1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 光電子技術基礎課程設計 題 目 鎖模激光器的設計 院 系 電子科學學院 專業班級 電子科學與技術 學生姓名 學生學號 指導教師 2012年3月2日東北石油大學課程設計任務書課程 光電子技術基礎課程設計題目 鎖模激光器的設計 專業 電子科學與技術 姓名 學號 主要內容、基本要求、主要參考資料等1、主要內容：設計一鎖模激光器，說明所設計的鎖模激光器的基本原理、給出所設計的鎖模激光器的結構、所使用的材料。2、基本要求：說明該鎖模激光器的性能參數，撰寫報告。3、主要參考資料：1江 濤,激光與光電子學進展,北京,電子工業出版社,2000年(8) 40-432賈

2、正根,半導體報,北京,電子工業出版社,2000年6月第37卷(3)45-473周炳琨等,激光原理,第5版,北京,國防工業出版社,2004年8月4馬養武等,光電子學,第2版,杭州,浙江大學出版社,2003年3月完成期限 2012.2.27 2012.3.2 指導教師 專業負責人 年 月 日光電子技術基礎課程設計目錄第1章 概述11.1 激光器的發展史11.2 鎖模的基本理論21.2.1多模激光器的輸出特性21.2.2鎖模的三大特點2第2章 鎖模激光器的原理32.1 鎖模的基本原理32.1.1 鎖模的概念32.1.2鎖模脈沖的特征3第3章 鎖模方式63.1 主動鎖模63.1.1損耗內調制鎖模63.

3、1.2相位內調制鎖模73.1.3主動鎖模激光器的結構73.2 被動鎖模8第4章 鎖模光纖激光器設計104.1 鎖模光纖激光器基本結構104.2 鎖模光纖激光器設計10結 論12參考文獻13光電子技術基礎課程設計第1章 概述1.1 激光器的發展史20世紀60年代初期，美國物理學家西奧多梅曼用紅寶石作為激光的工作物質，發明了世界上第一臺紅寶石激光器。1961年，A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。按工作介質分，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和染料激光器4大類。近來還發展了自由電子激光器，大功率激光器通常都

4、是脈沖式輸出。 激光器是能發射激光的裝置，激光器的發明是20世紀科學技術的一項重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數量極大、運動極混亂的分子和原子的發光過程，從而獲得產生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線等光線的能力。激光科學技術的興起使人類對光的認識和利用達到了一個嶄新的水平。在1960年，美國物理學家西奧多梅曼用紅寶石作為激光的工作物質，發明了世界上第一臺紅寶石激光器。1961年，賈文等人制成了氦氖激光器。1962年霍耳等人創制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。根據工作物質物態的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：固體激光器，這類激光器所采用的工作物質，是通過把能

5、夠產生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質中構成發光中心而制成的；氣體激光器，它們所采用的工作物質是氣體，并且根據氣體中真正產生受激發射作用之工作粒子性質的不同，而進一步區分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；液體激光器，這類激光器所采用的工作物質主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液；半導體激光器，這類激光器是以一定的半導體材料作工作物質而產生受激發射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間，通過激發非平衡載流子而實現粒子數反轉，從而產生光的受激發

6、射作用；自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產生可調諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區域，因此具有很誘人的前景。1.2 鎖模的基本理論鎖模就是將多縱模激光器中各縱模的初相位關系固定,形成等時間間隔的光脈沖序列。激光器的模式分為縱模和橫模。鎖模也分為鎖縱模、鎖橫模、鎖縱橫模三種。最主要的是縱模鎖定。1.2.1多模激光器的輸出特性 為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經鎖摸的多縱模自由運轉激光器的輸出特性。腔長為L的激光器，其縱模的頻率間隔為 （1） 自由運轉激光器的輸出一般包含

7、若干個超過閥值的縱模，這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時間的變化是它們無規則疊加的結果，是一種時間平均的統計值。 假設在激光工作物質的凈增益線寬內包含有2N+1個縱模，那么激光器輸出的光波電場是N個縱模電場的和，即E(t)= （2）式中，q0， 1， 2， N是激光器內(2N+1)個振蕩模中第q個縱模的序數； 是縱模序數為q的場強; 及是縱模序數為q的模的角頻率及相位。1.2.2鎖模的三大特點1. 各縱模初相位彼此無確定關系，完全獨立、隨機的。2. 頻譜：由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴格相等，各縱模不相干。3. 輸出光強：輸出光強由于各縱模之間非相干疊加而呈現隨

