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光纤激光器锁模技术的原理

时间：2011-12-31 22:50:09  来源： 打印本文

光纤激光器锁模技术的原理

2005/1/20/16:48    光纤激光器产生超短光脉冲采用的技术通常有两种：调Ｑ技术和锁模技术。调Ｑ技术虽然可以使光纤激光器在整个增益谱的宽范围内产生波长可调的高峰值功率（大于１ｋＷ）脉冲，但这种脉冲的宽度相对较宽。而锁模技术加上脉冲压缩技术则可以产生比１００ｆｓ更短的光脉冲。以下我们就来分析锁模技术的原理。

    光纤激光器通常具有大的增益带宽（大于３０ｎｍ）和相对小的纵模间隔（小于１００ＭＨｚ）。因此，它在工作时同时会有大量的纵模落在增益带宽内。如果模式间的频率间隔用△υ表示，那么△υ＝ｃ／ＬＯＰＴ这里ＬＯＰＴ是光在激光器腔内环行一周的光程长度，ｃ为光速。总的光场可写成：

    Ｅｔ＝Ｅｍｅｘｐｉφｍ－ｉωｍｔ （１）

    式中Ｅｍ、φｍ和ωｍ分别是２Ｍ＋１个模式中某一特定模式的幅度、相位和频率。如果所有模式互相独立地工作，它们具有相同的幅度：Ｅｍ＝Ｅ０，它们间的相位关系不固定，则总光强２中的相干项平均值为零，２＝（２Ｍ＋１）Ｅ２０。

    锁模是发生在各种纵模的相位同步的情况下。此时，在任意两个相邻模式间的相位差被锁定为一常数φ，即φｍ－φｍ－１＝φ。这样，相位关系可表达为φｍ＝ｍφ＋φ０。模式频率ωｍ＝ω０＋２ｍπ△υ。如果我们把这些关系式应用到式１中，并且为简化起见假设所有模式有相同的幅度Ｅ０，则其总光强为：

    ２＝ｓｉｎ２２Ｍ＋１π△υｔ＋φ／２Ｅ２０／
    ｓｉｎ２π△υｔ＋φ／２

    由此可见，总光强２是一个时间的周期函数，其周期τｒ＝１／△υ，这正是光在激光器腔内环行一周的时间。激光器以脉冲串的形式输出，两个相邻脉冲间的时间间隔为τｒ。解释这个结果有一个简单的办法：一个单一脉冲在激光器腔内循环，与此同时其中一小部分能量在每次脉冲到达输出端耦合器的时刻输出。

    脉冲宽度τｐ可由式（２）估算：τｐ＝［（２Ｍ ＋１）△υ－１。其中（２Ｍ＋１）△υ代表所有相位锁定模式的总带宽。由此可见，脉冲宽度与相位同步的各个纵模所占的光谱带宽成反比，由式（２）可知，脉冲光强的极大值２ｍａｘ＝（２Ｍ＋１）２Ｅ２０，因此，锁模激光器输出脉冲的峰值强度为同一激光器未锁模时平均光强的２Ｍ＋１倍。