1、激光锁模技术顾朝晖 宁波大学光电信息工程 116170013摘要：锁模是激光技术中的一个十分重要的组成部分。调 Q 技术，受原理上的限制，其激光器输出的激光脉冲的宽度在 130115 之间。随着科学技术的发展，在遥测技术、高时间分辨率光谱学、非线性光学、光电子学、化学动力学以及受控核聚变等许多领域要求获得脉冲宽度更窄、峰值功率更高的激光脉冲。这推动了超短光脉冲技术的研究，发展了激光锁模技术。关键词：锁模技术，激光脉冲引言：世界上是在 1964 年底首先对 He-Ne 激光器实现锁模并获得了 s 的910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
2、等锁模激光器，获得了 ps( )量级的窄脉冲。八十年代初， Fork120等人又发展了碰撞锁模的理论，使锁模光脉冲进入了 fs( )量级，这是至今在实15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。.1.激光锁模技术的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: )()( qqtiqqeEtE那么激光器输出的光波电场是 N 个
3、纵模电场的和，即)()( qqtiqqeEt ()()qitqt()()qitqEtEeEq、 q、 q 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 q 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： ，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。如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如 1 =2 =3， 即按关系 锁定， 此时三个光波的方
4、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, (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2130,vEE1v2 3v10122303cos()s()Evtt 202 0319EE当 t=0 时位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。2.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。2.1
5、.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 ，若 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 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 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。2.2 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
6、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 6070%，主要适用于脉冲工作方式的锁模。2.3 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。
7、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
8、宽度仅 4 一 sps。2.4 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。2.5 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
9、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。3 激光锁模技术的研究进展3.1 多波长锁模光纤激光器连续调谐多波长锁模激光器一直是激光技术很活跃的研究
10、领域。2006 年 YOON 等人通过调节偏振环形腔中的梳状滤波器来调节波长，获得了相互间隔为 0. 8nm 的 18 个波峰输出。 CHEN 等人于 2007 年使用色散位移光纤和 Mach-Zehnder 干涉镜，获得了间隔分别为 0. 2nm ( 25GHz ) , 0. 4nm ( SOGHz ) , 0. 8nm (100GHz)和 1. 6nm ( 200GHz)的多波长输出。YOSHIDA 等于 2007 年在环形腔中加人一个光频谱干涉仪，调频 1 GHz 仍然能够保持模式锁定，并通过滤波器获得 1535 nm-1560nm 的波长调谐。3.2 拉伸脉冲锁模光纤激光器由于光纤介质
11、具有较高的色散和非线性系数，限制了锁模脉冲激光器输出能量，对于飞秒脉冲来说，其典型的单脉冲能量一般都在皮焦量级。因此，提高锁模光纤激光器的脉冲能量就显得十分重要。2003 年， IDLAY 等人通过优化反常色散光纤在腔体中的位置和长度，将掺 Yb3+锁模光纤激光器的输出脉冲能量提升到 5 nJ a 2005 年 LI 等人报道了使用正色散单模大芯径光纤获得了 0. 6nJ ,100fs 的高能量脉冲。3. 3 基于光子晶体、双包层光纤的锁模光纤激光器在最近几年里，由于光子晶体和双包层抽运技术的成熟，应用光子晶体和双包层光纤来设计锁模光纤激光器也有不少报道。2004 年法国的 ALBERT 等人
12、报道了用掺 Yb;+双包层光纤做为增益介质，基于光栅对展宽压缩脉冲的原理，在 1050nm 处获得能量 11.8nJ、重复频率 9. 3 MHz、脉宽 196fs、时宽乘积 0. 55 的输出脉冲。2006 年韩国首尔大学的SEUNGIN等人报道了采用长周期光纤光栅进行包层抽运藕合吸收抽运抽运光的实验，输出功率在同样的 20 W 抽运源抽运情况下最大可增加 55%。可见，光子晶体和双包层抽运技术的成熟再一次为锁模光纤激光器提供了广阔的发展空间。4. 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
13、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)