8、機的無規則起伏。第2章 鎖模激光器的原理2.1 鎖模的基本原理2.1.1 鎖模的概念鎖模就是將多縱模激光器中各縱模的初相位關系固定,形成等時間間隔的光脈沖序列。使各縱模在時間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。2.1.2鎖模脈沖的特征先看三個不同頻率光波的疊加： （3） 其中i=1,2,3 設三個振動頻率分別為、的三個光波沿同一方向傳播且有關系式：=3，=2,E1=E2=E3=E0若相位未鎖定，則此三個不同頻率的光波的初位相j1 、j2 、j3 彼此無關。由于破壞性的干涉疊加，所形成的光波并沒有一個地方有很突出的加強。輸出的光強只在平均光強基礎上有一個小

9、的起伏擾動。但若設法使j1 = j2 = j3 =0時，有 當 t=0 時,; 時, 三波疊加的結果是：E=E1+E2+E3 = 0;同理可得時，E=0；時，這樣就會出現一系列周期性的脈沖。 當各光波振幅同時達到最大值處時，由于“建設性”的干涉作用，就周期性地出現了極大值（）。當然, 對于諧振腔內存在多個縱模的情況，同樣有類似的結果。如果采用適當的措施使這些各自獨立的縱模在時間上同步，即把它們的相位相互聯系起來，使之有一確定的關系(jq+1 - jq =常數)，那么就會出現一種與上述情況有質的區別而有趣的現象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，這就是說，該激光器各模的相位己按照常

10、數的關系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應的技術稱為“鎖模技術”。要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，就是使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為，并且相鄰位相差為常量。這一點在單橫模的激光器中是能夠實現的。 下面分析激光輸出與相位鎖定的關系，為運算方便，設多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅E0，超過閾值的縱模共有2N+1個，處在介質增益曲線中心的模，其角頻率為，初相位為0，其模序數q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為，模頻率間隔為，假定第q個振蕩模 （4） 式中，q為腔內振蕩縱模的序數。激光器輸出總光場是2N+1個縱模相干的結果： （5）式中 （a） 2N+1個模

11、式經過鎖定以后，總的光波場變為頻率為的單色調幅波，振幅A(t)即總光波場受到振幅調制。(b) 光波電場調幅波按傅立葉分析是由2N+1個縱模頻率組成，因此光波的脈沖包括2N+1個縱模的光波。 光場變為頻率為的調幅波。振幅是隨時間變化的周期函數，光強，也是時間的函數,光強受到調制。按傅里葉分析，總光場由2N+1個縱模頻率組成，因此激光輸出脈沖是包括2N+1個縱模的光波。圖1給出了9（N=4)個振蕩模的輸出光強曲線。 圖1 9個振蕩模的輸出光強由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化情況，即可了解輸出激光的持性。為討論方便，假定= 0，則 （6）上式分子、分母均為周期函數，因此A(t)也是周期函數

12、。只要得到它的周期、零點，即可以得到A(t)的變化規律。可求出A(t) 的周期為； 因為 ,所以，在一個周期內2N個零值點及2N+1個極值點。 在t=0和時，A(t)取得極大值，因A(t)分子、分母同時為零，利用羅彼塔法則可求得此時振幅。在時，A(t)取得極小值E0，當N為偶數時，A(t)=E0，N為奇數時，A(t)=-E0。除了t=0，及點之外，A(t)具有2N-1次極大值。由于光強正比于A2(t)，所以在t=0和時的極大值，稱為主脈沖。在兩個相鄰主脈沖之間，共有2N個零點，并有2N-1個次極大值，稱為次脈沖。所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個光脈沖在腔內來回傳播。通過分析可知以下性質：(1)

