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小火龙果

2023-11-17 15:08

RP 系列激光分析设计软件 | 主动锁模

关于锁模的文章讨论了通过锁模产生超短脉冲的一般问题。本文专门讨论主动锁模，这涉及谐振腔损耗或往返相位变化的周期性调制。例如，可以通过声光或者电光调制器、马赫-泽恩德集成光调制器或半导体电吸收调制器来实现。如果调制与谐振腔的往返同步，就能产生超短脉冲: 每当循环脉冲击中输出耦合器时，都会产生一个输出脉冲。

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图1：主动锁模激光器的示意图

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通过调制谐振器损耗实现主动锁模（调幅锁模）的原理很容易理解。调制器的作用有两种不同的重要影响：

具有“正确”时序的脉冲可以在损耗最小的时候通过调制器(见图2)。因此，与谐振腔中循环的任何其他辐射相比，它都是有利的。由于脉冲在稳定状态下会使激光增益达到饱和，从而使其往返增益为零，因此其他循环辐射将无法通过调制器，其他循环辐射的往返增益为负值，迟早会消失。

尽管如此，脉冲的两翼还是会有一点衰减，实际上这导致每次往返的脉冲（轻微）缩短，两翼的往返增益为负值，而脉冲中心的往返增益为正值。因此，脉冲会越来越短直到脉冲缩短被其他效应（如增益收窄或色度色散）抵消，从而使脉冲变宽。

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图2：光功率的时间演变和主动锁模激光器中的损耗

调制器会增加脉冲翼的损耗，从而有效缩短脉冲。由于脉冲持续时间相对于脉冲周期通常比显示的要小得多，因此调制器的脉冲缩短效应通常非常微弱。在简单的情况下，可以用库曾加-西格曼理论公式计算出稳定状态下的脉冲持续时间。它是由调制器中的脉冲缩短与增益缩小带来的脉冲展宽之间的平衡。脉冲持续时间通常在皮秒范围内并且与调制器信号强度等参数有微弱的关系，这种微弱的依赖性源于：调制器的脉冲缩短效应在较短的脉冲持续时间内会迅速减弱，而其他延长脉冲的效应（如调制器信号强度）则会在较短的脉冲持续时间内迅速减弱，而延长脉冲的其他效应（如增益收窄和色度色散）则变得更加有效。

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图3：用软件模拟的主动锁模激光器中脉冲持续时间（和其他脉冲参数）的演变RP脉冲在一个个案研究。注意，达到稳定状态需要多次往返，因为每次往返的脉冲整形效应相当弱

开关式调制器的行为：
如果在实现锁模后关闭光调制器，锁模通常就会结束。但在某些情况下如果被动锁模机制也起作用，锁模可能会继续存在。这可能发生在各种情况下，涉及到一些光学非线性，例如克尔透镜锁模。

调频锁模：
不太明显的是，主动锁模也适用于光学相位的周期性调制（而不是振幅调制）。例如例如波克尔斯电池。这项技术被称为调频锁模(FM =频率调制)，不过相位调制锁模一词似乎更为恰当。它会产生一些啁啾脉冲。一些调频锁模激光器表现出一种不稳定性：它们在两种工作模式之间表现出随机跳变，即脉冲通过调制器的时间达到相位延迟的最小值或最大值。这种双稳态性有时会因色散和非线性效应消除。

同步；再生反馈法：
为了稳定运行，谐振器的往返时间必须与调制器信号的周期（或其整数倍）相当精确地匹配，以便循环脉冲能以最小的损耗通过调制器。即使激光谐振器和驱动信号之间存在很小的频率匹配误差，也会导致强烈的定时抖动，甚至出现混乱行为，因为在脉冲定时上获得的 “拉力 ”非常弱。
为了长期的稳定运行，仅靠仔细调整稳定的激光装置不足以实现调制器驱动器和激光器之间的同步是不够的，因为会出现热引起的往返时间和振荡器频率漂移等情况。通常情况下，我们需要一个回馈电路，自动调节激光谐振腔的调制频率或激光谐振器的长度(从而调节其往返时间)。一种常用的技术是再生锁模（也称为带再生反馈的锁模），图[5].在这里，调制器信号不是由自由振荡或稍加校正的电子振荡器产生，而是从检测到的脉冲序列本身的强度调制信号中获得。这种方案对于实现可调脉冲重复率尤为重要，通常应用于锁模光纤激光器和激光二极管。

具有更高脉冲重复频率的主动锁模：
由于几何上的限制，很难通过将激光谐振器做得很短来达到很高的脉冲重复率。解决方案可以是是谐波锁模，即多个脉冲在激光谐振器中循环。调制器频率是往返频率的整数倍。该方法的一个变种是有理谐波锁模，其调制频率为往返频率乘以两个整数之比。

与被动锁模的比较：
与被动锁模相比，主动锁模通常会产生脉冲持续时间更长的脉冲。这主要是因为脉冲越短，调制器的脉冲缩短效果就越差。相比之下，用于被动锁模的可饱和吸收器可以在脉冲变短时提供更快的损耗调制。
主动锁模的另一个缺点是需要光学调制器、电子驱动器和（大多数情况下）同步装置（见上文）。
另一方面，当需要与某些电子信号同步的脉冲序列时，或当许多激光器需要同步运行时，主动锁模是一种自然的解决方案。因此，主动锁模通常用于光纤通信。

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