声光调制锁模激光器讲义

近代光学信息处理和光通讯系列实验讲义 声光调制锁模激光器实验

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

sin2 Nz 22L , (12) I z E0 sin2 z 2L

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

2I z gN2E0, (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

0cos t , (14)

为调制频率，受到损耗调制的第q个纵模振动可表示为

声光调制锁模激光器讲义

近代光学信息处理和光通讯系列实验讲义 声光调制锁模激光器实验 Eq t E0q 1 0cos t cos qt q

1 E0qcos qt q Eoq ocos q t q (15) 2

1 E0 0cos q t q 2

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 q 1的纵模频率一致。它们之间产生了耦合，迫使 q 1与 同步。同样，在增益线宽内所有的纵模都会受到相邻纵模产生的边频耦合，迫使所有的纵模都以相同的相位振动，因此实现了同步振荡，达到了锁模的目的。

还可以从时域的角度看，因损耗调制的周期与光在腔内往返一次的时间相同，当调制器损耗为零时通过调制器的光波，在腔内往返一周回到调制器时仍是损耗为零，光波从介质中得到的增益大于腔内的损耗时，这部分光波就会得到不断增强直到饱和稳定。当调制器损耗较大时通过的光波每次回到调制器时都收到较大的损耗，若损耗大于往返一次从介质中得到的增益，这部分光波不能形成激光振荡，所以激光形成了周期为2L/c的光脉冲序列。

二、声光调制原理

1、 声光衍射效应

当介质中有超声波传播时，超声波使介质产生弹性应力或应变，因而使介质的折射率发生变化，光束通过这种介质就会发生衍射，使光束产生偏转、频移或强度变化，这种现象称为声光效应。各向异性晶体折射率随晶体内的方向不同而异，因此声光效应将随声波和光波在晶体中传播方向不同而异，折射率的变化和应变需用张量表示。对各向同性介质应变引起的折射率变化也是各向同性的，声光效应不随声波和光波的传播方向不同而改变。本实验中声光介质用的是熔石英，所以这里只讨论各向同性的情况。

当介质中传播着圆频率为Ω、波长为Λ、波长为k，方向指向y轴的平面声波时，这种弹性波在介质中引起的应变S可表示为

S S0sin t ky , (16)

S0为应变振幅，弹性应变将使介质中的折射率n发生变化。相应的折射率变化可表示为

1 2 pS, (17) n

p为介质的声光系数。折射率的变化 n可写成

n sin t ky , (18)