鎖模技術(shù)

　　鎖模理論

　　在一個簡單的激光器中，這些模式都是獨(dú)立的振蕩的，因此模式之間沒有固定地關(guān)系，就好像一組彼此獨(dú)立、頻率稍有不同的激光從激光器中同時射出一樣。每一束光的相位都沒有固定，而且相位可能因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生隨機(jī)的變化，例如激光器的工作材料的溫度變化等等。在只有很少的幾個振蕩模式的激光器中，模式之間的干涉會產(chǎn)生激光輸出的拍頻現(xiàn)象，這會引起激光強(qiáng)度的隨機(jī)波動。而在具有成千上萬個模式的激光器，這些干涉現(xiàn)象會平均起來產(chǎn)生近似常數(shù)的輸出強(qiáng)度，這種激光的工作方式被稱為連續(xù)波。

　　如果不允許模式獨(dú)立振蕩，而是要求每個模式與其他模式之間保持固定的相位，激光輸出就會有很大的不同特點(diǎn)。這時的輸出強(qiáng)度不再是隨機(jī)性的變化或者近似為常數(shù)，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，導(dǎo)致產(chǎn)生脈沖激光。這樣的激光器被稱為鎖?；蛘哝i相。這些激光脈沖的時間間隔為τ = 2L/c，其中τ是激光往返共振腔所需的時間。這個時間對應(yīng)的激光器模式之間的頻率間隔，也就是Δν = 1/τ。

　　脈沖的持續(xù)時間由同相振蕩的激光的縱模數(shù)量決定。在現(xiàn)實(shí)的激光器中，并不是所有的激光縱模都會被鎖相。如果相位鎖定的模式數(shù)量為N，頻率間隔為Δν，那么總的鎖模激光帶寬為NΔν，帶寬越寬，激光發(fā)出的脈沖持續(xù)時間越短。在現(xiàn)實(shí)中，實(shí)際的脈沖持續(xù)時間還受到脈沖波形的影響，這個波形是由每個縱模的振幅與相位之間的關(guān)系決定的。例如，對于一個產(chǎn)生的脈沖時域波形為高斯形狀的機(jī)況起來說，其最短的脈沖持續(xù)時間Δt為

　　其中的常數(shù)0.44被稱為脈沖的時間帶寬積，是一個與脈沖形狀有關(guān)的常數(shù)。對于超短時間激光脈沖，其脈沖形狀通常認(rèn)為是雙曲正割平方（sech2），此時的時間帶寬積為0.315.

　　通過這個等式，我們可以根據(jù)激光的頻譜寬度計算出最短的脈沖持續(xù)時間。對于氦氖激光器，其頻譜帶寬為1.5吉赫，而它在這個帶寬下所能產(chǎn)生的最短高斯形狀脈沖大約是300皮秒，而對于鈦摻雜藍(lán)寶石固體激光器，它的帶寬對應(yīng)的脈沖持續(xù)時間將僅有3飛秒。這些數(shù)值表示的根據(jù)激光的帶寬理論上所能產(chǎn)生的最短持續(xù)時間，而在實(shí)際的鎖模激光中，脈沖持續(xù)時間還受到其它各種因素的影響，如真實(shí)的脈沖形狀、激光腔的色散等等。

　　需要注意的是，從理論上說，隨后的調(diào)制會進(jìn)一步縮短脈沖的持續(xù)時間，然而頻譜的寬度將會相應(yīng)的增加。

　　鎖模方法

　　激光鎖模的技術(shù)基本上可以分為有源和無源兩種。有源方法通常需要引入一個外部信號來調(diào)制腔內(nèi)的光波，而無源方法不需要引入外部信號，但是需要在激光腔內(nèi)放置某種元件，以引發(fā)光波的自調(diào)制。

　　有源鎖模

　　為了鎖定激光震蕩模式，可以在激光腔內(nèi)放置一個聲光調(diào)制器，這就是最常用的有源鎖模技術(shù)。在使用電信號驅(qū)動的時候，這個技術(shù)會在激光腔內(nèi)產(chǎn)生一個正弦幅度調(diào)制的光波。如果我們在頻域內(nèi)考慮，如果一個模式的光學(xué)頻率為ν，幅度調(diào)制的頻率為f，那么得到的信號的光學(xué)頻率包含兩個分量，ν - f 和 ν + f。如果調(diào)制器的驅(qū)動頻率與激光腔模式間的頻率間隔Δν相同，那么產(chǎn)生的這兩個邊帶將和原始模式相鄰的兩個模式頻率重合。由于這兩個邊帶的信號同相，中心模式和相鄰模式將被同時鎖相。進(jìn)一步的對調(diào)制器的操作會將 ν - 2f 和 ν + 2f鎖定同相，如此繼續(xù)下去，直到增益帶寬內(nèi)的所有模式都被鎖定。但是如前面對激光器進(jìn)行的描述，典型的激光器采用的是多模工作的方式，而且也不是由一個根模式所激發(fā)。因此多模式需要知道使用哪個相位。

