激光锁模技术

激光锁模技术

作者：付永旭

摘要：自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，锁模技术让谐

振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位

相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。激光锁模

主要有主动锁模、被动锁模、同步锁模、注入锁模及碰撞锁模等几种。典型锁

模技术声光调制锁模是在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变

振荡模式的某个参量而实现锁模的方法，属于主动锁模。随着波分复用和光时分

复用技术的飞速发展，锁模光纤激光器以其优越的性能将在未来高速光通信系统中发

挥重要作用。

正文：

一．激光锁模概念

产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术（mode locking)。这是因为一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只

有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并获得了910

--s的

10~10

光脉冲列。此后，激光锁模的理论和方法不断推陈出新，相继出现了红宝石、

)量级的窄脉冲。八十YAG、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，获得了ps(12

10-

年代初，Fork等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(15

10-)

量级，这是至今在实验室利用其它手段尚不能实现的最短时标。这就为研究物

质微观世界超快速过程提供了新的工具，并将开阔这些领域的新前景。.

二．激光锁模原理

自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的纵模，如图所示。这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。

假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N 个纵模，每个纵模输出的电场分量可用下式表示:

那么激光器输出的光波电场是N 个纵模电场的和，即

E q 、ωq 、φq 为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式的振幅E q 、初位φq 均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。

假设有三个光波，频率分别为v 1 v 2 和 v 3，沿相同方向传播，并且有如下关系： ，

在未锁定时，初相彼此无关。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，输出的光强只在平均光强级基础上有一个小的起伏扰动。

)()(q q t i q q e

E t E ?ω+=()

()q q i t q q E t E e

ωφ+=∑21311230

2, 3v v v v E E E E =====1v 2v 2, 3v v v v

E E E E =====3

v

如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如φ1 =φ2 =φ3，即按关系 锁定， 此时三个光波的方程为

由于“建设性”的干涉叠加，形成的光波就周期性地出现极大值。

非锁模和理想锁模激光器的信号结构

,

101202303cos(2)cos(2)cos(2)

E E v t E E v t E E v t πππ===2

02032193E E E E E E E =====当t=0时

(a)非锁模,（b)理想锁模

锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并

使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。

三．激光锁模方法

从1964年至今，对锁模方法的研究一直是十分活跃的。已经发展了多种方法，但研究得最广泛且有实用意义的主要有主动锁模、被动锁模、同步锁模、

注入锁模及碰撞锁模等几种。现分别扼要地说明它们的工作机理。

1.主动锁模

分幅度调制和相位调制二类，但调幅用得广泛，调制器较多采用声光调制器。在激光谐振腔内插入声光调制器.使谐振腔内产生周期性交变的损耗γ，若γ的变化周期为T=2L/c，也就是光在腔内来回一周所需的时间，损耗γ的交变频率f=一1/T= c/2L，也就是纵模间隔△v。，则谐振腔内便能形成锁模脉冲，窄脉冲

周期性地出现在损耗γ的最小值处.这种结构初看起来与声光调Q类似，主要差

别只是锁模时在声光调制器上所加的驱动信号要保证其产生的损耗频率必须严

格等于△vq。

2.被动锁模

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：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激光器了。被动锁模的突出优点是结构简单，器件可做得小而轻，价格低廉。缺点是不如主动锁模那样稳定性高，实现

锁模的激发机率仅60~70%，主要适用于脉冲工作方式的锁模。

3.同步锁模

同步锁模是最近发展起来的用以获得宽光谱可调谐且模式锁定的好方法。

用一个Ar+声光锁模激光器去泵浦一个若丹明6G可调谐染料激光器。氨离子

锁模激光器输出的锁模脉冲列的平均光功率为30omw，每个脉冲的宽度约

20oPs。在结构上我们设法使Ar+激光器的腔长与若丹明6G染料激光器的腔长相等。则Ar一锁模脉冲的周期T恰与光在染料激光器中来回一周所需的时间相等。这样，激活介质Rh一6G受第一个Ar一、超短脉冲泵浦后产生受激辐射

脉冲，经T时间A护的第二个超短光脉冲再次激励激活介质，使染料迅速达阂

值以上;此时前一个Ar+泵浦光脉冲所产的激光恰好往返一周到达染料，并形成很强的受激辐射，使之在Ps量级的时间内迅速的耗尽了染料的反转粒子数，染料激光脉冲的后沿通过染料时，非但得不到增益，反而受染料的吸收而产生一

净损耗。光脉冲经受若于次这样的作用而达到稳定运转时，输出的激光脉冲比

泵浦光脉冲要窄得多。典型的结果是:若丹明6G可调谐激光器输出的锁模光脉

冲(单个)的宽度仅4一sps。

4.注入锁模

这种锁模激光技术的原理是，用一个高质量的锁模脉冲作种子，在谐振腔内经多次再生放大，最后获得脉宽窄且输出功率高的锁模光脉冲。这个种子如果

是由另一锁模激光器产生后注入到再生放大激光器中来的，就称为外注入锁模。如果是同一个激光器先形成种子脉冲，然后再放大的则称之为自注入锁模。显然，自注入比外注入在结构上要简单得多。

