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超快激光通常是指脈沖持續(xù)時(shí)間在皮秒（10^ -12s）或飛秒（10^ -15s）量級(jí)的激光，當(dāng)然阿秒（10^-18s）等脈寬更短的自然也屬于超快，只不過(guò)為了方便區(qū)分，人們習(xí)慣直呼其名。而皮秒飛秒脈沖的產(chǎn)生主要依靠激光鎖模技術(shù)。

什么是激光鎖模

自由運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)激光器輸出包含若干個(gè)振幅和相位獨(dú)立、隨機(jī)的振蕩模式，因而輸出激光的各個(gè)縱模是非相干疊加的，輸出光強(qiáng)正比于各縱模光強(qiáng)之和；但是當(dāng)相鄰縱模之間的相位差被鎖定時(shí)，由于各相鄰模之間的頻率間隔固定，各模的振動(dòng)方向或方式對(duì)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(duì)于每一脈沖來(lái)說(shuō)脈寬（脈沖持續(xù)時(shí)間）變窄，峰值功率大大提高，這就是激光鎖模技術(shù)。

鎖模原理圖示:圖中出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“建設(shè)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值。

常見(jiàn)鎖模技術(shù)

鎖模方法主要分為主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、自鎖模等，實(shí)驗(yàn)中比較常見(jiàn)的是SESAM（半導(dǎo)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(shù)隨著光強(qiáng)逐漸減小，滿足：

Is為吸收體的飽和吸收光強(qiáng)，光強(qiáng)I大于Is為強(qiáng)信號(hào)，小于Is則為弱信號(hào)。

可飽和吸收體鎖模的三個(gè)階段

SESAM鎖模主要分為三個(gè)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(nèi)光強(qiáng)比較小，由于可飽和吸收體“欺軟怕硬”的性格使弱信號(hào)被吸收得多，受到的損耗大，而稍強(qiáng)的信號(hào)則吸收小一些，損耗小，且稍強(qiáng)信號(hào)的損耗可通過(guò)激光諧振腔工作物質(zhì)的增益得到補(bǔ)償。所以在一個(gè)周期2L/c（腔長(zhǎng)為L）時(shí)間內(nèi)，光脈沖通過(guò)可飽和吸收體和激光介質(zhì)，其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次，激光受到周期性的調(diào)制，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會(huì)越來(lái)越大。弱信號(hào)逐步消失，脈沖個(gè)數(shù)減少，頻譜變窄。

非線性吸收階段: 光強(qiáng)大于飽和吸收光強(qiáng)，強(qiáng)脈沖使吸收體吸收飽和（漂白）因此強(qiáng)脈沖會(huì)得到大幅度的放大，但弱脈沖會(huì)進(jìn)一步被吸收抑制掉，最后實(shí)現(xiàn)發(fā)射脈沖變得更窄，頻譜增寬。由于一個(gè)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(duì)于脈沖后沿先到達(dá)增益介質(zhì)，脈沖后沿到達(dá)時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)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(huì)造成脈沖前后沿變陡，脈沖進(jìn)一步壓縮，最后輸出一個(gè)高強(qiáng)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(chǎn)生調(diào)Q脈沖，因此此種鎖模方式很容易產(chǎn)生調(diào)Q脈沖而不是連續(xù)穩(wěn)定的鎖模脈沖串，常需要提高腔內(nèi)單脈沖能量或降低SESAM和增益介質(zhì)的飽和能量來(lái)實(shí)現(xiàn)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(lái)減小增益介質(zhì)和SESAM上的光斑大小，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)Q鎖模進(jìn)入連續(xù)鎖模。

SESAM鎖模激光器光路:啁啾鏡用于色散補(bǔ)償，半波片HWP用于調(diào)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(chēng)為自鎖模，應(yīng)用的是增益介質(zhì)的克爾非線性效應(yīng)，即激光峰值功率達(dá)到GW (10^ 9 W)時(shí)，介質(zhì)折射率n與入射激光光強(qiáng)有關(guān)：