　　這個過程也可以放在時域過程中考慮。我們可以把幅度調(diào)制器想像成為插在激光腔中的一個快門，而激光在激光腔兩端反射時都會需要通過快門。快門在關(guān)閉的時候會對光造成衰減，而在打開的時候會讓其通過。如果調(diào)制頻率f和激光往返腔的時間τ同步，那么僅僅有一個單獨(dú)的光脈沖在腔間振蕩。調(diào)制的強(qiáng)度實(shí)際上不需要非常大，即使快門在關(guān)閉的時候僅僅將光強(qiáng)衰減1%，就足夠使激光鎖模，這是因?yàn)榧す鈺诩す馇粌?nèi)往返，不斷的穿越調(diào)制器，從而不斷的被衰減。

　　和幅度調(diào)制有源鎖模相關(guān)的技術(shù)是頻率調(diào)制鎖模，這種技術(shù)利用的調(diào)制設(shè)備是基于光電效應(yīng)設(shè)計的。當(dāng)將這種調(diào)制器放置在激光腔內(nèi)并用電信號驅(qū)動的時候，它會是光線穿過它的時候產(chǎn)生很小的、正弦變化的頻移。如果頻移與往返激光腔的時間匹配，那么在激光腔內(nèi)的一部分光將會不停地被向上頻移，而另一部分不停地向下頻移。重復(fù)很多次以后，上移的光和下移的光會超出激光器的增益帶寬。因此，只有在穿越調(diào)制器是其頻移為0的那部分光才會被保留下來，這會形成很窄的光脈沖。

　　第三種有源鎖模方法是同步鎖模，或稱同步泵浦。在這種技術(shù)中，激光的能量源自身被調(diào)制，從而可以有效的控制激光開關(guān)以產(chǎn)生脈沖。一般來說，泵浦源本身是另一束鎖模激光。這種技術(shù)需要準(zhǔn)確的匹配泵浦光和被驅(qū)動的激光腔長度。

　　無源鎖模

　　無源鎖模不需要向激光器引入外部信號（如調(diào)制器的驅(qū)動信號等等）來產(chǎn)生脈沖，它們通常是使用激光腔中的光波來引起激光腔內(nèi)某個元件的變化，而這個元件的變化又會引起腔內(nèi)光的變化。通常使用的的元件是一個飽和吸收體。這個元件會在是一種透射率與光強(qiáng)相關(guān)的的器件。這意味著這個器件會在光線通過時依據(jù)光線的不同強(qiáng)度而有不同的表現(xiàn)。對于無源鎖模來說，理想的飽和吸收體會將低強(qiáng)度的光吸收，而在光強(qiáng)足夠高時讓其穿過。

　　當(dāng)將飽和吸收體放置在激光腔中的時候，低強(qiáng)度的激光會被衰減，然而由于未鎖模的激光的強(qiáng)度具有隨機(jī)變化，隨機(jī)產(chǎn)生的光強(qiáng)會足夠大從而能夠透射出飽和吸收體。由于光在激光腔中振蕩，這個過程不停地重復(fù)，使得高強(qiáng)度的激光被放大，而低強(qiáng)度的光被吸收。振蕩很多次以后，就會產(chǎn)生一系列的光脈沖，而激光也被鎖模。

　　如果在頻域內(nèi)考慮，如果一個模式的光學(xué)頻率為ν，它的幅度調(diào)制頻率為nf，那么得到的信號的邊帶光學(xué)頻率為ν-nf 和 ν + nf，從而引起短脈沖的更強(qiáng)的模式鎖定，而且比有源鎖模更加穩(wěn)定。然而無源鎖模會有啟動的問題。

　　通常飽和吸收體是液態(tài)的有機(jī)染料，也有一些是使用摻雜晶體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體吸收器的響應(yīng)時間非常短，大約只有100飛秒，而這個時間是決定無源鎖模脈沖時間的重要因素。在碰撞脈沖鎖模激光器中，吸收器會使脈沖的起始邊緣更為陡峭，而激光介質(zhì)會使結(jié)束邊緣更陡峭。

　　特別的說，石墨烯可以在從可見光到近紅外光的范圍內(nèi)被飽和，而與單壁碳納米管相比，它的不飽和損失更小、損壞閾值也更高。

　　還有一些無源鎖模技術(shù)不需要使用這種吸收率與強(qiáng)度相關(guān)的材料。這些方法通常在激光腔內(nèi)放置具有非線性光學(xué)效應(yīng)的元件，以選擇性的放大腔內(nèi)的高強(qiáng)度光、衰減低強(qiáng)度的光。最成功的一種技術(shù)稱為克爾透鏡鎖模，也被稱為自鎖模。這種技術(shù)利用了非線性光學(xué)中的克爾效應(yīng)使高強(qiáng)度的光與低強(qiáng)度的光有不同的聚焦特點(diǎn)。通過精心設(shè)計在共振腔內(nèi)放置一個光圈，可以使這種技術(shù)具有比飽和吸收體更短的反應(yīng)時間。