主动锁模

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主动锁模

定义:一种锁模技术,利用的是主动调制腔内损耗或者相位变化。

在词条锁模中介绍了通过锁模来产生超短脉冲的方法。这里讨论的是主动锁模,利用周期性调制谐振腔损耗或者往返的相位差。调制可采用声光调制器或者电光调制器,马赫曾德尔集成光学调制器,或者半导体电吸收调制器。如果将调制与谐振腔结合,可以产生超短脉冲。

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图1:主动锁模激光器的示意图。

主动锁模的原理很容易理解就是调制谐振腔损耗。在合适时刻的脉冲经过调制器后的损耗最小(如图2)。然而,脉冲两侧仍然会存在一定的损耗,在腔内往返一周后脉冲显著缩短,直至脉冲缩短效应由其他能使脉冲展宽的效应抵消(例如,增益变窄)。

在一些简单的情况下,稳态的脉冲长度可以通过Kuizenga-Siegman理论计算。脉冲长度通常在皮秒量级,与调制信号强度等参数只有很小的联系。联系来自于调制器的脉冲缩短效应对于更短的脉冲变小,而其它能使脉冲变长的效应变大。

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图2:主动锁模激光器功率和损耗随时间的变化曲线。调制器使脉冲两侧的损耗变大,有效缩短脉冲。脉冲长度与脉冲周期比如图所示的比例要小得多,调制器的脉冲缩短效应通常比较弱。


目录

频率调制锁模

还有的情况下,主动锁模采用周期性的相位调制,尽管这会得到啁啾脉冲。这种技术也称为频率调制锁模,尽管称为相位调制锁模可能更为合适。有些频率调制锁模激光器具有某种不稳定性:两个工作模式之间存在随机耦合,其中脉冲在相位延迟最小或最大值处通过调制器。这种双稳定性有时可通过色散或者非线性效应移除。


同步反馈方法

为了稳定工作,在谐振腔中的往返时间需要与调制器信号的周期严格相等(或者是其整数倍),这样脉冲每次经过调制器都经历最小的损耗。激光器谐振腔与驱动信号之间很小的频率不匹配都会产生非常强的时间抖动,甚至产生混沌行为。

调制器驱动器和激光器的同步可以通过经过调整激光器装置或者采用反馈回路自动改变调制频率或者激光器谐振腔的损耗。常用的一种技术是再生锁模[5]。其中,调制器信号不是由自由运行的或者稍微修正的电子振荡器产生,而是来自于探测到的脉冲列的强度调制信号本身。这种方法对于得到可调谐脉冲重复速率非常重要,通常用于锁模光纤激光器激光二极管中。


主动锁模得到更高的脉冲重复频率

由于几何限制,通过缩短激光器谐振腔很难得到非常高的脉冲重复速率。一种解决方法是谐波锁模,其中多个脉冲在谐振腔中振荡。调制器频率是往返频率的整数倍。该方法的另一种为有理数谐波锁模,其中调制频率是往返频率乘以两个整数的比值。


与被动锁模比较

与被动锁模相比,主动锁模能够产生更长的脉冲。但是其缺点就是需要光学调制器,电子驱动器和同步的方法。然而,当需要将脉冲列与一些电子信号合成时,主动锁模是最好的方法,或者需要同时采用多个激光器时。因此,主动锁模通常用于光纤通信中。


参考文献

[1] L. E. Hargrove, R. L. Fork, and M. A. Pollack, “Locking of He–Ne laser modes induced by synchronous intracavity modulation”, Appl. Phys. Lett. 5, 4 (1964) (first report of active mode locking)

[2] M. DiDomenico, “Small-signal analysis of internal (coupling type) modulation of lasers”, J. Appl. Phys. 35 (10), 2870 (1964)

[3] M. H. Crowell, “Characteristics of mode-coupled lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 1, 12 (1965)

[4] A. Yariv, “Internal modulation in multimode laser oscillators”, J. Appl. Phys. 36 (2), 388 (1965)

[5] G. R. Huggett, “Mode locking of CW lasers by regenerative RF feedback”, Appl. Phys. Lett. 13, 186 (1968)

[6] D. J. Kuizenga and A. E. Siegman, “FM and AM mode locking of the homogeneous laser - Part I: Theory”, IEEE J. Quantum Electron. 6 (11), 694 (1970)

[7] H. A. Haus, “A theory of forced mode locking”, IEEE J. Quantum Electron. QE-11, 323 (1975)

[8] H. Haus et al., “Theory of soliton stability in asynchronous modelocking”, IEEE J. Lightwave Technol. 14 (4), 622 (1996)



参阅:锁模被动锁模锁模激光器皮秒激光器超短脉冲Kuizenga-Siegman理论光脉冲