况下，只有一个激光脉冲在腔内来回传输，该脉冲每到达激光器的输出镜时，就有一部分光通过输出镜耦和到腔外。因此，锁模激光器的输出是一个等间隔的激光脉冲序列。相邻脉冲间的时间间隔等于光脉冲在激光腔内的往返时间，即所谓腔周期。一台锁模激光器所产生的激光脉冲的宽度是否短到飞秒量级主要取决于腔内色散特性、非线性特性及两者间的相互平衡关系。而最终的极限脉宽则受限于增益介质的光谱范围。衡量一台飞秒激光器的重要技术指标为：脉冲宽度、平均功率和脉冲重复频率。 此外，还有谱宽与脉宽积，脉冲的中心波长，输出光斑大小，偏振方向等。脉冲重复频率实际上告诉我们了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间隔。由平均功率和脉冲重复频率可求出单脉冲能量，由单脉冲能量和脉冲宽度可求出脉冲的峰值功率。 四、锁模激光器的原理 1、多模激光器的输出特性
飞秒激光器在加工铁和钨零件的应用
摘要： 飞秒激光增材制造第一次被证明。具有非常不同的熔融温度和机械性能的纯铁和钨粉末用于演示。制造各种形状的零件，例如环形和立方体，对制造的样品进行微硬度和极限拉伸强度的研究。研究的结果也与由连续激光器制成的类似部件进行比较。发现飞秒激光增材制造可以获得更好的机械性能，而且可以加工以前不能加工的材料。 1、简介 在过去二十年中，增材制造（AM），特别是激光辅助增材制造AM，引起了广泛的关注[1，2]。近年来金属部件的激光增材制造被研究的最多[3，4]。目前，大功率连续激光器（CW）以及一些长脉冲激光器（脉冲持续时间纳秒到毫秒）被广泛应用[4,5]。虽然已经取得了许多突破，但仍然存在许多难题，例如由于热影响区大而缺乏准确性，以及材料种类的限制[6]，特别是对于具有高导热性（> 100 W（mK））的高温（> 3000℃）材料，如钨[7]和一些陶瓷[8]，需要极高的功率才能使样品完全熔化，这不实际。 超快激光器引起了更多的关注，在诸如材料加工[9]，光谱学[10]和生物医学成像等领域有很多重要的应用[11]。区别于其他激光源，超快激光器有极短的脉冲持续时间和极高的峰值功率等特点。像局部温度高，热影响区域小[9]以及能产生极高温度的特点（>7000℃）[12,13]，给了飞秒激光器特殊加工的机会，在增材制造中发挥前所未有的作用，最近，我们首次发布由飞秒光纤激光器用于熔化具有极高熔点的材料的研究[14]，在此研究中，使用单层粉末来证明高温材料钨（熔化温度3422℃）铼（3182℃）完全熔化的可行性和一些超高温陶瓷（> 3000℃），这项研究展示了在激光增材制造AM中采用飞秒光纤激光器的巨大前景。 在这项工作中，我们将研究扩展到多层熔化或成型零件。第一次由飞秒光纤激光器制造各种形状的零件（环和立方体）。铁和钨粉末用于测试，详细研究了制造零件的机械性能和显微组织，也分析对比了由连续器激光制成的类似零件。 2、实验设置 在我们的实验中，使用了两种类型的激光 - 飞秒激光器和连续激光器。它们是1MHz重复平率飞秒掺镱 Yb光纤激光器（Uranus-mJ，PolarOnyx laser，Inc.，California毫焦高能飞秒光纤激光器）80MHz重复频率飞秒掺镱 Yb光纤激光器（天王星，PolarOnyx激光公司，加利福尼亚州）和连续掺镱Yb光纤激光器。所有激光器的中心波长为1030nm。1MHz和80 MHz激光器分别具有400和350飞秒的脉冲半高宽度（FWHM）。自制选择性激光熔化设置用于测试（图1）。激光束被引导通过声光调制器（AOM），其用于控制激光器的开/关和变化激光功率。配备有F-theta透镜（100mm长焦距）的激光振镜与AOM同步，并用于在粉末表面上扫描激光束。将扫描器安装在电动平台上以控制激光束使粉末表面的位于焦点位置。粉末均匀地分布在具有刀片的基底上。将样品容器安装在z台上并充满氩气以防止金属粉末氧化。扫描一层粉末后，将样品容器降低一定距离，并使用刮刀将新的粉末重新涂覆在其上，新粉末表面保持与上一次相同的高度。 在这里测试了两种材料，铁粉（1-5微米，大西洋设备工程公司，新泽西州）
激光的发展历史与前景
激光的发展历史与前景 ——15物01 15075003 邹萌●激光原理 激光是光与物质的相互作用，实质上，也就是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。 微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级）上。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为普朗克常量）。 ●发展历程 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。 激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，LASER （Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的意思是“通过受激发射光扩大”，这已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议改称“激光”。 激光的原理早在 1917年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。 1958年，美国科学家肖洛（Schawlow）和汤斯（Townes）发表重要论文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。 