激光锁模技术

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激光锁模技术是使用适当方法，让激光器中发生振荡的各个模之间建立稳定的相位关系，发生相位“干涉”，形成脉冲宽度极窄、功率极高的激光的技术．      常用的激光器增益宽度都比较宽，在其频率范围内可同时容纳许多个模，而且它们当中有不少会同时达到激光振荡条件．这些振荡模不仅在频率上有些差别，振荡相位也彼此没有关联．这些振荡步伐不划一的光波混杂在一起，总的光辐射强度分布便呈现无规则起伏状态．激光器输出的光强实际上是各个振荡模强度按时间平均的统计平均值．因此，脉冲展得比较宽，得到的功率也不会很高．        假定激光器同时发生振荡的模有n个，那么，锁模后得到的光脉冲宽度将缩窄为自由振荡时的1/n，而激光功率提高n倍，对于钕玻璃激光器，变化的倍数可达104倍．所以自从第一台激光器研制成功后，就注意使振荡模之间的相位关系稳定，以提高激光的功率．      使各个振荡模相位关系稳定一致的基本做法是：在共振腔内放置象信号发生器那样的“主动”外激励调制器（现在常用的有电光调制器、声光调制器），或者放可饱和吸收染料这样的“被动”调制器．相应地将前一种称为主动锁模，后一种称为被动锁模．下面以主动锁模为例，说明锁模的工作原理．      用频率fi驱动放在共振腔内的那只主动调制器工作，同时让最靠近增益峰值频率vm的模开始激光振荡．受调制器的作用，这个模的电磁场通过调制器之后将形成频率分别为vm+fi和vm-fi的边带．如果驱动频率fi等于两个纵模的频率间隔（数值等于c/2l，c为光速，l为共振腔腔长），那么，vm带将通过两个边带的“搭桥”与和它相邻近的两个模发生耦合，三者建立了振荡相位关系．当频率vm±fi的边带通过调制器时，又产生频率vm±2fi的新边带，它们又把vm与和它相隔频率2fi的模耦合起来，建立激光振荡相位关系．辐射在腔内来回通过调制器传播，与vm建立振荡相位关系的模越来越多，最后使在激光增益线宽范围内全部的纵模都耦合起来．我们说，振荡模此时已被锁定，激光器进入锁模状态．   除前面谈到的主动锁模和被动锁模之外，还有同步泵浦锁模、碰撞锁模、主被动锁模等．用一台锁模激光器输出的连续脉冲序列泵浦另一台激光器，当被泵浦的激光器共振腔长度与泵浦激光器的共振腔长度几乎相等或者是它的整数倍时，在一定条件下，也等效于在腔内放调制器，因而可以获得短脉冲激光输出，其脉冲宽度在最佳条件下比泵浦光脉冲宽度小2～3个数量级．染料激光器、色心激光器、半导体激光器都可以采用这种锁模方法．碰撞锁模是让两个光脉冲在共振腔内相向传播，当它们在腔内的可饱和吸收体中重叠时，建立起对光束的调制作用，使激光器进入锁模状态．利用这个办法已获得脉冲宽度为飞秒（fs，1fs＝10-15s）量级的激光脉冲．      利用被动锁模可以产生很窄的光脉冲，但这种方法也有一些缺点，比如为了产生稳态区必须非常严格地校正泵浦参数和共振腔参数，可调谐性还受可饱和吸收体的限制．主动锁模能获得稳定性和重复性比较好的激光脉冲，而且适用的激光频率范围比较宽，但能够得到的脉冲宽度一般来说不如用被动锁模方法得到的窄．把被动锁模和主动锁模相结合，就可以获得稳定性好脉冲宽度又窄的激光脉冲．比如，采用铌酸锂（LiNbO3）电光调制器作主动锁模器的红宝石激光器，在共振腔内放入隐花青盒（被动锁模用的饱和吸收体），激光脉冲宽度便由原先的100ps（皮秒，1ps=10-12s）压缩到5ps．   光纤激光器产生超短光脉冲采用的技术通常有两种：调Ｑ技术和锁模技术。调Ｑ技术虽然可以使光纤激光器在整个增益谱的宽范围内产生波长可调的高峰值功率（大于１ｋＷ）脉冲，但这种脉冲的宽度相对较宽。而锁模技术加上脉冲压缩技术则可以产生比１００ｆｓ更短的光脉冲。以下我们就来分析锁模技术的原理。    光纤激光器通常具有大的增益带宽（大于３０ｎｍ）和相对小的纵模间隔（小于１００ＭＨｚ）。因此，它在工作时同时会有大量的纵模落在增益带宽内。如果模式间的频率间隔用△υ表示，那么△υ＝ｃ／ＬＯＰＴ?这里ＬＯＰＴ是光在激光器腔内环行一周的光程长度，ｃ为光速。总的光场可写成：    Ｅ?ｔ?＝Ｅｍｅｘｐ?ｉφｍ－ｉωｍｔ? （１）    式中Ｅｍ、φｍ和ωｍ分别是２Ｍ＋１个模式中某一特定模式的幅度、相位和频率。如果所有模式互相独立地工作，它们具有相同的幅度：Ｅｍ＝Ｅ０，它们间的相位关系不固定，则总光强２中的相干项平均值为零，２＝（２Ｍ＋１）Ｅ２０。    锁模是发生在各种纵模的相位同步的情况下。此时，在任意两个相邻模式间的相位差被锁定为一常数φ，即φｍ－φｍ－１＝φ。这样，相位关系可表达为φｍ＝ｍφ＋φ０。模式频率ωｍ＝ω０＋２ｍπ△υ。如果我们把这些关系式应用到式?１?中，并且为简化起见假设所有模式有相同的幅度Ｅ０，则其总光强为：    ２＝ｓｉｎ２??２Ｍ＋１?π△υｔ＋φ／２?Ｅ２０／    ｓｉｎ２?π△υｔ＋φ／２?    由此可见，总光强２是一个时间的周期函数，其周期τｒ＝１／△υ，这正是光在激光器腔内环行一周的时间。激光器以脉冲串的形式输出，两个相邻脉冲间的时间间隔为τｒ。解释这个结果有一个简单的办法：一个单一脉冲在激光器腔内循环，与此同时其中一小部分能量在每次脉冲到达输出端耦合器的时刻输出。    脉冲宽度τｐ可由式（２）估算：τｐ＝［（２Ｍ ＋１）△υ－１。其中（２Ｍ＋１）△υ代表所有相位锁定模式的总带宽。由此可见，脉冲宽度与相位同步的各个纵模所占的光谱带宽成反比，由式（２）可知，脉冲光强的极大值２ｍａｘ＝（２Ｍ＋１）２Ｅ２０，因此，锁模激光器输出脉冲的峰值强度为同一激光器未锁模时平均光强的２Ｍ＋１倍。