鎖模技術(shù)

　　鎖模理論

　　在一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)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(gè)振蕩模式的激光器中，模式之間的干涉會(huì)產(chǎn)生激光輸出的拍頻現(xiàn)象，這會(huì)引起激光強(qiáng)度的隨機(jī)波動(dòng)。而在具有成千上萬(wàn)個(gè)模式的激光器，這些干涉現(xiàn)象會(huì)平均起來(lái)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(gè)模式與其他模式之間保持固定的相位，激光輸出就會(huì)有很大的不同特點(diǎn)。這時(shí)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模或者鎖相。這些激光脈沖的時(shí)間間隔為τ = 2L/c，其中τ是激光往返共振腔所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間對(duì)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(shí)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(huì)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(shí)間越短。在現(xiàn)實(shí)中，實(shí)際的脈沖持續(xù)時(shí)間還受到脈沖波形的影響，這個(gè)波形是由每個(gè)縱模的振幅與相位之間的關(guān)系決定的。例如，對(duì)于一個(gè)產(chǎn)生的脈沖時(shí)域波形為高斯形狀的機(jī)況起來(lái)說(shuō)，其最短的脈沖持續(xù)時(shí)間Δt為

　　其中的常數(shù)0.44被稱為脈沖的時(shí)間帶寬積，是一個(gè)與脈沖形狀有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于超短時(shí)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(shí)的時(shí)間帶寬積為0.315.

　　通過這個(gè)等式，我們可以根據(jù)激光的頻譜寬度計(jì)算出最短的脈沖持續(xù)時(shí)間。對(duì)于氦氖激光器，其頻譜帶寬為1.5吉赫，而它在這個(gè)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(duì)于鈦摻雜藍(lán)寶石固體激光器，它的帶寬對(duì)應(yīng)的脈沖持續(xù)時(shí)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(shí)間，而在實(shí)際的鎖模激光中，脈沖持續(xù)時(shí)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(shuō)，隨后的調(diào)制會(huì)進(jìn)一步縮短脈沖的持續(xù)時(shí)間，然而頻譜的寬度將會(huì)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(wú)源兩種。有源方法通常需要引入一個(gè)外部信號(hào)來(lái)調(diào)制腔內(nèi)的光波，而無(wú)源方法不需要引入外部信號(hào)，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(gè)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(hào)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)技術(shù)會(huì)在激光腔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)正弦幅度調(diào)制的光波。如果我們?cè)陬l域內(nèi)考慮，如果一個(gè)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(hào)的光學(xué)頻率包含兩個(gè)分量，ν - f 和 ν + f。如果調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)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(gè)邊帶將和原始模式相鄰的兩個(gè)模式頻率重合。由于這兩個(gè)邊帶的信號(hào)同相，中心模式和相鄰模式將被同時(shí)鎖相。進(jìn)一步的對(duì)調(diào)制器的操作會(huì)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(duì)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(gè)根模式所激發(fā)。因此多模式需要知道使用哪個(gè)相位。

　　這個(gè)過程也可以放在時(shí)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(gè)快門，而激光在激光腔兩端反射時(shí)都會(huì)需要通過快門?？扉T在關(guān)閉的時(shí)候會(huì)對(duì)光造成衰減，而在打開的時(shí)候會(huì)讓其通過。如果調(diào)制頻率f和激光往返腔的時(shí)間τ同步，那么僅僅有一個(gè)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(shí)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?huì)在激光腔內(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(jì)的。當(dāng)將這種調(diào)制器放置在激光腔內(nèi)并用電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，它會(huì)是光線穿過它的時(shí)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(shí)間匹配，那么在激光腔內(nèi)的一部分光將會(huì)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(huì)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(huì)被保留下來(lái)，這會(huì)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(lái)說(shuō)，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(dòng)的激光腔長(zhǎng)度。

　　無(wú)源鎖模

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

　　當(dāng)將飽和吸收體放置在激光腔中的時(shí)候，低強(qiáng)度的激光會(huì)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(huì)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(gè)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(huì)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(gè)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(hào)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(wú)源鎖模會(huì)有啟動(dòng)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(shí)間非常短，大約只有100飛秒，而這個(gè)時(shí)間是決定無(wú)源鎖模脈沖時(shí)間的重要因素。在碰撞脈沖鎖模激光器中，吸收器會(huì)使脈沖的起始邊緣更為陡峭，而激光介質(zhì)會(huì)使結(jié)束邊緣更陡峭。

　　特別的說(shuō)，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(wú)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(jì)在共振腔內(nèi)放置一個(gè)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(shí)間。