13、激光器的輸出是間隔為的規則脈沖序列。(2)每個脈沖的寬度可見增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬。（ t=t0=0時，A(t)有極大值，而分子時，A(t)=0,令并近似為半峰值寬，則有）(3)輸出脈沖的峰值功率正比于，因此，由于鎖模，峰值功率增大了2N+1倍。 (4)多模激光器相位鎖定的結果，實現了常數，導致輸出一個峰值功率高，脈沖寬度窄的序列沖。因此多縱模激光器鎖模后，各振蕩模發生功率耦合而不再獨立。每個模的功率應看成是所有振蕩模提供的。第3章 鎖模方式3.1 主動鎖模3.1.1損耗內調制鎖模 在諧振腔中插入一個電光或聲光損耗調制器。設調制周期為，調制頻率(恰為縱模頻率間隔)。 圖2鎖模調制

14、示意圖從時域理解鎖模脈沖的形成:因為(振幅)損耗調制的頻率，相應的周期恰好是光子在腔內往返一周的時間。 腔內各個縱模中的某些光子，如果是在調制器損耗為零時通過，則在腔內往返一周后，所受到的損耗仍然為零。只有通過調制器時損耗為零的光，才能不斷地被放大而增長起來，如此得到周期為T的窄脈沖輸出從頻率域模式耦合的角度來說明損耗調制鎖模的原理。假設中心頻率處的模首先振蕩，其振幅調制后的電矢量為： (7)其中腔內傳播的不僅為原有的頻率，還包括頻率為的兩個邊帶。這兩個邊帶頻率與中心頻率的間隔恰好等于激光器的縱模間隔.由于邊帶與中心頻率的振蕩同相位，所以使得新激發起來的縱模與的振蕩也同相位。 即在激光器中，一

15、旦形成的振蕩，將同時激起兩個相鄰模式的振蕩，如圖3所示。圖3中心頻率及兩邊頻這兩個邊帶(縱模)通過調制器的作用，還將繼續激發起另外相鄰的兩個邊帶(縱模)。這樣繼續下去，可將多模激光器的所有縱模都激發成有相同相位的縱模振蕩。 3.1.2相位內調制鎖模 如果在諧振腔中插入一個電光位相調制器，也可達到鎖模的目的。設光振幅不變，位相以頻率變化，即 相位調制只能利用電光相位調制，使光波的相位按調制信號的規律變化。選用的晶體KDP縱向運用LN橫向運用。相位調制后也能激起帶寬內的所有邊頻光同步振蕩，實現鎖模。3.1.3主動鎖模激光器的結構 (1) 主動鎖模激光器結構如圖4所示，主動鎖模激光器中所有光學元件的

16、要求應比一般調Q器件更加嚴格，端面的反射必須控制在最小，否則由于標準具效應會減少縱橫個數，破壞鎖模的效果。(2)調制器應放在腔內盡量靠近反射鏡處，以便得到最大的縱模之間的耦合效果。調制器在通光方向的尺寸應盡量小。 (3)鎖模調制器的頻率必須嚴格調諧到，否則會使激光器工作越出鎖模區，而進入猝滅區或調頻區，從而破壞鎖模。激光介質聲光器件全反鏡輸出鏡激光圖4主動鎖模激光器結構示意圖3.2 被動鎖模被動鎖模激光器結構如圖5所示，這種激光器主要包括光學諧振腔、激光棒、染料盒以及小孔光闌。為了得到高重復率的高質量鎖模脈沖序列，對染料濃度、泵浦強度和諧振腔的設計及調整等都有嚴格的要求，否則，激光輸出將極不穩

17、定。設計被動鎖模激光器時應注意以下幾點： 圖5被動鎖模激光器結構示意圖為了消除標準具效應，應將光學元件表面切成布儒斯持角，鍍以增透膜及傾斜放置等，以利于消除非工作表面的反射。為了防止末端元件的反射光進入腔內，全反鏡的后表面應磨成楔形。用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件：染料的吸收譜線與激光波長相匹配；其吸收線的線寬大于或等于激光線寬；其弛豫時間短于脈沖在腔內往返一次的時間。被動鎖模的物理過程由不規則的脈沖演變為鎖模脈沖的物理過程大致分為三個階段。（一）線性放大階段 各模式振蕩（由光的隨機起伏相位固定過度）,增加強弱脈沖的差別，甚至使弱脈沖消失。特點：初始階段，有機染料未飽和非線性吸收光波場自

