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小火龍果

2023-11-17 15:08

RP 系列激光分析設(shè)計軟件 | 主動鎖模

關(guān)于鎖模的文章討論了通過鎖模產(chǎn)生超短脈沖的一般問題。本文專門討論主動鎖模，這涉及諧振腔損耗或往返相位變化的周期性調(diào)制。例如，可以通過聲光或者電光調(diào)制器、馬赫-澤恩德集成光調(diào)制器或半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器來實現(xiàn)。如果調(diào)制與諧振腔的往返同步，就能產(chǎn)生超短脈沖: 每當(dāng)循環(huán)脈沖擊中輸出耦合器時，都會產(chǎn)生一個輸出脈沖。

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圖1：主動鎖模激光器的示意圖

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通過調(diào)制諧振器損耗實現(xiàn)主動鎖模（調(diào)幅鎖模）的原理很容易理解。調(diào)制器的作用有兩種不同的重要影響：

具有“正確”時序的脈沖可以在損耗最小的時候通過調(diào)制器(見圖2)。因此，與諧振腔中循環(huán)的任何其他輻射相比，它都是有利的。由于脈沖在穩(wěn)定狀態(tài)下會使激光增益達到飽和，從而使其往返增益為零，因此其他循環(huán)輻射將無法通過調(diào)制器，其他循環(huán)輻射的往返增益為負(fù)值，遲早會消失。

盡管如此，脈沖的兩翼還是會有一點衰減，實際上這導(dǎo)致每次往返的脈沖（輕微）縮短，兩翼的往返增益為負(fù)值，而脈沖中心的往返增益為正值。因此，脈沖會越來越短直到脈沖縮短被其他效應(yīng)（如增益收窄或色度色散）抵消，從而使脈沖變寬。

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圖2：光功率的時間演變和主動鎖模激光器中的損耗

調(diào)制器會增加脈沖翼的損耗，從而有效縮短脈沖。由于脈沖持續(xù)時間相對于脈沖周期通常比顯示的要小得多，因此調(diào)制器的脈沖縮短效應(yīng)通常非常微弱。在簡單的情況下，可以用庫曾加-西格曼理論公式計算出穩(wěn)定狀態(tài)下的脈沖持續(xù)時間。它是由調(diào)制器中的脈沖縮短與增益縮小帶來的脈沖展寬之間的平衡。脈沖持續(xù)時間通常在皮秒范圍內(nèi)并且與調(diào)制器信號強度等參數(shù)有微弱的關(guān)系，這種微弱的依賴性源于：調(diào)制器的脈沖縮短效應(yīng)在較短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)會迅速減弱，而其他延長脈沖的效應(yīng)（如調(diào)制器信號強度）則會在較短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)迅速減弱，而延長脈沖的其他效應(yīng)（如增益收窄和色度色散）則變得更加有效。

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圖3：用軟件模擬的主動鎖模激光器中脈沖持續(xù)時間（和其他脈沖參數(shù)）的演變RP脈沖在一個個案研究。注意，達到穩(wěn)定狀態(tài)需要多次往返，因為每次往返的脈沖整形效應(yīng)相當(dāng)弱

開關(guān)式調(diào)制器的行為：
如果在實現(xiàn)鎖模后關(guān)閉光調(diào)制器，鎖模通常就會結(jié)束。但在某些情況下如果被動鎖模機制也起作用，鎖模可能會繼續(xù)存在。這可能發(fā)生在各種情況下，涉及到一些光學(xué)非線性，例如克爾透鏡鎖模。

調(diào)頻鎖模：
不太明顯的是，主動鎖模也適用于光學(xué)相位的周期性調(diào)制（而不是振幅調(diào)制）。例如例如波克爾斯電池。這項技術(shù)被稱為調(diào)頻鎖模(FM =頻率調(diào)制)，不過相位調(diào)制鎖模一詞似乎更為恰當(dāng)。它會產(chǎn)生一些啁啾脈沖。一些調(diào)頻鎖模激光器表現(xiàn)出一種不穩(wěn)定性：它們在兩種工作模式之間表現(xiàn)出隨機跳變，即脈沖通過調(diào)制器的時間達到相位延遲的最小值或最大值。這種雙穩(wěn)態(tài)性有時會因色散和非線性效應(yīng)消除。

同步；再生反饋法：
為了穩(wěn)定運行，諧振器的往返時間必須與調(diào)制器信號的周期（或其整數(shù)倍）相當(dāng)精確地匹配，以便循環(huán)脈沖能以最小的損耗通過調(diào)制器。即使激光諧振器和驅(qū)動信號之間存在很小的頻率匹配誤差，也會導(dǎo)致強烈的定時抖動，甚至出現(xiàn)混亂行為，因為在脈沖定時上獲得的 “拉力 ”非常弱。
為了長期的穩(wěn)定運行，僅靠仔細(xì)調(diào)整穩(wěn)定的激光裝置不足以實現(xiàn)調(diào)制器驅(qū)動器和激光器之間的同步是不夠的，因為會出現(xiàn)熱引起的往返時間和振蕩器頻率漂移等情況。通常情況下，我們需要一個回饋電路，自動調(diào)節(jié)激光諧振腔的調(diào)制頻率或激光諧振器的長度(從而調(diào)節(jié)其往返時間)。一種常用的技術(shù)是再生鎖模（也稱為帶再生反饋的鎖模），圖[5].在這里，調(diào)制器信號不是由自由振蕩或稍加校正的電子振蕩器產(chǎn)生，而是從檢測到的脈沖序列本身的強度調(diào)制信號中獲得。這種方案對于實現(xiàn)可調(diào)脈沖重復(fù)率尤為重要，通常應(yīng)用于鎖模光纖激光器和激光二極管。

具有更高脈沖重復(fù)頻率的主動鎖模：
由于幾何上的限制，很難通過將激光諧振器做得很短來達到很高的脈沖重復(fù)率。解決方案可以是是諧波鎖模，即多個脈沖在激光諧振器中循環(huán)。調(diào)制器頻率是往返頻率的整數(shù)倍。該方法的一個變種是有理諧波鎖模，其調(diào)制頻率為往返頻率乘以兩個整數(shù)之比。