关于激光锁模技术介绍

[拼音]：jiguang suomo jishu

[外文]：laser mode-locking

激光单元技术之一。指在激光器内不同振荡纵模之间实现位相锁定，以期获得规则的超短脉冲序列的专门技术。在不采用特殊的附加技术的一般情况下，在激光工作物质增益线宽内往往会产生多个或大量纵模的同时振荡（见激光限模技术附图）。如果激光工作物质的增益带宽主要是由自发辐射过程的非均匀增宽机制所决定，则上述多个不同纵模的振荡可以彼此独立地发生，它们相互之间的位相关系对时间来说是随机变化的，彼此之间不能产生持续的相干作用;与此相应，输出激光实际上是由一系列不规则的宽度较宽而高度较低的杂乱脉冲组合而成，这是由于大量频率不同而位相关系随机改变的电磁场“拍频”作用的结果（图a）。如果通过采取某种特殊的方法，使得在共振腔内不同的振荡纵模之间建立起确定的（“锁定”的）相对位相关系，则它们之间的振荡就不再是彼此无关的，而必然伴随着一种多纵模间的相干作用效果（图b）。众多纵模之间保持同步振荡和彼此之间相互“干涉”作用的结果，导致输出激光呈现为一系列规则的脉冲系列；该序列中每个单独光脉冲的时间宽度，由维持同步振荡的不同纵模的数目所决定，并且在数值上约等于相邻纵模频率间隔与上述振荡纵模数相乘积倒数。由上面的说明可看出，为获得尽可能窄的输出激光脉冲宽度，采用具有较大增益带宽的激光工作是有利的。

为实现激光纵模之间的位相锁定，可分别采用以下两种方法：

在腔内置入适当的损耗调制元件（如声光调制元件或电光调制元件）并使调制的频率 v┡ 正好等于由共振腔所决定的相邻纵模频率间隔δv＝с/2L（с为光速，L为腔长）。此情况下，按傅里叶分析原理，对某个指定的纵模而言，由于受频率为v┡ 的幅度调制，其频谱结构图中的侧边带正好与其相邻的两个其他纵模频率位置相重合；这意味着通过调制侧边带而使不同振荡纵模之间发生能量耦合并进而形成同步振荡或位相锁定式的振荡。

实验研究表明，将可饱和吸收染料媒质置于激光共振腔技术内，不但可起到调Q开关（激光调Q技术）的作用，而且在一定的条件下，他们亦可起到锁模的作用；此时不需要外界附加的调制源，而是靠染料媒介本身与激光相互作用的固有特性，因此这种锁模技术称为被动锁模技术。多个振荡纵模与腔内可饱和吸收染料媒质相互作用的结果，是使染料媒质本身的光学透过率特性呈现出周期性脉动的特点，而这种变化周期所对应的频率，恰恰等于相邻振荡纵模之间的频率间隔，从而能产生类似于主动调制锁模那样的效果。被动锁模的优点是方法简单、装置轻便；不足之处是锁模稳定性和重复性不如主动锁模。

在某些使用要求下，亦可同时采用主动锁模与被动锁模的方法，以收到更好的效果。

以一般常用的钕玻璃脉冲激光器而言，由非均匀加宽决定的增益带宽可达上百埃，采用调Q技术，可使激光输出脉冲时间压缩到10-8～10-9秒量级；若进一步采用锁模技术，则可获得更精细的规则脉冲序列，其中每个单脉冲的持续时间可压缩到只有10-11～10-12秒量级或更短；在此基础上，若再进一步采用腔外选脉冲开关（如火花隙控制电光开关），则可在输出脉冲序列中挑选出单独一个激光超短脉冲，输入到下一级的激光放大器系统中进行放大。