1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。 1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。 前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。 ●应用前景 激光技术是现代科学技术发展的结果，是20世纪与原子能、计算机、半导体齐名的四项重大发明之一。激光一问世，就获得了飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且推动了许多新兴产业的产生。激光能够使人们有效地利用目前所拥有的先进方法和手段，促进生产力的提高。因此，激光技术是当今工业发展的一个重要趋势。 其中，生命和健康科学是一个非常强劲的市场，因为那里会不断出现的新应用，很多都是基于激光的原理。激光不再只局限为一种外科手术工具，它将会更加广
半导体激光器 薄片激光器 飞秒光纤激光器在材料加工领域和太阳能电池领域的应用
半导体激光器薄片激光器飞秒光纤激光器在材料加工领 域和太阳能电池领域的应用 关键词：金属穿孔卷绕激光器、发射极穿孔卷绕激光器、激光烧制接触激光器、SiN / SiO 层掺杂、MWT激光、EWT激光、LFC激光、硅太阳能电池激光设备、薄膜太阳能电池激光设备、太阳能电池薄片激光器、激光焊接、激光打孔、飞秒激光加工、薄片激光器材料加工、高功率飞秒光纤激光器、固体激光器材料加工、激光熔融、激光熔覆、薄片激光器、飞秒光纤激光器、频率脉宽可独立调制 太阳能电池加工（硅太阳能电池） 在硅太阳能电池领域，激光加工在金属穿孔卷绕（MWT）、发射极穿孔卷绕（EWT）、激光烧制接触、SiN / SiO层掺杂方面发挥了重要作用； 金属穿孔卷绕、发射极穿孔卷绕：最高20000个孔/秒，孔直径20~60μm，3~4个脉冲/孔。 激光烧制接触：最高15000接点/秒，接点尺度50~80μm，1个脉冲/接点。 SiN / SiO dielectric layer opening：最高100000接点/秒，熔接直径20~70μm，1个脉冲/接点。（更多半导体激光模块知识可参见深圳顶尖（科仪）的博客）
在薄膜太阳能电池领域，复合物薄膜和基底有多种选择，对于每一种不同的组合所用到的激光加工工艺都是不同的，下面以几个典型的结构为例进行介绍。 a-Si / CdTe type solar cells：结构为玻璃/TCO/发射层/金属，接触点p1和p3层。激光器选用JenLas? fiber ns 10-4。 CIGS type solar cells：结构和a-Si / CdTe type相反。发射极加工：JenLas? fiber ns 10-40或JenLas? D2.fs。 JenLas? disk IR50是45W的红外声光调Q薄片激光器，具有非常好的光束质量，特别适合于各种工业上的微加工。 JenLas? disk IR50 / JenLas? disk IR70 1、波长1030nm， 2、声光调Q 3、平均功率 > 45W/65W 4、宽脉冲宽度，200~2000ns/650~1600ns可调 5、快速，重复频率8~30kHz（高级模式最大100kHz）， 6、单脉冲能量高达5/7mJ @8kHz 7、光束质量好M2<1.2 JenLas? mopa N35 1、基本同上 2、固态二极管泵浦调Q激光器，功率35W 3、波长1064nm 4、重复频率30~150kHz 0.2mJ @150kHz 5、OEM设计，运行费用低 6、稳定性 8h ±3%
光纤激光器研究进展
收稿日期:2008-10-13. 动态综述 光纤激光器研究进展 申人升,张玉书,杜国同 (大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023) 摘 要: 光纤激光器具有寿命长,模式好,体积小,免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点,近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。文章概述了光纤激光器典型的工作原理,阐述了其当前主要研究方向以及国内外研究现状,最后提出了光纤激光器产业化的趋势。 关键词: 光纤;光纤激光器;光子晶体光纤;超短脉冲 中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0001-05 Latest Development of Fiber Lasers SH EN Ren -sheng ,ZH ANG Yu -shu,DU Guo -tong (School of Physics and Optoelectronic Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,C HN) Abstract: Fiber lasers ow n lots of advantages co mpared w ith other lasers,including lo ng life,goo d mode,compactness,etc.Recently,fiber lasers have received increasing ly intensive attention