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锁模（mode locking）原理是实现皮秒（10-12s）以下激光脉冲最常用的一种原理方案。所谓的锁模指的是将激光振荡腔的谐振的各纵模的相位锁定，从而相干形成在时域上极短的激光脉冲序列，而在频域上则表现为几十甚至上百纳米宽的宽带光谱输出。
通常实现锁模原理的方式分为主动锁模和被动锁模，其中被动锁模方式较为常用，主要是通过偏振、干涉、特种材料性质等方式实现激光腔内的快速饱和吸收来实现模式锁定。简单来说就是采用基于某个光学原理的饱和吸收机制，使得随机产生的初始脉冲的峰值部分获得的损耗小，而脉冲低功率的拖尾部分经历的损耗高，经过多次的循环振荡从而形成超短的激光脉冲。
图1 锁模与超快脉冲的基本特性 |
图 2 锁模激光器构成与饱和吸收机制 |
1 非线性偏振旋转光纤锁模激光振荡器
1.1 总体介绍
非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation)是超快激光领域非常常用的一种锁模方式，具有方案简单、搭建容易、输出光谱宽、脉冲极限短、输出功率大等优势，一直为科研从业者所钟爱。然而，其也有一定的缺点，尤其是长期工作不稳定性，锁模容易发生漂移变化从而引起锁模无法自启动是其致命的缺点。究其原因，是因为采用的锁模原理是基于偏振变化的，而当腔内光纤遇到应力、温度等环境变化时就会改变光的偏振状态，从而影响整个激光器的锁模状态。不过，目前很多激光器公司已经通过工程化已经能够解决此类稳定性问题，并广泛应用。
1.2 激光振荡器特性
- 一般只能环形腔实现
- 飞秒量级响应时间
- 输出功率大，一般在几十到几百mW
- 输出脉冲窄（可达10fs量级）
- 锁模需保证足够大的非线性相移
- 饱和机制不会丧失，但易受外界环境影响，容易失锁无法自启动
1.3 激光锁模原理
光脉冲在光纤中传输时，光波的偏振会因为光纤应力、不对称等因素随传输而旋转。在强场情况下由于附加的非线性折射率的作用，双折射效应会随光场强度的变化而变化，因此偏振旋转的角度也会因光强的不同而不同。这就是非线性偏振旋转。利用这一点可以通过偏振控制器和检偏器来控制不同脉冲峰值功率的传输效率，来形成所谓的可饱和吸收效应。
图 3 偏振锁模原理示意图
更为形象的来说，在谐振腔中随机产生的小脉冲，随着其在光纤中的传播，脉冲高功率的峰值部分经历的非线性效应大小与低功率的拖尾部分不同，两部分的偏振态也不同，选取合适的波片进行偏振调节，在通过偏振选择器件（比如图中偏振分束器）的时候，脉冲峰值部分获得的损耗小，而脉冲低功率的拖尾部分经历的损耗高，构成饱和吸收的机制，形成超快脉冲输出。
1.4 几种典型光纤激光振荡器结构
图 A 非线性偏振旋转锁模光纤激光器基本结构 |
图 B 带色散补偿（光栅对）的非线性偏振旋转锁模光纤激光器结构 |
图 C 单次通过光栅对（色散补偿＋滤波）非线性偏振旋转锁模光纤激光器结构 |
图 D 全光纤非线性偏振旋转锁模光纤激光器结构 |
图A为最基本的非线性偏振旋转锁模光纤激光器结构，其中：
- 两个1/4波片用以控制腔内光的偏振态；
- 1/2波片＋偏振分束器用以控制激光器的耦合输出比例及作为输出口；
- 两个准直器对调耦合至最佳用以形成振荡腔；
- 光纤隔离器用以确保腔内光单方向传输；
- 波分复用器＋增益光纤用以提供泵浦光和激光增益；
- 泵浦激光器用以提供泵浦光；
- 光纤耦合器用以作为输出口；
在整个结构中可以加入色散补偿装置，特别是在1.3微米以下的波长，光纤色散一般为正色散，为了实现腔内的色散控制，通常可以选择加入光栅对作为色散补偿装置，比如在图B中：
- 双次通过光栅对构成的高低光路用以实现色散补偿
另外，为了简化结构还可以采用单次通过光栅对的光路如图C：
- 光栅对能同时起到色散补偿和光谱滤波两种功能
整个系统也完全可以实现全光纤的结构，如图D：
- 光纤偏振分束器起到了1/2波片和空间偏振分束器的作用；
- 光纤偏振控制器取代了1/4波片；
2 非线性环形镜光纤锁模激光振荡器
2.1 总体介绍
