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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1~30115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()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()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。.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： ，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, (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。 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.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。2.2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。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。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