光纤激光器锁模启动机制（一）在线视频

有了这个增益光纤的

基本的概念之后

我们再介绍一下

光纤激光器产生锁模的机制

光纤激光器锁模

虽然也是激光器锁模

跟固体激光器可以说差不多

但是因为它的结构不一样

所以它的这个机制

或者叫机理也是有点不一样的

前面提到过说这个锁模主要分为

主动锁模和被动锁模两种方式

在光纤激光器中

主要介绍一下被动锁模机制

那被动锁模

四种主要的锁模机制

一个叫非线性光纤环路反射镜锁模

也叫8字形腔锁模激光器

因为它长得有点像数字8

第二种叫非线性偏振旋转锁模机制

第三种叫Mamyshev锁模机制

这种结构是由

Mamyshev这个人发明的

所以以他的名字来命名的

最后一种叫可饱和吸收体被动锁模

可饱和吸收体被动锁模

这个大家看着很眼熟

在前面讲过了

对于前面的这两种锁模机制

我们可以总结一下

光纤中的被动锁模机制

主要分为两大类

一类叫做都是可饱和吸收

它这里头都叫可饱和吸收锁模

前面这个一类叫快饱和吸收

也叫Kerr效应

大家知道Kerr效应是快饱和吸收效应

在讲固体激光器的时候

讲过Kerr锁模

就是Kerr效应

还有一类叫慢饱和吸收效应

就是说的材料类可饱和吸收效应

这个时候的这个材料

比方说SESAM也好

或者是二维材料也好

它在里头不仅仅提供自启动装置

而且它还参与锁模脉冲的输出特性

对于这个Kerr效应产生

这个快饱和吸收锁模

就分为刚才说的有几种

一种叫传统孤子锁模

这个也讲过了

在讲传统孤子里头说锁模效应是什么

由于Kerr效应产生的自相位调制

和负色散它们两个相平衡

最后产生一个孤子脉冲

所以这部分在前面已经讲过了

那这一章主要讲后面这三种

一个是非线性环路反射镜锁模

一种是非线性偏振旋转锁模

还有一个是Mamyshev锁模

第二大类叫做材料类锁膜

材料类锁模的前面也讲过

在前面那章

第十章讲过了

稍微回想一下

就是材料类分为两大类

一个叫半导体可饱和吸收镜

叫SESAM

还有一类就是普通的材料

比方说什么碳纳米管

石墨烯

拓扑绝缘体

二硫化合物

这些锁模元器件各有各的优缺点

所以它的这个锁模

SESAM比方说可以是线型腔

可以是环型腔

那么材料类锁模

可以做光纤激光器中

把它放到激光器中去

作为一个器件来用

这个就是材料类可饱和吸收体的

锁模的基本的概念

大家忘了的去看一下这个第十章讲的

本章重点讲人工可饱和吸收锁模

也就是Kerr效应产生的快饱和吸收锁模

再回忆一下

快饱和吸收锁模说的是Kerr效应

Kerr效应主要产生的是什么效应

是产生了非线性折射率

就是这个折射率

变成了n等于n0加上n2I

这个n2I代表的是非线性折射率

它跟谁有关

跟穿过这个介质的光强有关系

光强强

折射率就强

光强弱

折射率就弱

那么在这个固体锁模激光器中

已经讲过了

Kerr效应主要起到什么作用

它的模式就是右上角的这个模式

当一束光经过这个Kerr介质的时候

因为Kerr介质等效的Kerr透镜

它的焦距是可变的

强度高的这个光线对应的那个透镜

它的焦距小

所以它聚焦聚的小

而强度弱的这一部分

它的聚焦就比较弱

它的光斑就比较弱

因此前面加一个光阑

强度高的这部分过去了

强度低的这部分被挡掉了

这就固体激光器锁模的

自启动模式

而在光纤激光器中

仍然用的是n

随着在光纤中传输的强度的变化

这个效应仍然Kerr效应

只是它的形式不一样了

所以就产生了这三种

或者叫四种

一个叫传统孤子锁模

这个在第八章中讲过了

还有后面的三种就是

非线性环路反射镜锁模

也叫8字形腔锁模

还有一个是非线性偏振旋转锁模