in the applications o f electro nic inform ation,industr y processing and national defense technolog y.T he ty pical principle o f fiber laser is explained and resear ch progr esses about fiber lasers are review ed.Furthermore,the future developm ental trends fo r laser fiber are discussed. Key words: fiber;fiber lasers;photonic crystal fiber;ultrashort pulse 0 引言 光纤激光器诞生于20世纪60年代初,它是伴随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而迅猛发展起来的新型器件。由于其在高速率、密集波分复用(DWDM )通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,所以备受世界各国科研工作者的青睐,现已成为国际学术界的热门研究对象。 光纤激光器与其他类型激光器相比较,其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好;(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统;(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好;(4)体积小,携带方便;(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。 1 原理与分类 1.1 基本工作原理 图1 所示为典型光纤激光器的基本结构。 图1 光纤激光器基本结构 典型光纤激光器主要由三部分组成: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激发增益介质的泵浦源。其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。 当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现/粒子数反 # 1#
-锁模激光器
东北石油大学课程设计 2013年3 月8 日
东北石油大学课程设计任务书 课程光电子技术基础课程设计 题目锁模激光器的设计 专业电子科学与技术姓名学号04 主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容： 设计一锁模激光器，说明所设计的锁模激光器的基本原理、给出所设计的锁模激光器的结构、所使用的材料。 2、基本要求： 说明该锁模激光器的性能参数，撰写报告。 3、主要参考资料： [1]江涛,激光与光电子学进展,北京,电子工业出版社,2000年(8) 40-43 [2]贾正根,半导体报,北京,电子工业出版社,2000年6月第37卷(3)45-47 [3]周炳琨等,激光原理,第5版,北京,国防工业出版社,2004年8月 [4]马养武等,光电子学,第2版,杭州,浙江大学出版社,2003年3月 完成期限2013.3.4 ~2013.3.8 指导教师 专业负责人 2013年3 月4 日
目录 第1章概述 (4) 第2章锁模激光器的原理 (2) 2.1 锁模的基本原理 (4) 2.1.1锁模脉冲的特征 (4) 第3章锁模方式 (8) 3.1 主动锁模 (8) 3.1.1损耗内调制锁模 (8) 3.1.2相位内调制锁模 (9) 3.1.3主动锁模激光器的结构 (9) 3.2 被动锁模 (10) 第4章锁模光纤激光器设计 (13) 4.1 锁模光纤激光器基本结构 (13) 4.2 锁模光纤激光器设计 (13) 结论 (11) 参考文献 (12)
第1章概述 锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。实现锁模的方法有很多种，但一般可以分成两大类：即主动锁模和被动锁模。主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲。 目前,最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模（Kerr Lens mode locking)技术是一种独特的被动锁模方法。科尔透镜锁模实际上是利用了材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而最终实现短脉冲输出。一台激光器实现锁模运转后，在通常情况下，只有一个激光脉冲在腔内来回传输，该脉冲每到达激光器的输出镜时，就有一部分光通过输出镜耦和到腔外。因此，锁模激光器的输出是一个等间隔的激光脉冲序列。相邻脉冲间的时间间隔等于光脉冲在激光腔内的往返时间，即所谓腔周期。一台锁模激光器所产生的激光脉冲的宽度是否短到飞秒量级主要取决于腔内色散特性、非线性特性及两者间的相互平衡关系。而最终的极限脉宽则受限于增益介质的光谱范围。衡量一台飞秒激光器的重要技术指标为：脉冲宽度、平均功率和脉冲重复频率。 此外，还有谱宽与脉宽积，脉冲的中心波长，输出光斑大小，偏振方向等。脉冲重复频率实际上告诉我们了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间隔。由平均功率和脉冲重复频率可求出单脉冲能量，由单脉冲能量和脉冲宽度可求出脉冲的峰值功率。