18、發輻射的熒光G2時，產生激光，在激光介質中線性放大-增益未飽和。自發輻射的熒光幾乎包括腔內所有模式，頻譜寬，但光強弱，隨著的增加，當G2時，產生激光，激光強度波形漲落形式，腔內總電場可表為各模式電場之和。各模之間的相位無規則分。在一周期2L/c時間內，光波通過有機染料、激活介質各一次。強脈沖吸收的少，弱脈沖吸收的多-非線性吸收；在激活介質中，強脈沖放大的多，弱脈沖放大的少線性放大，因此強脈沖加強，弱脈沖光強減少，甚至消失，脈沖個數減少，頻譜變窄這種變化的周期2L/c 。（二）非線性吸收階段（進行相位固定階段）特點：染料，強脈沖使染料飽和，弱脈沖不能使染料飽和非線性吸收主要作用。工作物質增益G未

19、飽和線性放大。在此階段存在三個重要作用：）強脈沖的強度能使染料飽和損耗少（相對值小）。弱脈沖不能使染料飽和吸收的多在I未達到Is，工作物質中線性放大的少。結果脈沖個數減少到12個（頻譜窄）。）從時間域看，脈沖的寬度變窄，對脈沖的前后沿有壓縮，當馳豫時間即染料的上能級脈寬時，脈沖的前后沿吸收也不同。）從頻譜 加寬頻譜脈沖經過染料，激光介質時，可以激發更多的邊頻耦合了更多的模式，這時腔內的損耗具有周期形 。（三）非線性放大階段（主要壓縮脈寬階段）特點：染料飽和工作物質，增益飽和非線性放大由于脈沖強度進一步增大，耦合的模式增大，脈沖前沿的光可使染料飽和，前沿變陡。對于激活介質來說，介質增益飽和，強脈

20、沖通過放大介質時，前沿中心部位放大的多，脈沖后沿可能放大的少，經過幾次放大過程前后沿變陡脈沖變窄。弱脈沖進一步受到抑制，最后腔中剩下一個脈沖振蕩。從形成過程看，被動鎖模是由很多脈沖相互競爭的結果。脈沖的出現是隨機的，造成每一次輸出不同。受染料的濃度，泵浦光源，諧振腔的結構，調整誤差影響。鎖模脈沖的形成ta線性階段開始，tb非線性階段開始，tc 非線性放大，增益飽和。td增益降至閾值，到達最大光強，脈沖的包絡振幅，由飽和光強和反射鏡的透過率決定。被動鎖模在脈沖激光器中進行，輸出的脈沖序列包絡和被動Q開關脈沖相似。被動鎖模的過程：(1)頻譜：寬頻譜窄寬，(2)光強：光的隨機起伏光有規律形成一個脈沖

21、。(3)相位：由相位隨機相位固定。第4章 鎖模光纖激光器設計4.1 鎖模光纖激光器基本結構鎖模光纖激光器主要由泵浦源、光學耦合系統、增益摻雜光纖、鎖模調制器件和光學準直系統組成，其基本結構如圖6所示。圖6 鎖模光纖激光器基本結構圖鎖模光纖激光器在結構上與連續波光纖激光器基本相同，所不同之處在于諧振腔內加入的是鎖模調制器件，而非連續波激光器中的選模器件，通過鎖模器件將諧振腔內所有的振蕩縱模利用起來，從而形成穩定的超短脈沖輸出。泵浦源主要是為摻雜光纖提供泵浦能量，當泵浦光通過光纖中的稀土離子時，稀土離子吸收泵浦光，使粒子從低能級躍升到高能級，從而實現粒子數反轉。泵浦源在很大程度上決定了鎖模光纖激光

22、器的性能，泵浦源工作穩定、可靠、壽命長，則所獲得的鎖模脈沖質量和可靠性就高。目前用于鎖模光纖激光器的泵浦源主要是半導體激光器（LD），由于 LD 具有體積小、壽命長、功耗小、耦合效率高等優點，因此被廣泛采用，常用的 LD 泵浦波長有 820nm，920nm，980nm和1480nm 等。 摻雜光纖為鎖模光纖激光器提供必要的增益以補償腔體損耗并滿足一定的輸出功率需要。可用作增益介質的摻稀土光纖有很多種，其中較為常用的有摻鉺、鐿、釹光纖。4.2 鎖模光纖激光器設計 鎖模調制器件是鎖模光纖激光器中最為關鍵的部件。鎖模脈沖的形成主要是通過鎖模調制器件來促使諧振腔內各縱模間滿足固定的相位關系實現的。因此