叫简称NPR

最后一个是Mamyshev锁模

依次来看一下这几种锁模机制

就是它怎么工作的

现在来看一下

非线性环路反射镜锁模

非线性环路反射镜结构是一个

也通常管它叫光纤环形镜

它是由一个光纤还有一个分束器组成的

那么入射的光是从上面那个E1过来

经过分束器以后

分成了两路光

一路光是沿着上面E3回来

还有一路是沿着下面E4往回返

这两束光在分束器中相遇

这个时候就会有一个

相干 相长 相消的过程

如果刚好这个过程是相干相长

这个时候这个脉冲

就可以通过光纤环形镜输出

如果是相消

那么脉冲就没有通过

就等于回去了

就相当于是一个反射镜

因此可以求出它的透过率

t等于输出光比上输入光它的光强之比

得到的这个表达式大家可以看一下

这个里头有两个参数

一个是η

η代表的分束器的分光比

后面这个ψ代表的是非线性相移

非线性相移等于

2πn2il除以λ

跟非线性n2有关

还跟在上面的光强I有关系

如果这个时候

先不考虑这个非线性相移

假设ψ等于0

这个透过率公式就简化成下面这个形式

1减去四倍的η乘上1减η

这个时候如果这个分束比η

等于百分之五十

就是一比一的分束器

就可以得到这个透过率就是T等于0

也就是说这个时候光纤环形镜

就相当于是一个全反镜

那如果这个分数比不等于50

就是分光比不等于1比1的时候

就可以得到不同的透过率

把这个透过率

如果分束比分别为4比6

7比3

8比2和9比1的时候

看一下这个光强的透过率

下面这个图就是光强的透过率曲线

可以看到这个黑颜色的曲线

代表的是分束比为这个4比6的曲线

这个分束比越接近于1比1

那么它的这个起始点越接近于0

并且这个周期越大

随着这个分数比越来越高呢

那么这个第一它的这个起点值

越来越大透过率的起点只是越来越大

并且周期变得越来越小

这个时候在这个谐振腔中

如果把它也换成是

仍然分束比用的是1比1

但是这个时候由于有非线性效应

就后面这个ψ如果不等于零的话

那么这个ψ就导致的输出透过率

也会发生变化

这个就是讲的叫做

非线性环路反射镜

这个非线性环路反射镜

起到了一个自启动锁模的作用

就是说在这个入射光这个沿着E3

这个顺时针方向光和反时针方向的光

如果它们两个的非线性效应不一样

或者是虽然它的这个光路相同

但是由于光强不一样导致的这两路光

它的相位差也不一样

因此呢强光部分设置

它能够透过这个输出光

而弱光部分让它不能够透过这个输出

这样子就可以产生一个类可饱和吸收体的作用

这个就可以产生锁模了

这个呢就是给出来的一个透过率曲线

透过率曲线如果取某一段

可以看得到这个时候呢

这条曲线就是了有上升这段曲线

上升这段曲线就有点像

前面讲的材料类可饱和吸收体

它有一个非线性吸收曲线是

功率低的时候呢它的透过率比较低

随着功率的增加那么透过率趋近一

趋近于近于饱和

这个是前面讲

材料类可饱和吸收体的曲线

如果是这个环形镜的透过率呢

它不仅仅有上升这一段

还有下降这一段

因此在这个透过率曲线中

就给了几个参数的定义

一个就是这个功率的最高点

就是透过率为最大值的时候

对应的这个功率

管它叫钳制功率

这个最大值和最小值之间差

叫调制深度

这个跟前面可饱和吸收器特性是一样的

那么这个区呢就分成两个区

在这个钳制功率左边这一段

叫正饱和区

在这个前置功率后面这一段

叫反饱和区

到了反饱和之后呢

这个输出脉冲的类型

就发生了不同的这个变化

后面会相应的涉及到

把这个环形镜呢

放到这个激光器里头去

就变成了一个非线性环路反射镜激光器

那这个里头左边这一段大家看到

仍然是一个环形镜有一个分束器