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。
光纤激光器的前世今生
光纤激光器的前世今生 ?光纤激光器定义 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设,作为其他激光器的泵浦源等等。 光纤激光器发展史 早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天，密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。 目前国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、非线性效应光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等几个方面。 1962年世界上第一个GaAs半导体激光器问世以来，已有四十余年的历史，现在半导体激光器已广泛地应用于激光通信、光盘存储、激光检测等领域。 随着半导体激光器连续输出功率的日益提高，其应用范围也不断扩大，其中大功率半导体激光器泵浦的固体激光器（DPSSL）是它最大的应用领域之一。这一技术综合了半导体激光器与固体激光器的优点，不仅将半导体激光器的波长转换为固体激光器的波长，而且伴随光束质量的改善和光谱线宽的压缩，以及实现脉冲输出等。https://www.360docs.net/doc/ba472482.html,/半导体激光器体积小、重量轻，直接电子注入具有很高的量子效率，可以通过调整组份和控制温度得到不同的波长与固体激光材料的吸收波长相匹配，但它本身的光束质量较差，且两个方向不对称，横模特性也不尽理想。而固体激光器的输出光束质量较高，有很高的时间和空间相干性，光谱线宽与光束发散角比半导体激光小几个量级。对于DPSSL，是吸收波长短的高能量光子，转化为波长较长的低能量光子，这样总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热。这部分热能量将如何从块状激光介质中散发、排除成为半导体泵浦固体激光器的关键技术。 为此，人们开始探索增大散热面积的方法。深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机 ?方法之一就是将激光介质做成细长的光纤形状。 所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器（EDFA）的可行性。它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，现在这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯（一般直径小于10um），要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模EDFA难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 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2.1所示。
大功率光纤激光器技术及其应用
的构想 , 但直到 20 世纪 80 年代, 随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构光纤的提出 , 光纤激光 现于世 第 21 卷 第 6 期 山 东 科 学 Vol. 21 No. 6 2008 年 12 月 SHANDONG SCIENCE Dec. 2008 文章编号: 1002 4026( 2008) 06 0072 06 大功率光纤激光器技术及其应用 宋志强 ( 山东省 科学院激光研究所, 山东 济南 250014) 摘要: 光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题, 尤其是大功率光纤激光器, 已在很多 领域表现 出取代传统 固体激光 器和 CO 2 激光器 的趋势。本文 从光纤激 光器的结构 出发, 详细论述 了大功率 光纤激光器的工作原理和关键技术, 重点介绍了应用更为广泛 的脉冲型 光纤激光器 技术, 最后简单 列举了大 功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领 域里的应用情况。 