基于非线性环形镜的光纤锁模激光器也是研究很早的一种锁模方式。这种锁模原理是基于环形镜顺、逆时针方向累积的非线性相位差引起环形镜反射率饱和吸收特性的基本原理，与偏振等易受外界环境影响的光学因素无关。所以，从原理上来说，其长期稳定性要比非线性偏振旋转锁模原理更有优势，而且其可以做成全保偏光纤结构，从光路结构上更能保证高稳定性。尤其是在正反传播方向上加入相位偏置器件后，可成功的降低此类激光器的锁模阈值，能够实现低锁模阈值，高稳定性的全保偏光纤锁模激光器，对其在航空航天等高要求环境下的应用提供了解决方案。
2.2 激光振荡器特性
- 8字形或9字形特定腔型结构
- 飞秒量级响应时间
- 输出功率1-10mW量级
- 输出脉冲窄（一般在100fs量级）
- 锁模需保证足够大的非线性相移
- 可全保偏结构，锁模稳定
2.3 激光锁模原理
非线性环路反射镜的基本结构如图4所示。这个光纤环路主要由一个光纤耦合器构成，脉冲从输入端口进入环路后有顺时针和逆时针两个方向的光路输出，整体结构可以看成一个Sagnac干涉仪。在顺、逆时针两个方向人为引入光强差，非线性的作用会使得光路在传播一圈后累计出顺、逆时针的相位差，从而影响干涉产生的反射／透射率。也就是说，光纤环路反射镜的反射／透射率会跟脉冲的非线性效应相关，在一定的条件下产生饱和吸收的效应，从而实现脉冲的锁模输出。
图 4 光纤非线性环路反射镜的基本结构
如果在环形镜内引入顺、逆时针非互易相移器件，产生一个1/2π 相移，可以在保障该环形镜有较大的调制深度的同时，有效降低激光锁模阈值，提升激光器性能。相移器的结构原理如图5所示，主要由两个法拉第旋光器中间加一个1/4波片构成，这样左右两个传输方向传输光会经历1/2π 的相位差。引入此相位差后，可以利用反射率构建可饱和吸收效应。如图6所示，引入＋1/2π 相移以后，利用环形镜的反射方式取代原有的透射方式，激光器的初始振荡点由0%的透射率变为50%的反射率，且工作于高斜率区间，更低的非线性相移就可以实现激光锁模，有效的降低锁模的阈值。
图 5 非互易相移器结构原理图 |
图 6 非互易相移器对应的环形镜反射／透射率 |
2.4 几种典型的非线性环形镜光纤锁模激光器结构
图 A 8字形非线性环镜光纤锁模激光器结构示意图 |
图 B 带色散补偿（光栅对）9字形非线性环镜光纤锁模激光器结构示意图 |
图A为最基本的8字形（Figure 8）非线性环形镜光纤锁模激光器的结构图，其中：
- 中间的耦合器用以构成8字形结构，其中右侧环为非线性环形镜；
- 波分复用器＋增益光纤用以提供泵浦光和激光增益；
- 增益光纤环中放置采用靠近耦合器一边的结构用以产生非线性相位差；
- 光纤隔离器用以确保腔内光单方向传输构成左侧的环形振荡腔；
- 偏振控制器用以改变振荡腔内的偏振；
- 光纤耦合器用以作为输出端口；
图A中左侧的环形振荡腔也可以为线性腔，此类结构为9字形，如图B所示为全保偏光纤非线性环形镜锁模激光器结构，其中：
- 光纤相移器为非线性环形镜内顺、逆时针方向提供1/2π 的相位偏差；
- 线性腔内可以使用色散补偿元件（光栅对）调整腔内的色散平衡；
3 半导体可饱和吸收镜（SESAM）光纤锁模激光振荡器
3.1 总体介绍
非线性偏振旋转以及非线性环形镜锁模是建立在克尔非线性效应机制上的可饱和吸收机制，其响应速度在飞秒量级，具有优良的锁模特性。但是，整个锁模系统相对复杂，而且容易受到外界环境影响产生失锁的情况。而以半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Mirror，SESAM）为代表的锁模器件使用简单，可以设计于线性腔结构，具有良好的自启动特性等优点，被广泛的应用于各类的锁模激光器系统。不过，基于半导体器件的缺点是激光损伤阈值低，也会出现长期使用器件损坏的可能，另外就是SESAM的可饱和吸收时间特性一般在皮秒量级，其锁模的脉冲相对较宽。
3.2 激光振荡器特性
- 适用于环形腔或线性腔
- 幅度调制直接产生脉冲
- 锁模容易，自启动良好
- 皮秒量级响应时间，为皮秒光源首选
- 出光功率低
- 器件易损坏
3.3 半导体饱和吸收原理
通常来讲，SESAM包含一个半导体布拉格反射镜和一个量子阱吸收层（接近表面）。当光束持续照射时，器件的反射率随着光束强度的增加而变大，在脉冲持续期间，载流子数目增加，产生吸收漂白，大部分腔内能量通过可饱和吸收体到达反射镜，并再次反射回几个腔中；在弱光下，表现为吸收不饱和特性，入射光被全部吸收，即脉冲的峰值部分被反射回谐振腔内，而低功率的拖尾部分被全部吸收，脉冲宽度逐渐变窄。
图 7 半导体饱和吸收示意图