把这个泵浦光放到

左边这一端那么右边呢

就有一个输出镜了

为了让这个光纤是单路循环

加一个隔离器

这个环形镜反射镜组成的

激光器就形成了

因为这个结构

长得像那个横的这个8字

所以管它叫8字形腔锁模激光器

这个时候里头由于

就是说刚才说的这个光纤

这个光纤中

这个传输的脉冲有强光部分

有弱光部分 因此它的透过率

就不再一样了

形成了一个可饱和吸收元件

这个可饱和吸收元件

组成的这个8字形腔激光器

它的这个输出脉冲呢是在160个fs

1991年就产生了

但是这个典型的8字形腔激光器呢

后来发展的不是太好

这个里头主要有几个问题

就是一个不太容易自启动

再一个呢就是大家知道

这个因为里头有一个偏振效应

线性的偏振效应

因此如果用保偏光纤的话

就不太好用但是大家知道

如果不用保偏光纤

那么它的这种退偏作用

环境的影响对激光器

输出特性影响比较大

所以就想能不能把它

用保偏光纤来做这个激光器

还有一个问题就是输出的能量比较低

这个能用全正色散锁模光纤激光器

所以这个8字型腔呢做了一些改进

改进了之后

第一个就是它这个分光比

不用1比1了

不用50%对50%

而变成了比方说2比8这个分光比

那用这个结构呢就可以

得到一个自启动的锁模激光器

并且这个激光器中可以用保偏器件

保偏光纤那在这个结构中看到

可以输出一个120fs的能量

大于10纳焦的脉冲输出

这个能量相对的来说就比较高了

还有如果想要让它自启动

可以给它人为的制造一个相位偏置

就像左边这个图中的就是起始点

不让它在零点

如果不在零点的话

从这个图像来说

其实是给了一个初始偏置

这样子容易产生自启动

相位偏置怎么来设置

右面这个图一个可以制造一个相位偏置

的一个结构

就是可以加两个法拉第旋转器

中间加一个波片

那这个时候光路从左边这个法拉第

旋转过去进去之后

等它再返回来之后

这个偏振方向就发生了变化

这个就可以起到一个偏置效应

就是一个相位偏置的作用

在这个基础之上呢

又做了一个改进

这个是fermann先生

它把其中的左边的那个环给切开了

就加了一个纯粹的是

端进加了一个反射镜

那么这样子

这个结构就有点像九字形腔

所以这个呢就变成九字形腔

光纤环形镜的激光器

这个呢可以使得

这个结构更加简单一些

腔长也可以做的就比较短

因此可以获得

一个高重频的锁模脉冲激光器

大家知道还有一个

就是腔长短的话呢

那么脉冲宽度相应来说也可以比较窄

这个是在18年的这个

张老师他们那边有一个实验结果

就获得了重频257个兆赫兹

脉宽是45fs的掺铒光纤激光器

进一步的如果再改进腔长的话

就可以获得一个

700兆赫兹的这个重频

所以这个在光纤激光器中

这个就算是比较高的了

那么在这个NOLM锁模激光器中

还可以同时做双端输出

这个装置呢是

大家看一下相当于是

如果把右边这个环

挡掉的话等于

左边是一个8字形腔

如果把左边这个环挡掉的话

相当于是右边是一个8字形腔

那么这个8字形腔

就可以做双端输出

并且如果这两个端的参数设置

不太一样的话

可以得到不同类型的脉冲同时输出

在这个实验中呢

就是左边这个获得了一个是NLP

叫Noise Like就是类噪声脉冲输出

右边这个呢获得了DSR

就是耗散孤子共振脉冲

那么它的这个输出脉冲的形状呢

大家可以看到这个DSR就相当于

有点像上面是一个平顶脉冲

这个是一个耗散孤子脉冲输出

右上角是它的一个光谱图

那么左边这个呢

是另外一端的输出

就是一个类噪声脉冲

它的谱宽是比较大的

这个是它的一个输出类型

这是第一种叫

8字形腔锁模光纤激光器