关键词: 光纤激光器; 包层泵浦技术; 双包层掺杂光纤; 光纤光栅; 应用 中图分类号: TN249 文献标识码: A The Development of High Power Fiber Laser and Its Applications SONG Zhi qiang ( Institute of Laser , Shandong Academy of Sciences , Jinan 250014, China ) Abstract: The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectronic area, especially for a high power fiber opt ic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solid state laser and CO 2 laser in many areas. We fully expound its principles and some key technologies from its structure, emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied, and enumerate its superiorit ies and applications in such areas industrial processing, national defense, medical service, etc. Key words: fiber optic laser; cladding pump; double clad rare earth doped fiber; fiber Bragg grating; application 所谓光纤激光器就是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器, 它的发展历史几乎和激光器技术一样 长。早在 20 世纪 60 年代初, 美国光学公司的 E. Snitzer 等人就已经提出了掺稀土元素光纤激光器和放大器 [ 1] [ 2] 器才进入了一个蓬勃发展的阶段。最近十年, 适合各种不同应用目的和领域的光纤激光器已雨后春笋般涌 [ 3- 5] 。 1 工作原理及关键技术 同其他类型激光器一样, 光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益介质三要素构成, 具体包括泵浦 LD 、 DCDF 、大模场 FBG 和光纤合束器等, 如图 1 所示。光纤激光器的所有器件均可由光纤介质制作, 因此光纤技 术是决定光纤激光器性能的关键因素。 收稿日期: 2008 08 23 基金项目: 山东省仪器设备改造项目资助( 2007GG1TC04039) 。 作者简介: 宋志强( 1982- ) , 男, 硕士, 主要研究方向为大功率光纤激光器技术。E mail: zhiqiangs@ gmail. com
被动调Q锁模掺镱光纤激光器
第33卷 第8期2006年8月 中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS Vol.33,No.8 August ,2006 文章编号:025827025(2006)0821021204被动调Q 锁模掺镱光纤激光器 甘 雨1,2,向望华1,2,周晓芳1,2,张贵忠1,2,张 喆1,2,王志刚 1,2 (天津大学1精密仪器与光电子工程学院, 2 教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300072) 摘要 报道了基于偏振旋转技术等效快可饱和吸收体的被动调Q 锁模光纤激光器,采用976nm 半导体激光器作为抽运源,高掺杂浓度的Yb 3+光纤作为增益介质构成环形腔,通过调节抽运光功率和偏振控制器的角度得到了调 Q ,调Q 锁模与锁模三种稳定的输出脉冲。获得的锁模脉冲中心波长为1.05μm ,重复频率为20M Hz ,脉冲光谱宽 度为13.8nm ,抽运功率为270mW 时,锁模平均输出功率为15.82mW ;调Q 频率为17.54k Hz ,调Q 脉冲宽度为 8μs ,光谱宽度为4.7nm ;调Q 锁模中调Q 重复频率为300k Hz 。 关键词 激光器;调Q;锁模;偏振旋转;Yb 3+光纤激光器中图分类号 TN 248.1 文献标识码 A Passive Q 2Switching and Modelocking Yb 3+2Doped Fiber Laser GAN Yu 1,2,XIAN G Wang 2hua 1,2,ZHOU Xiao 2fang 1,2,ZHAN G Gui 2zhong 1,2,ZHAN G Zhe 1,2,WAN G Zhi 2gang 1,2 1 College of Precision I nst rument and O ptoelect ronics Engineering , 2 Key L aboratory of O ptoelect ronics I nf ormation and Technical S cience (M inist ry of Education ),Tianj in Universit y ,Tianj in 300072, China Abstract An all fiber laser based upon nonlinear polarization rotation as an effective fast saturable absorber for mode 2locking is reported.The absorber can act as passive Q 2switching and modelocking.The ring laser with a highly Yb 3+2doped fiber as the gain medium ,pumped by a semiconductor laser of 976nm wavelength ,can operate in