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激光锁模技术
顾朝晖 宁波大学光电信息工程

摘要: 锁模是激光技术中一个十分关键组成部分。调Q技术, 受原理上限制, 其激光器输出激光脉冲宽度在1~30115之间。伴随科学技术发展, 在遥测技术、 高时间分辨率光谱学、 非线性光学、 光电子学、 化学动力学以及受控核聚变等很多领域要求取得脉冲宽度更窄、 峰值功率更高激光脉冲。这推进了超短光脉冲技术研究, 发展了激光锁模技术。
关键词: 锁模技术, 激光脉冲
引言: 世界上是在1964年底首先对He-Ne激光器实现锁模并取得了s光脉冲列。以后, 激光锁模理论和方法不停推陈出新, 相继出现了红宝石、 YAG、 钦玻璃及有机染料等锁模激光器, 取得了ps()量级窄脉冲。八十年代初, Fork等人又发展了碰撞锁模理论, 使锁模光脉冲进入了fs()量级, 这是至今在试验室利用其它手段尚不能实现最短时标。这就为研究物质微观世界超快速过程提供了新工具, 并将开阔这些领域新前景。.
1.激光锁模技术原理
自由运转激光器输出通常包含若干个超出阈值纵模, 如图所表示。这些模振幅及相位都不固定, 激光输出随时间改变是它们无规则叠加结果, 是一个时间平均统计值。

假设在激光工作物质净增益线宽内包含有N个纵模, 每个纵模输出电场分量可用下式表示:

那么激光器输出光波电场是N个纵模电场和, 即

Eq、 ωq、 φq为第q个模式振幅、 角频率及初位相。各个模式振幅Eq、 初位φq均无确定关系,各个模式互不相干,所以激光输出是它们无规叠加结果,输出强度随时间无规则起伏。
假设有三个光波, 频率分别为v1 v2 和 v3, 沿相同方向传输, 而且有以下关系: , 在未锁定时, 初相相互无关。

因为“破坏性”干涉叠加, 形成光波没有一个地方有突出加强, 输出光强只在平均光强级基础上有一个小起伏扰动。

当t=0时

假如设法使三个光波在某时刻有固定相位关系, 比如φ1 =φ2 =φ3, 即按关系 锁定, 此时三个光波方程为

因为“建设性”干涉叠加, 形成光波就周期性地出现极大值。

非锁模和理想锁模激光器信号结构,
(a) 非锁模,（b)理想锁模
锁模技术让谐振腔中可能存在纵模同时振荡, 让各模频率间隔保持相等并使各模初位相保持为常数, 激光器输出在时间上有规则等间隔短脉冲序列。