5.碰撞锁模

碰撞锁模是当今用于产生脉宽短于100f民且输出稳定的超短脉冲的最好方法。在环行腔内，分别沿顺时针和逆时针方向传播的两路光脉冲

恰好在可饱和吸收染料处相撞，在该处形成驻波，因而造成可饱和吸收介质上

下能级间粒子数的空间分布，称之为粒子数分布“光栅”，由于介质的折射率

与其能级间的粒子数分布有关，介质内便会形成折射率的空间周期分布。在形

成“光栅”的过程中，两个光脉冲的前浩能量被吸收，由于可饱和吸收介质的

弛豫时间较脉冲本身的弛豫时间长得多，故脉冲后沿通过可饱和吸收介质时，

粒子数分布光栅的调制度仍然很高，光脉冲的后沿便经受了较强的后向散射。

这样，光脉冲的前后沿都受到削弱，经受多次循环，结果光脉冲可以压缩得很窄，一般比被动锁模的光脉冲的宽度要窄3-4倍，从而可获得looPs、100mw

量级且稳定度高达1%的锁模脉冲输出。

四.激光锁模典例—声光调制锁模

声光调制锁模是在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡

模式的某个参量而实现锁模的方法，属于主动锁模。使用声光调制器调制谐振

腔损耗，当电调制频率为f'=c/4L'时,损耗调制频率为f=c/2L'，可获重复频率也为f的激光脉冲系列。

其装置图如下：

1.时域原理：

①外加电调制信号 U 0:调制电压幅度， :调制频率

②腔损耗率 δo :腔平均损耗率, ?δ:损耗率变化幅度, Ω:损耗频率

调制电信号为零时，损耗最小，调制电信号为极值时，损耗最大，故损耗频率是调制频率的两倍

③调制器透过率 T o :平均透过率，?T ：透过率变化的幅度

损耗最小时透过率最大，损耗最大时透过率最小

④透过率最大时，输出光脉冲，输出光脉冲的重复频率与重复周期为

2.调制曲线

U(t):驱动声光器件的外加调制电信号

δ(t):腔损耗率

T(t):调制器透过率

I(t):锁模激光输出波形

Ω21t U t U Ω=21sin )(0L c f '

==Ωππ2t

t Ω?-=cos )(0δδδt

T T t T Ω?+=cos )(0L c

f q '=?=2νc

L T '=2

3.频域原理

①增益曲线中心频率处的纵模首先起振，光场为

E 0:光场振幅，ω0:频率, ?0:初位相

②声光器件对起振纵模进行振幅调制，调制光场为

调幅系数, A=E 0T 0

:调制后的光场振幅 ③调制结果，使中心纵模产生初位相一样、频率为ω0±Ω的两个边模

00

T T M ?=)

t cos()(000?ω+=E t E )t (cos ]cos [E )t T(t)cos()(0000000?ω?ω+Ω?+=+=t T T E t E )t (cos )cos 1(A 00?ω+Ω+=t M )t t)cos(Mcos (1)(00?ω+Ω+=A t E )t t)cos(

Mcos()t Acos(0000?ω?ω+Ω++=A )]t cos(t)t M[cos(21)t Acos(000000t A Ω-++Ω++++=?ω?ω?ω]t )-AMcos[(21])t Mcos[(21)t Acos(000000?ω?ω?ω+Ω++Ω+++=A

④两个边模再产生新边模，直至振荡线宽内所有纵模都被耦合形成脉冲系列输出。

五．激光锁模技术展望

随着波分复用和光时分复用技术的飞速发展，锁模光纤激光器以其优越的性能将在未来高速光通信系统中发挥重要作用。根据锁模光纤激光器的研究现状来看，要使锁模光纤激光器能够尽快地走向实用化道路，则需解决好以下几个问题:(1)频谱边带或超模噪声的抑制，激光器脉冲中普遍存在频谱边带和超模噪声，这会加剧通信系统误码率。因此，进一步研究频谱边带的产生机理及其抑制措施，减小锁模脉冲输出频谱边带幅度，不论是将锁模光纤激光器作为通信系统光源，还是将其应用于其它非线性以及超快领域，都将具有非常重要的实际应用意义。(2)高能量脉冲输出，光纤激光器典型的单脉冲输出能量为几皮焦耳到数十皮焦耳，远远小于常规固体激光的输出脉冲能量(一般为纳焦耳量级)。因此，要想扩大锁模光纤激光器的应用范围，则必须提高其输出功率和脉冲能量。(3)工作的稳定性，目前在锁模激光器特别是主动锁模技术的稳定性研究中采用的方法往往结构复杂，成本高，难以直接推广应用。因此，需要继续探索和寻求新的技术方法和措施来提高锁模光纤激光器的稳定性。

参考文献：

[1]徐荣甫 .激光锁模技术[J] 兵器激光 1985(04)

[2]赵羽，刘永智光纤激光器锁模技术研究进展电子科技大学 2009(04)

[3] 顾朝晖 . 激光锁模技术