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超快激光鎖模技術及特性介紹

發布時間：2020-05-26 來源：元祿光電

超快激光通常是指脈沖持續時間在皮秒（10^ -12s）或飛秒（10^ -15s）量級的激光，當然阿秒（10^-18s）等脈寬更短的自然也屬于超快，只不過為了方便區分，人們習慣直呼其名。而皮秒飛秒脈沖的產生主要依靠激光鎖模技術。

什么是激光鎖模

自由運轉的連續激光器輸出包含若干個振幅和相位獨立、隨機的振蕩模式，因而輸出激光的各個縱模是非相干疊加的，輸出光強正比于各縱模光強之和；但是當相鄰縱模之間的相位差被鎖定時，由于各相鄰模之間的頻率間隔固定，各模的振動方向或方式對于一定激光器是相同的，因而使得輸出各縱模是相干的，輸出的光波是一序列的脈沖形式。對于每一脈沖來說脈寬（脈沖持續時間）變窄，峰值功率大大提高，這就是激光鎖模技術。

鎖模原理圖示:圖中出現一系列周期性的脈沖，當各光波振幅同時達到最大值處時，由于“建設性”的干涉作用，就周期性地出現了極大值。

常見鎖模技術

鎖模方法主要分為主動鎖模、被動鎖模、自鎖模等，實驗中比較常見的是SESAM（半導體可飽和吸收鏡）鎖模和克爾鎖模（自鎖模）。

SESAM鎖模原理

可飽和吸收體的吸收系數隨著光強逐漸減小，滿足：

Is為吸收體的飽和吸收光強，光強I大于Is為強信號，小于Is則為弱信號。

可飽和吸收體鎖模的三個階段

SESAM鎖模主要分為三個階段，即線性放大階段、非線性吸收階段和非線性放大階段。

線性放大階段: 腔內光強比較小，由于可飽和吸收體“欺軟怕硬”的性格使弱信號被吸收得多，受到的損耗大，而稍強的信號則吸收小一些，損耗小，且稍強信號的損耗可通過激光諧振腔工作物質的增益得到補償。所以在一個周期2L/c（腔長為L）時間內，光脈沖通過可飽和吸收體和激光介質，其強弱信號的強度相對值就改變一次，激光受到周期性的調制，在腔內多次循環后，極大值與極小值之差會越來越大。弱信號逐步消失，脈沖個數減少，頻譜變窄。

非線性吸收階段: 光強大于飽和吸收光強，強脈沖使吸收體吸收飽和（漂白）因此強脈沖會得到大幅度的放大，但弱脈沖會進一步被吸收抑制掉，最后實現發射脈沖變得更窄，頻譜增寬。由于一個周期2L/c可飽和吸收體吸收一次，因此脈沖間隔為c/2L。

非線性放大階段: 脈沖前沿相對于脈沖后沿先到達增益介質，脈沖后沿到達時反轉粒子數已被消耗一部分，使得脈沖前沿放大的多，脈沖后沿放大的少。這樣會造成脈沖前后沿變陡，脈沖進一步壓縮，最后輸出一個高強度窄脈寬的脈沖序列。

非線性放大階段:脈沖變窄

SESAM早期常用于產生調Q脈沖，因此此種鎖模方式很容易產生調Q脈沖而不是連續穩定的鎖模脈沖串，常需要提高腔內單脈沖能量或降低SESAM和增益介質的飽和能量來實現鎖模，常用的辦法除了提高泵浦功率之外，主要利用凹面鏡來減小增益介質和SESAM上的光斑大小，從而實現調Q鎖模進入連續鎖模。

SESAM鎖模激光器光路:啁啾鏡用于色散補償，半波片HWP用于調整泵浦光偏振，使增益晶體吸收最大

克爾鎖模

克爾鎖模也稱為自鎖模，應用的是增益介質的克爾非線性效應，即激光峰值功率達到GW (10^ 9 W)時，介質折射率n與入射激光光強有關：

基模高斯光束具有中心光強強，周圍逐漸減弱的特點，因此高斯光束經過增益介質時，中心折射率大，周圍折射率小，使得介質出現類似于透鏡的效果，實現光束的聚焦，也就是自聚焦效應。若在高斯光束腰斑附近放一個光闌，則光束前后沿的損耗大于光束中部的損耗，使得強光占據的中部得以通過放大，而周圍的光束則被損耗。光闌和自聚焦效應的結合可以看成一個快飽和吸收體，即強光漂白，弱光被損耗，由于諧振腔的作用，其調制也是周期性的，使得脈沖周期性的輸出。

克爾鎖模原理

1991年，英國圣 ? 安德魯斯大學W. Sibbett研究組首次實現克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器，脈寬為60fs。在他們的結構中，BF為雙折射濾波片以實現波長調諧，M1和M2為凹面鏡以聚焦振蕩光到鈦寶石晶體中心提高光功率密度，P1和P2為一對高色散棱鏡，用于補償增益介質等引入的色散，通過外界的擾動即可實現穩定自鎖模。

首次實現克爾鎖模激光器光路

色散補償

想要獲得飛秒脈沖，色散補償是十分重要的一環，而色散通常分為正常色散和反常色散。正常色散下，光的群速度和頻率成反比，可看成頻率小的光速度大，頻率大的光速度小，因而光在正常色散情況下傳播一段時間后，脈沖前沿是低頻，脈沖后沿是高頻。例如初始位置相同的紅光和藍光，由于藍光頻率大，紅光頻率小，在正常色散中傳播一段時間后紅光在前藍光在后，從而造成脈沖展寬，在鎖模激光器中，由于增益介質的影響會引入色散，使得脈沖展寬，必須進行色散補償壓縮脈沖，才能實現超短脈沖的輸出。

正常色散脈沖展寬圖示

同理，反常色散中光的群速度同頻率成正比，可等效為頻率小的光速度小，頻率大的光速度大。初始位置相同的紅光和藍光在反常色散介質中傳播一段時間之后紅光在厚藍光在前，從而造成脈沖展寬。

反常色散脈沖展寬圖示

如果我們同時考慮兩種色散，經過正常色散介質展寬的脈沖再通過等量色散的反常色散介質則可實現色散補償，實現脈沖的壓縮，這就是鎖模激光器中色散補償的機理。

常見色散補償方法

棱鏡對壓縮脈沖：利用棱鏡的色散原理可實現脈沖壓縮，棱鏡色散使不同頻率的光分離，當不同頻率的光穿過棱鏡的厚度不同時會引入不同的延時，實現色散補償。舉個栗子，經正常色散展寬后的脈沖通過棱鏡對時，可通過擺放方式使得低頻光穿過棱鏡的厚度更大，高頻光穿過棱鏡的厚度更小，這樣使得低頻光穿過棱鏡所需時間更長，合理設計穿透的厚度即可實現脈沖的壓縮。

雙棱鏡對壓縮脈沖原理

啁啾鏡壓縮脈沖：通過在啁啾鏡表面鍍不同中心波長反射膜，使得不同中心波長的光穿透深度不同，從而引入不同的延時，例如經過正常色散的光到達啁啾鏡時，可使低頻光穿透深度更大，高頻光穿透深度更小，即可使得低頻光延時大于高頻光，從而實現色散補償。根據系統的總色散量精密的計算鍍膜的層數和厚度，啁啾鏡可實現超寬光譜的色散補償，即可實現周期量級的超短脈沖。