被動鎖模原理和前沿超快激光器介紹

鎖模分為主動鎖模和被動鎖模。主動鎖模技術(shù)的關(guān)鍵在于利用聲光或者電光效應(yīng)，在激光腔內(nèi)引入周期性調(diào)制的損耗，調(diào)制周期為脈沖在腔內(nèi)運轉(zhuǎn)一周的時間。如圖所示，在增益大于損耗的地方，就會形成脈沖，脈沖寬度接近凈增益窗口的寬度，一般在幾皮秒到幾十皮秒量級。

對于被動鎖模，引入損耗不需要外界的調(diào)制，而是由腔內(nèi)運轉(zhuǎn)的脈沖自身來觸發(fā)，并且損耗的大小依賴于脈沖的光強：光強越大，損耗則相應(yīng)降低；換句話說，脈沖中心處所經(jīng)歷的損耗比脈沖前后沿要小。具有這種性質(zhì)的器件稱為可飽和吸收體。

被動鎖?？梢詺w結(jié)為三種被動鎖模機制：

（1）慢飽和吸收體和動態(tài)增益飽和下的被動鎖模。在這種機制下，初始損耗大于增益，脈沖經(jīng)歷的損耗要比增益先達(dá)到飽和，并且損耗比增益更快地恢復(fù)至初始狀態(tài)。由于慢可飽和吸收體達(dá)到飽和時，增益也達(dá)到了飽和，因此凈增益時間窗口很窄，可以形成超短脈沖。

（2）快飽和吸收體鎖模。這是我們比較熟悉的鎖模機制，在這種機制下，增益恒定，當(dāng)脈沖經(jīng)過時，可飽和吸收體迅速達(dá)到飽和，迅速恢復(fù)，凈增益時間窗口很窄，從而形成超短脈沖。

（3）慢飽和吸收體和恒定增益鎖模。在過去很長一段時間內(nèi)，大家以為只有前兩種機制才能產(chǎn)生超短脈沖。因為相比于前兩種來說，第三種鎖模機制凈增益時間窗口較寬，所以這種鎖模方式產(chǎn)生的脈沖寬度較寬。但利用孤子鎖模機制，便可以產(chǎn)生脈寬短于凈增益窗口的脈沖。

這種情況下，可飽和吸收體主要發(fā)揮啟動和穩(wěn)定鎖模的作用。進(jìn)一步研究表明，即使不存在孤子鎖模機制時也能實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模，原因在于脈沖前沿?fù)p耗較大，并且脈沖在腔內(nèi)每經(jīng)過一圈，脈沖的中心都會向后沿偏移，隨著后沿?fù)p耗增加，脈沖避免變寬。達(dá)到平衡的時候便達(dá)到鎖模狀態(tài)，實現(xiàn)超短脈沖輸出。

自啟動是衡量鎖模激光器一個很重要的指標(biāo)，下面對比上述幾種鎖模機制的自啟動難易程度?？祜柡臀阵w增益窗口比較窄，雖然適合產(chǎn)生超短脈沖，但是由于其自振幅調(diào)制取決于脈沖的峰值功率，峰值功率又正比于脈沖寬度；當(dāng)腔內(nèi)無法產(chǎn)生窄脈寬的噪聲脈沖時，自啟動比較困難，比如克爾透鏡鎖模。

相比之下，慢飽和吸收體由于自振幅調(diào)制只取決于脈沖能量，所以自啟動則比較容易。主動鎖模由于損耗是外來的正弦損耗信號，對于長脈沖來說損耗比較大，自啟動也比較容易。

接下來從三個方面介紹一些前沿的超快激光器，主要包括：脈沖寬度、高平均功率和高重復(fù)頻率三個方面。

首先是少周期脈沖產(chǎn)生。由于鈦寶石由于具有超過400nm的增益帶寬、相對較大的增益截面和高光學(xué)質(zhì)量等優(yōu)勢，使得被動鎖模鈦寶石激光可以直接輸出少周期脈沖。例如，利用棱鏡對和啁啾鏡補償腔內(nèi)的色散，鈦寶石激光器可以輸出寬度在5飛秒左右的超短脈沖。

在2000年以前，激光器和放大器幾乎是平行發(fā)展的，雖然二者提供的平均功率相當(dāng)，但是振蕩器輸出高重頻、低能量脈沖，而放大器產(chǎn)生低重頻、高能量脈沖。隨著摻鐿光纖放大器、摻鐿薄片激光器的發(fā)展，脈沖的平均功率得到很大提升。上圖是截止2020年的世界紀(jì)錄，可以看到薄片放大器得到了200mJ的脈沖能量，利用光纖相干合成得到了最高平均功率為3.5KW的脈沖輸出。

最后介紹一些重復(fù)頻率在GHz量級的高重頻激光器。高重頻激光器在超快高精度測量方面有著重要應(yīng)用。上圖為截至2020年，不同種類的高重頻激光器在峰值功率、脈沖寬度和脈沖能量三個方面的對比。其中在脈沖寬度和峰值功率方面，鈦寶石激光器表現(xiàn)卓越，但脈沖能量普遍低于10nJ。

審核編輯：劉清