three different stable regimes by proper adjustments of pump power and polarizer orientations :Q 2switched ,Q 2switched mode 2locked and continuous wave (CW )mode 2locked.The center wavelength of the CW mode 2locked pulse is 1.05μm with a f ull width at half maximum (FW HM )spectrum of 13.8nm ,the pulse repetition rate is 20M Hz ,and an average output power is 15.82mW with 270mW pump power.In Q 2switched regime ,the laser generates 8μs duration pulses of 4.7nm FW HM spectrum at a repetition rate of 17.54k Hz.The Q 2switched repetition rate is 300k Hz in Q 2switched mode 2locked regime.K ey w ords lasers ;Q 2switched ;mode 2locked ;polarization rotation ;Yb 3+fiber laser 收稿日期:2005212201;收到修改稿日期:2006202227 基金项目:天津市科委基金(043601011)和高等学校博士学科点专项科研基金(20050056004)项目资助。 作者简介:甘 雨(1978— ),男,黑龙江牡丹江人,天津大学精密仪器与光电子工程学院博士研究生,主要从事超短脉冲激光器和超高速光通信的研究。E 2mail :rainmangy @https://www.360docs.net/doc/ba472482.html, 导师简介:向望华(1947— ),男,湖南溆浦人,天津大学精密仪器与光电子工程学院教授,博士生导师,目前研究方向为光电子技术、超快激光与光通信技术方面的研究。E 2mail :wanghuaxiang @https://www.360docs.net/doc/ba472482.html, 1 引 言 稳定、低噪声的超短脉冲光源在超快光谱学、多光子显微学、超快生物学和光通信等领域具有很重要的应用价值。锁模光纤激光器以其结构紧凑、小型化、成本低、易于实现全固化等优良的性能有望在许多应用中替代传统的固体锁模激光器。基于以上的特点,在过去的10年中,锁模光纤激光器得到了 极大的发展,大量的研究工作主要围绕掺铒光纤和 掺钕光纤进行[1～3]。近年来,同其他掺杂粒子相比,以镱元素作为增益粒子的掺镱光纤具有高的量子效率,没有基态和激发态吸收,长的上能级寿命,宽的吸收谱,在915nm 和976nm 处具有吸收峰,高掺杂时无浓度淬灭,便于半导体激光器抽运等优点,将取代掺钕光纤,成为1μm 波段的主要工作物质。在超
激光20wmopa系列光纤激光器应用介绍2018.2.22
20W MOPA光纤激光器应用介绍 应用工程师：无锡创永激光刘工 2016年7月18日
20W MOPA参数表 长脉宽单脉冲能量高，热效应明显，窄脉宽单脉冲能量低，热效应弱；高频率，平均功率高，热效应明显，低频率（10KHz），平均功率低，热效应弱；低扫描速度，低填充密度，激光能量集中，热效应明显，高扫描速度，中等填充密度（），激光能量分散，热 效应弱。
固定脉宽，100%功率，频率由小增大，平均功率线性增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，功率趋于稳定。 固定脉宽，100%功率，频率由小增大，峰值功率增大，直至降功率频率（4ns400KHz），降功率频率到最大频率，峰值功率呈反比例函数递减。 其他脉宽类似。 MOPA光纤激光器，脉宽可调，脉冲频率范围大，应用范围十分广泛，本文中介绍了20W MOPA光纤激光器部分常见应用，用于20W MOPA应用介绍和推广。其中不同材料参数设置有所差异，文中参数
可作为参考，如有不同之处，敬请谅解。
1. 阳极氧化铝标刻 小米手机壳阳极氧化铝标刻黑色LOGO 小米充电宝阳极氧化铝标刻白色LOGO 阳极氧化铝上标刻黑色二维码，显微镜下可扫描 2. 304不锈钢标刻 304不锈钢打彩色LOGO 304不锈钢名牌标刻黑色 304不锈钢深雕 3.部分高分子材料标刻 公牛插座、苹果手机数据线等某些白色高分子材料标刻深色 PA66+、PE等某些黑色高分子材料标刻浅色 4. 电子器件标刻 电解电容标记黑色参数 PCB板标刻白色二维码和参数 电镀电子器件标刻 IC芯片等电子器件参数标刻 5. 漆剥除 汽车、电脑、手机等透光件漆剥除 亚克力瓶、橡胶按键表面漆剥除 电脑铝制外壳导通处漆剥除 6. 铜制器件标刻 黄铜件标记白色尺寸参数 7. 微弧氧化铝合金标刻黑色名牌 8. 碳钢轴承标记黑色参数 9. 铝箔、锡箔、铜箔切割
我国商用光纤激光器的应用现状及发展