23、其調制特性對鎖模脈沖的寬度、幅度以及脈沖形狀等都有重要的影響。鎖模調制器件按照工作方式主要分為：主動調制和被動調制器件。主動調制器件是利用外界信號來實現鎖模，而被動調制器件則無需外界信號的介入，通常是利用鎖模脈沖自身的光場強度來建立鎖模振蕩。在實際的應用中,環境穩定性對被動鎖模光纖激光器是一個十分重要的影響因素。主要原因是因為較長的光纖長度造成的非常大的非線性相移,溫度以及壓力的變化也引起鎖模過程中的光纖雙折射幅度的漲落。為解決這個問題,一般將光纖的長度縮短至10 米以下,并選用高雙折射光纖,這樣環境的變化不會影響線性雙折射。1.主動鎖模光纖激光器 主動鎖模是通過外界信號來周期性地調制諧振腔參

24、量，實現各腔體縱模之間相位鎖定的一種鎖模技術，其基本結構如圖7所示，它是一個環形腔結構。鉺光纖提供腔內的增益。腔內的主動鎖模器件是一個高速調制器，它對光波的調制方式有兩種：一種是振幅調制；另一種是相位調制。調制器在正弦電壓信號的驅動下產生周期性的損耗或者周期性的相位變化，這種周期性的變化與腔內循環的脈沖相互作用導致了鎖模脈沖序列的產生。 到目前為止，通過直接調制的主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的重復頻率最高達 40GHz，脈沖寬度為 3.5ps。利用有理數諧波鎖模技術，主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的重復頻率可以達到 80-200GHz。而采取色散漸減摻鉺光纖放大器進行絕熱孤子壓縮可以使輸出脈沖的脈寬

25、小于 200fs。 EDF- 摻鉺光纖 ；ISO-隔離器；WDM-波分多路復用圖7 主動鎖模光纖激光器結構簡圖主動鎖模光纖激光器具有脈沖重復速率高、中心波長和脈沖重復速率可調諧、可直接產生無頻率啁啾近似變換極限的光脈沖等的優點。但是，由于受到調制器調制帶寬的限制，其輸出脈沖寬度通常為ps量級，并且還容易受到外界環境（如溫度變化、機械振動）、諧振腔內偏振態起伏、超模噪聲等因素的影響，因此需要很多復雜的技術來提高系統的穩定性。此外，主動鎖模光纖激光器的成本相對較高，制作技術難度大，并且由于引入了外加調制器，導致了腔體的附加損耗增大。結 論如果在激光諧振腔內不加入任何選模裝置，那么激光器的輸出譜線是

26、由許多分立的，由橫縱模確定的頻譜組成的。激光躍遷線寬把具有足夠大增益的振蕩模的數日限制在一定數量。只有那些激光介質的增益超過諧振腔損耗的波長的光才形成激光輻射。通常用帶寬、縱摸數量以及相干長度等術語來描述激光的譜線特性。在自由運轉激光器中 ，縱模及橫模是在無任何固定的振幅及相位關系下同時振蕩的，這種激光器的輸出是按時間平均統計平均值的。在一般諧振腔內，處于激光介質的增益大于諧振腔損耗頻率范圍內的縱模有幾百個。在頻域范疇內，激光輻射由許多縱模間隔為的譜線組成。這些模彼此互不相關地進行振蕩，其相位隨機地分布在-到+之間。其時域輸出特征類似熱噪聲。但是，如果迫使振蕩模彼此之間的相位關系保持固定，那么激光輸出將以完全確定的形式變化。此時，我們說激光是鎖模或鎖相的。鎖橫激光器的輸出為高斯分布(頻率對振幅)，并且相位完全一樣。在時域內，激光輸出為高斯脈沖串，因此鎖模相當于使譜線的振幅及相位相關。本論文圍繞鎖模光纖激光器，對激光器系統中亟待解決的光譜邊帶和熒光的抑制、耦合輸出比與偏振控制器的優化、