锁模技术

锁模技术倪超梅有柱一.概述压缩脉冲宽度,高峰值功率，Q开关激光器一般脉宽达10-8~10-9s量级,如果再压缩脉宽，Q开关激光器已经无能为力，但有很多实际应用需要更窄的脉冲。(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11~10-14（ps）量级。)例:1)激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好。2)激光高速摄影。为了拍照高速运动的物体，提高照片的清晰度,也要压缩脉宽。3)对一些超快过程的研究，激光核聚变，激光光谱,荧光寿命的测定，非线性光学的研究等需窄的脉宽)。(钛宝石自锁模激光器中得到了小于5fs的超短光脉冲序列)。世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并获得了10-9~10-10s的光脉冲列。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、YAG、钦玻璃及有机染料等锁模激光器，获得了ps(10-12)量级的窄脉冲。八十年代初，Fork等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了fs(10-15)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.锁模的基本理论激光器的模式分为纵模和横模。锁模也分为锁纵模、锁横模、锁纵横模三种。1.多模激光器输出特性为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：12qqqcL自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，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。激光增益曲线与谐振腔纵模的相互作用)()(qqtiqqeEtE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Eq、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Eq、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v1，v2，和v3，沿相同方向传播，并且有如下关系：v3=3v1，v2=2v1，在未锁定时，初相彼此无关，E1=E2=E3=E0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3E02/2级基础上有一个小的起伏扰动。()()qqitqqEtEe-E0E0I(t)0E(t)v3=3v1,v2=2v1，初相位无规律v3v2v1未锁相前的三个光波的叠加time未锁相前三个光波的叠加3E02/2但若设法使1=2=3=0时，有E1=E0cos(2πν1t)E2=E0cos(4πν1t)E3=E0cos(6πν1t)当t=0时,E=3E0,E2=9E02三个光波的相位锁定如上图，当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“相长性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值（I=E2=9E02）。当然,对于谐振腔内存在多个纵模的情况，同样有类似的结果。如果采用适当的措施使这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)，那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象；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”。三.激光锁模技术的方法从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f＝c/2L的锁模脉冲序列。根据调制的原理，可分为相位调制(PM)(或频率调制FM)锁模及振幅调制(AM或称为损耗调制)锁模。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.同步泵锁模同步泵浦锁模激光器，是采用一台锁模激光器脉冲序列，泵浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模。实现同步泵浦锁模的关键是，使被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍。在一定的条件下，增益受到调制．其调制周期等于光在谐振腔的循环周期。与损耗调制类似，在最大增益时域内形成一短脉冲，其脉冲宽度比所用的泵浦脉冲宽度窄得多。同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义，因为染料具有很宽的增益线宽(1013~1014Hz)，同步泵浦染料激光器产生的超短脉冲的频率在整个光谱范围内连续可调。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。谢谢！