声光调制锁模激光器实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印声光调制锁模激光器1/11在激光器中利用锁模技术可得到持续时间短到皮秒（ps=10-12S）量级的强短脉冲激光。80年代后期利用碰撞锁模技术可获得持续时间短到飞秒（fs=10-15S）量级的超短脉冲。极强的超短脉冲光源大大促进了非线性光学，时间分辨激光光谱学、等离子体物理等学科的发展。本实验的目的：（1）学习和掌握激光锁模和声光调制原理。（2）掌握锁模激光器结构特点及调试方法。（3）观察腔长变化及调制深度对输出光脉冲的影响。一、锁模激光器原理本实验是在He-Ne激光器的腔内插入声光损耗调制器来实现对633nm激光锁模的。He-Ne激光介质的增益特性属非均匀增宽类型，如果激光器的腔长不太短，就会出现多个激光纵模振荡（本实验只讨论基横模情况）。相邻纵模的圆频率差为,21Lcqq(1)其中c为光速，L为腔长，若激光介质的增益线宽为ΔωG，则激光器腔内就会有N个纵模存在：,GN(2)在腔内N个纵模的总光场可表示为,exp,21210NNnnncztniEtzE(3)式中ω0为增益线宽中心处的纵模频率。一般在自由振荡的激光器中，N个纵模初相位n之间没有固定的关系，彼此是随机变化的。在比纵模振荡周期大得多的时间内根据（3）式对光强求平均，并假设各纵模振幅相等即En=E0可得,,20NEtzII(4)激光总强度正比于各纵模强度之和。用扫描干涉仪观察纵模频谱，可看到各个纵模强度是随机涨落的，这是由于模式之间无规干涉引起的。如果我们用某种方法使激光器中各纵模初相位之间建立固定的联系，或者说使所有纵模同步振荡，在激光腔内各纵模就可以相干叠加了。为了简便，令（3）式的0n，并有En=E0，可得,21sin21sinexp,0cztcztNcztiEtzE(5)其光强为2/11,21sin21sin,,22202cztcztNEtzEtzI(6)把（6）式与（4）式比较可知，但各纵模的相位同步以后，原来是连续输出的光强变成了随时间和空间变化的光强。现在分别在固定空间或固定时间上来观察光强的变化特点。1、当固定空间位置（令z＝0）观察（6）式随时间的变化关系有,21sin21sin2220ttNEtI(7)I(t)为相对光强。（7）式有一下特点：（1）N个有相同频率间隔的同步等幅振荡，可使激光光强变成随时间变化的脉冲序列，脉冲的周期T为,22cLT(8)T是光脉冲在腔内来回传播一次所需的时间。（2）在（7）式的分母趋于零时，可得光脉冲的峰值光强,202maxENI(9)与（4）式比较，比自由振荡时的平均光强大了N倍。（3）光脉冲的宽度为,12GN(10)是脉冲周期T的1/N，锁住的纵模个数越多，锁模脉宽就越窄，把（2）式代入（10）式，得,12GG(11)锁模脉宽与增益线宽G成反比，增益线宽越宽，参与相干叠加的纵模个数越多，脉宽就越窄。图1给出E0＝1，N＝5时，（7）式的计算结果。3/11图1光脉冲序列时间分布2、当固定时间（令t=0）观察（6）式的空间变化关系有,2sin2sin0222zLzLNEzI(12)为相对光强，（12）式有以下特点：（1）N个有相同频率间隔及同步等幅振荡的纵模，相干叠加后变成了随空间距离周期变化的脉冲激光序列，光脉冲的空间周期为2L。（2）输出光脉冲的峰值强度为,202EgNzI(13)式中的g为激光腔镜的透射率。（3）光脉冲的空间宽度为2L/N。锁住的纵模个数越多，光脉冲的空间宽度就越窄。以上描述的是锁模激光的特性。问题是如何实现使腔内同时存在的N个纵模有相同的相位，这就要靠锁模技术。激光锁模的方法有多种。例如在激光腔内放入可饱和吸收元件。这类元件在腔内运转过程中不能用人为的方法控制，故称为被动锁模。有的在激光腔内放置调制元件，对光波进行调幅或调相。这类器件的某些参数可以人为地加以控制，用这类器件实现锁模的则称为主动锁模。主动锁模又分两种，一种是调制振幅的调幅锁模，简称AM。另一种是调制频率的调频锁模，简称FM。本实验采用主动锁模的调幅技术，在激光腔内插入损耗调制器，使激光纵模强度在腔内受到周期性的损耗调制，假设损耗调制的函数形式为,cos0t(14)为调制频率，受到损耗调制的第q个纵模振动可表示为qqqqttEtEcoscos1004/11qqooqqqqtEtEcos21cos0(15)qqtEcos2100从（15）式可知，除了频率为q的振动外还产生了两个边频振动，频率为q。当等于纵模频率间隔时，边频频率正好与1...