2.激光锁模技术方法
.从1964年至今, 对锁模方法研究一直是十分活跃。已经发展了多个方法, 但研究得最广泛且有实用意义关键有主动锁模、 被动锁模、 同时锁模、 注入锁模及碰撞锁模等多个。现分别扼要地说明它们工作机理。
2.1.主动锁模
分幅度调制和相位调制二类, 但调幅用得广泛, 调制器较多采取声光调制器。在激光谐振腔内插入声光调制器.使谐振腔内产生周期性交变损耗γ, 若γ改变周期为T=2L/c, 也就是光在腔内往返一周所需时间, 损耗γ交变频率f=一1/T= c/2L, 也就是纵模间隔△v。, 则谐振腔内便能形成锁模脉冲, 窄脉冲周期性地出现在损耗γ最小值处.这种结构初看起来与声光调Q类似, 关键差异只是锁模时在声光调制器上所加驱动信号要确保其产生损耗频率必需严格等于△vq。
2.2被动锁模
被动锁模装置很简单, 只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料“盒”即可。染料必需含有以下多个条件: 第一, 染料吸收线应和激光波长很靠近; 第二, 吸收线线宽要大于或等于激光线宽; 第三, 其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次时间, 不然就成为被动调Q激光器了。被动锁模突出优点是结构简单, 器件可做得小而轻, 价格低廉。缺点是不如主动锁模那样稳定性高, 实现锁模激发机率仅60~70%, 关键适适用于脉冲工作方法锁模。
2.3同时锁模
同时锁模是最近发展起来用以取得宽光谱可调谐且模式锁定好方法。
用一个Ar+声光锁模激光器去泵浦一个若丹明6G可调谐染料激光器。氨离子锁模激光
器输出锁模脉冲列平均光功率为30omw, 每个脉冲宽度约20oPs。在结构上我们设法使Ar+激光器腔长与若丹明6G染料激光器腔长相等。则Ar一锁模脉冲周期T恰与光在染料激光器中往返一周所需时间相等。这么, 激活介质Rh一6G受第一个Ar一、 超短脉冲泵浦后产生受激辐射脉冲, 经T时间A护第二个超短光脉冲再次激励激活介质, 使染料快速达阂值以上;此时前一个Ar+泵浦光脉冲所产激光恰好往返一周抵达染料, 并形成很强受激辐射, 使之在Ps量级时间内快速耗尽了染料反转粒子数, 染料激光脉冲后沿经过染料时, 非但得不到增益, 反而受染料吸收而产生一净损耗。光脉冲经受若于次这么作用而达成稳定运转时, 输出激光脉冲比泵浦光脉冲要窄得多。经典结果是:若丹明6G可调谐激光器输出锁模光脉冲(单个)宽度仅4一sps。
2.4注入锁模
这种锁模激光技术原理是, 用一个高质量锁模脉冲作种子, 在谐振腔内经数次再生放大, 最终取得脉宽窄且输出功率高锁模光脉冲。这个种子假如是由另一锁模激光器产生后注入到再生放大激光器中来, 就称为外注入锁模。假如是同一个激光器先形成种子脉冲, 然后再放大则称之为自注入锁模。显然, 自注入比外注入在结构上要简单得多。
2.5碰撞锁模
碰撞锁模是当今用于产生脉宽短于100f民且输出稳定超短脉冲最好方法。在环行腔内, 分别沿顺时针和逆时针方向传输两路光脉冲
恰好在可饱和吸收染料处相撞, 在该处形成驻波, 所以造成可饱和吸收介质上下能级间粒子数空间分布, 称之为粒子数分布“光栅”, 因为介质折射率与其能级间粒子数分布相关, 介质内便会形成折射率空间周期分布。在形成“光栅”过程中, 两个光脉冲前浩能量被吸收, 因为可饱和吸收介质弛豫时间较脉冲本身弛豫时间长得多, 故脉冲后沿经过可饱和吸收介质时, 粒子数分布光栅调制度仍然很高, 光脉冲后沿便经受了较强后向散射。这么, 光脉冲前后沿都受到减弱, 经受数次循环, 结果光脉冲能够压缩得很窄, 通常比被动锁模光脉冲宽度要窄3-4倍, 从而可取得looPs、 100mw量级且稳定度高达1%锁模脉冲输出。
3 激光锁模技术研究进展
3.1多波长锁模光纤激光器
连续调谐多波长锁模激光器一直是激光技术很活跃研究领域。YOON等人经过调整偏振环形腔中梳状滤波器来调整波长, 取得了相互间隔为0. 8nm18个波峰输出。 CHEN等人于使用色散位移光纤和Mach-Zehnder干涉镜, 取得了间隔分别为0. 2nm ( 25GHz ) , 0. 4nm ( SOGHz ) , 0. 8nm (100GHz)和1. 6nm ( 200GHz)多波长输出。YOSHIDA等于在环形腔中加人一个光频谱干涉仪, 调频1 GHz仍然能够保持模式锁定, 并经过滤波器取得1535 nm-1560nm波长调谐。
3.2拉伸脉冲锁模光纤激光器
因为光纤介质含有较高色散和非线性系数, 限制了锁模脉冲激光器输出能量, 对于飞秒脉冲来说, 其经典单脉冲能量通常都在皮焦量级。所以, 提升锁模光纤激光器脉冲能量就显得十分关键。, IDLAY等人经过优化反常色散光纤在腔体中位置和长度, 将掺Yb3+锁模光纤激光器输出脉冲能量提升到5 nJ a LI等人报道了使用正色散单模大芯径光纤取得了0. 6nJ ,100fs高能量脉冲。
3. 3基于光子晶体、 双包层光纤锁模光纤激光器
在最近几年里, 因为光子晶体和双包层抽运技术成熟, 应用光子晶体和双包层光纤来设计锁模光纤激光器也有不少报道。法国ALBERT等人报道了用掺Yb;+双包层光纤做为增益介质, 基于光栅对展宽压缩脉冲原理, 在1050nm处取得能量11.8nJ、 反复频率9. 3 MHz、 脉宽196fs、 时宽乘积0. 55输出脉冲。韩国首尔大学SEUNGIN
等人报道了采取长周期光纤光栅进行包层抽运藕合吸收抽运抽运光试验, 输出功率在一样20 W抽运源抽运情况下最大可增加55%。可见, 光子晶体和双包层抽运技术成熟再一次为锁模光纤激光器提供了宽广发展空间。
4. 激光锁模技术展望
伴随波分复用和光时分复用技术飞速发展, 锁模光纤激光器以其优越性能将在未来高速光通信系统中发挥关键作用。依据锁模光纤激光器研究现实状况来看, 要使锁模光纤激光器能够立刻地走向实用化道路, 则需处理好以下多个问题:(1)频谱边带或超模噪声抑制, 激光器脉冲中普遍存在频谱边带和超模噪声, 这会加剧通信系统误码率。所以, 深入研究频谱边带产生机理及其抑制方法, 减小锁模脉冲输出频谱边带幅度, 不管是将锁模光纤激光器作为通信系统光源, 还是将其应用于其它非线性以及超快领域, 都将含有非常关键实际应用意义。(2)高能量脉冲输出, 光纤激光器经典单脉冲输出能量为几皮焦耳到数十皮焦耳, 远远小于常规固体激光输出脉冲能量(通常为纳焦耳量级)。所以, 要想扩大锁模光纤激光器应用范围, 则必需提升其输出功率和脉冲能量。(3)工作稳定性, 现在在锁模激光器尤其是主动锁模技术稳定性研究中采取方法往往结构复杂, 成本高, 难以直接推广应用。所以, 需要继续探索和寻求新技术方法和方法来提升锁模光纤激光器稳定性。

参考文件
[1]徐荣甫 .激光锁模技术[J] 兵器激光 1985(04)
[2]赵羽 刘永智 光纤激光器锁模技术研究进展 电子科技大学 (04)