基模高斯光束具有中心光強(qiáng)強(qiáng)，周?chē)饾u減弱的特點(diǎn)，因此高斯光束經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)時(shí)，中心折射率大，周?chē)凵渎市。沟媒橘|(zhì)出現(xiàn)類(lèi)似于透鏡的效果，實(shí)現(xiàn)光束的聚焦，也就是自聚焦效應(yīng)。若在高斯光束腰斑附近放一個(gè)光闌，則光束前后沿的損耗大于光束中部的損耗，使得強(qiáng)光占據(jù)的中部得以通過(guò)放大，而周?chē)墓馐鴦t被損耗。光闌和自聚焦效應(yīng)的結(jié)合可以看成一個(gè)快飽和吸收體，即強(qiáng)光漂白，弱光被損耗，由于諧振腔的作用，其調(diào)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(guó)圣 ? 安德魯斯大學(xué)W. Sibbett研究組首次實(shí)現(xiàn)克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器，脈寬為60fs。在他們的結(jié)構(gòu)中，BF為雙折射濾波片以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)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(duì)高色散棱鏡，用于補(bǔ)償增益介質(zhì)等引入的色散，通過(guò)外界的擾動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自鎖模。

首次實(shí)現(xiàn)克爾鎖模激光器光路

色散補(bǔ)償

想要獲得飛秒脈沖，色散補(bǔ)償是十分重要的一環(huán)，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(shí)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(lán)光，由于藍(lán)光頻率大，紅光頻率小，在正常色散中傳播一段時(shí)間后紅光在前藍(lán)光在后，從而造成脈沖展寬，在鎖模激光器中，由于增益介質(zhì)的影響會(huì)引入色散，使得脈沖展寬，必須進(jìn)行色散補(bǔ)償壓縮脈沖，才能實(shí)現(xiàn)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(lán)光在反常色散介質(zhì)中傳播一段時(shí)間之后紅光在厚藍(lán)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(shí)考慮兩種色散，經(jīng)過(guò)正常色散介質(zhì)展寬的脈沖再通過(guò)等量色散的反常色散介質(zhì)則可實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)脈沖的壓縮，這就是鎖模激光器中色散補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理。

常見(jiàn)色散補(bǔ)償方法

棱鏡對(duì)壓縮脈沖：利用棱鏡的色散原理可實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，棱鏡色散使不同頻率的光分離，當(dāng)不同頻率的光穿過(guò)棱鏡的厚度不同時(shí)會(huì)引入不同的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。舉個(gè)栗子，經(jīng)正常色散展寬后的脈沖通過(guò)棱鏡對(duì)時(shí)，可通過(guò)擺放方式使得低頻光穿過(guò)棱鏡的厚度更大，高頻光穿過(guò)棱鏡的厚度更小，這樣使得低頻光穿過(guò)棱鏡所需時(shí)間更長(zhǎng)，合理設(shè)計(jì)穿透的厚度即可實(shí)現(xiàn)脈沖的壓縮。

雙棱鏡對(duì)壓縮脈沖原理

啁啾鏡壓縮脈沖：通過(guò)在啁啾鏡表面鍍不同中心波長(zhǎng)反射膜，使得不同中心波長(zhǎng)的光穿透深度不同，從而引入不同的延時(shí)，例如經(jīng)過(guò)正常色散的光到達(dá)啁啾鏡時(shí)，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(shí)大于高頻光，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。根據(jù)系統(tǒng)的總色散量精密的計(jì)算鍍膜的層數(shù)和厚度，啁啾鏡可實(shí)現(xiàn)超寬光譜的色散補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)周期量級(jí)的超短脈沖。

此外，通常脈寬和光譜寬度成反比關(guān)系，對(duì)于超快激光而言，其脈寬極窄，因而光譜寬度較大，飛秒量級(jí)的激光其波長(zhǎng)可覆蓋幾十到幾百納米，自然不再滿足激光單色性。但是，脈沖的峰值功率等于單脈沖能量比上脈寬，也就是說(shuō)飛秒脈沖的峰值功率很高，可達(dá)GW量級(jí)，采用啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）可達(dá)PW量級(jí)。