我国商用光纤激光器的应用现状及发展 2011/1/25 14:59:16 标签：光纤激光器现状发展应用 1 引言 近年来，随着各种关键技术的突破，光纤激光器得到了长足的发展。作为第三代激光技术的代表，光纤激光器具有其他激光器无可比拟的技术优越性。这几年随着各种商用光纤激光器的面市，光纤激光器被应用到众多领域。本文主要介绍国内外光纤激光器的最新应用进展及我国商用光纤激光器现状及发展。 2 光纤激光器的应用 2.1 光纤激光器在工业上的应用 工业生产要求激光器可靠性高、体积小、安全、便于操作。光纤激光器以其结构紧凑、光转换效率高、预热时间短、受环境因素影响小、免维护以及容易与光纤或由光学镜片组成导光系统耦合等优点受到人们的广泛关注。 目前，光纤激光器正逐步取代传统激光器在激光打标、激光焊接、激光切割等领域的主导地位。在打标领域，由于光纤激光器具有较高的光束质量和定位精度，光纤打标系统正取代效率不高的二氧化碳激光和氙灯抽运的Nd:YAG脉冲激光打标系统；在欧美及日本市场，这种取代正大规模地进行着，仅在日本，每月的需求量就超过100台。我国作为世界上最大的工业制造国，对光纤激光打标机的需求是十分巨大的，估计每年有超过2000台的需求量。在激光焊接和切割领域，随着上千瓦甚至几万瓦光纤激光器的研制成功，光纤激光器也得到了应用。此前，IPG报道，德国宝马汽车公司购买了他们的高功率光纤激光器用在车门焊接生产线上。 2.2 光纤激光器在传感上的应用 较之于其他光源，光纤激光器被用作传感光源有许多优势。首先，光纤激光器有效率高、可调谐、稳定性好、紧凑小巧、重量轻、维护方便和光束质量好等优异性能。其次，光纤激光能很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，能进行全光纤测试。 目前，基于可调谐窄线宽光纤激光器的光纤传感是该领域的应用热点之一。该类型光纤激光器的光谱线宽很窄，具有超长相干长度，并且可以对频率进行快速调制。把这种窄线宽光纤激光器应用到分布式传感系统，可实现超长距离、超高精度的光纤传感。在美国和欧洲，这种基于可调谐窄线宽光纤激光器的传感技术被广泛应用到国土安全及重要设施监测、石油/天然气管道监测以及水下声纳探测等众多领域。我国估计每年对这种类型光纤激光器的需求量也在100台以上。 2.3 光纤激光器在通讯上的应用 光纤激光器相比于常规激光系统在结构紧凑性、散热、光束质量、体积以及与现有系
谐波锁模光纤激光器脉冲振幅数值分析
谐波锁模光纤激光器脉冲振幅数值分析1 张静，曹志刚，徐峰，叶勇，张瑞珏，王保三，俞本立 安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽合肥(230039) E-mail ：jingzhang0311@https://www.360docs.net/doc/ba472482.html, 摘 要：详细论证了马赫-曾德尔型调制器调制特性与直流偏置电压和调制深度的关系，精确给出了调制器线性调制范围。通过调节直流偏置电压和调制深度，来控制调制器透射曲线。理论分析得到锁模脉冲振幅均衡的条件是光脉冲序列经过调制器后经历相同的透射系数。在5GHz 调制频率下，采用时域分析法对锁模脉冲序列和调制曲线进行数值研究。用Matlab 软件模拟分析了2～7阶锁模光脉冲序列和调制曲线的时域分布图。数值分析结果表明：线性调制区与非线性调制区均可获得振幅均衡的锁模脉冲；当有理数谐波锁模阶数p >4时，调制深度β变化对脉冲振幅均衡程度影响剧烈。所用物理图像简洁明晰，结果对获得功率均衡的谐波锁模脉冲的实验研究有一定的参考意义。 关键词：激光器；有理数谐波锁模；透射曲线；脉冲振幅均衡 中图分类号： TN248 文献标识码 A 1. 引 言 发展高速、大容量光纤通信系统一直是光通信研究的热点。高速脉冲光源对实现未来超高速光通信至关重要。主动锁模光纤激光器因其具有可输出变换极限、啁啾小、调谐范围大、高重复频率脉冲等优点，逐渐引起人们的关注。1993年，Onodera 等人最先报道了有理数谐波锁模技术[1]，细微调整调制频率使得调制频率为(m±1/p)f bsc ，得到重复频率为(mp±1)f bsc 的脉冲输出。其中f bsc 为谐振基频，m, p 为任意整数。有理数谐波锁模技术可以突破调制器带宽的限制产生更高频率的超短脉冲。E. Yoshida 等人得到频率高达200GHz 的锁模脉冲[2]。有理数谐波锁模技术由于存在频率失谐，只有二阶有理数谐波锁模可以得到振幅均衡稳定的锁模脉冲序列。但实际应用的光源应是脉冲振幅均衡的稳定锁模脉冲序列，因此使有理数谐波锁模技术实用化的关键问题是解决高阶有理数谐波锁模脉冲振幅不均衡。目前，主要有以下几种方案:非线性环形镜(NOLM)[3]、半导体光放大环形镜(SOA)[4]、非线性偏振旋转技术(NPR)[5]和光反馈[6]等来实现脉冲振幅均衡。本文通过同时调节直流偏置电压和调制深度[7]，使两者获得最佳匹配，来实现脉冲振幅均衡。文中详细论证了调制器调制特性与直流偏置电压和调制深度的关系，精确给出了调制器线性调制范围。在5GHz 调制频率下，采用时域分析法对锁模脉冲序列和调制曲线进行数值研究。用Matlab 软件模拟分析了2～7阶锁模脉冲序列和调制曲线的时域分布图。结果表明：在线性调制区与非线性调制区均可获得振幅均衡的锁模脉冲，当有理数谐波锁模阶数p >4时，调制深度变化对脉冲振幅均衡程度影响剧烈。 2. 马赫-曾德尔型调制器的调制特性 加在马赫-曾德尔型调制器上的电压可表示为[7] ()mod sin(2)bias ac V t V V f t πφ=++ (1) 其中bias V 为偏置电压，ac V 是频率为mod f 的正弦射频信号的电压幅值。φ为射频信号初始相 1 本课题得到安徽省优秀青年基金资助项目资助(04042045)