定义
一种使用激光谐振器中的光学开关从激光中提取强短脉冲或超短脉冲的方法。
倾斜腔是一种脉冲生成技术，可以与Q开关或模式锁定结合使用，有时甚至可以同时使用这两种技术。 无论如何，基本思想是在一段时间内将激光谐振器的光损耗保持在尽可能低的水平，以便在谐振器中建立强光脉冲，然后使用一种光开关（“腔体转储器”）在大约一个腔往返时间内提取该脉冲，例如声光调制器或Pockels单元。
纳秒脉冲的空腔倾倒
最初，腔倾倒是在调Q激光器的背景下发明的。 目的是消除Q开关的一些基本限制。 特别是，当脉冲重复率增加时，Q开关激光器可实现的脉冲持续时间增加，这可能会令人不安；这是由于增益介质中存储的能量较低，激光增益较低。 此外，高重复率的Q开关可能导致脉冲压降。
腔倾倒的修改本质上是谐振器仅包含高反射镜（即，没有部分透射输出耦合器镜），输出耦合由谐振器中的光调制器控制。 通常，这是一个声光调制器，它短暂开启以进行脉冲提取，然后将腔内光束衍射到输出中（见图1）。
图1：空腔倾倒激光器的示意图设置。声光调制器（AOM）仅在提取脉冲时短暂开启。在其他时候，光可以在谐振器中以低损耗循环。
然后脉冲形成的工作原理如下：
- 首先，调制器保持谐振器中大部分光耦合出去的状态，因此不会发生激光，因为器件低于激光阈值。 然后，泵浦源提供的能量主要存储在增益介质中，就像在Q开关激光器中一样。
- 然后，调制器切换到激光谐振器中循环的光仅经历小寄生损耗的状态。 因此，腔内功率会迅速增加——通常在几百次谐振器往返时间内。 在此期间没有光耦合。
- 然后，调制器再次快速切换到大部分光耦合出去的状态。 因此，谐振器中的光在大约一个往返时间内被提取出来。 之后，一个新的周期可以开始。
与Q开关的一个显着区别是，在产生输出脉冲之前，能量存储在腔内光场中，而不是存储在激光增益介质中。 也许最重要的优点是，这种能量可以在一个往返时间内提取，与建立腔内功率所需的时间无关。 因此，可实现的脉冲持续时间或多或少由谐振器长度决定（前提是调制器的开关时间不长于谐振器往返时间），并与激光增益解耦。 这意味着即使对于非常高的脉冲重复率，例如几兆赫兹，仍然可以实现几纳秒的脉冲持续时间。 在这种状态下，调Q激光器将产生更长的脉冲，甚至无法为每个预期的时隙产生一个脉冲。 （当Q开关工作频率过高时，可能会发生脉冲压降。 同样，该方法可用于具有低增益材料的激光器，其中短脉冲很难通过Q开关实现。
对于高脉冲重复率（远高于逆上态寿命），腔倾倒激光器的工作特别稳定，因为在脉冲提取后，一些光始终保留在激光谐振器中，并且该光可以作为下一个脉冲的种子。 这是首选的操作制度。
虽然用于型腔倾倒的激光设置原则上与Q开关相似，但对Q开关的要求是不同的：
- 开关时间不应长于谐振器往返时间，即通常不应超过几纳秒（而Q开关在开关速度低得多的情况下效果很好）。 对于声光调制器，这不仅要求RF源可以快速切换，而且调制器中的波束半径相当小，因为切换时间受到声波通过激光束的传输时间的限制。 不幸的是，较小的模面积会增加调制器中的光学强度，并且可能需要额外的腔内光学器件。
- 衍射效率应该很高，理想情况下远高于50%，这样大部分光就可以在一个谐振器往返内提取出来。 因此，声光腔倾倒器通常以几百兆赫兹的更高射频频率运行，而Q开关的射频频率为数十兆赫兹，并且使用相对较高的射频功率。 这在发热方面是可以接受的，因为RP电源的占空比相对较低，而Q开关需要驱动更长的时间。
由于能量存储在光场而不是增益介质中，因此腔倾倒甚至可以应用于某些半导体激光器，特别是垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）。
从这些考虑出发，腔体倾倒优于Q开关，主要是在高脉冲重复率的情况下，特别是在同时需要短脉冲持续时间的情况下。 另一方面，这种技术引入了额外的限制，例如模式区域和开关速度。
超短脉冲的空腔倾倒
腔倾倒也可用于锁模激光器，以产生具有更高脉冲能量的超短脉冲。 至于纳秒器件，谐振器损耗在大部分时间都保持很小，因此循环脉冲会变得强烈。 当达到最大强度（和稳定的脉冲参数）时，该腔内脉冲可以用光开关耦合出来。 因此，所需的开关速度甚至高于纳秒级器件。 因此，通常需要将电光调制器与偏振器结合使用。 此外，开关必须与循环脉冲同步：快速光电二极管监测微弱脉冲泄漏，例如通过高反射腔镜，驱动器电子设备使用该信号在正确的时间触发光开关，以便在脉冲位于谐振器的另一端时进行开关。 当然，在这种情况下，可实现的脉冲持续时间不受往返时间的限制；较长的往返时间甚至是有益的，因为它减少了有关切换时间的要求。
图2：空腔倾倒皮秒激光器的示意图设置。腔体转储器包含一个Pockels单元，一个四分之一波板和一个薄膜偏振片（TFP）。
超短脉冲的腔倾倒主要用于锁模固态体激光器，例如钛蓝宝石激光器或二极管泵浦钕掺杂或掺镱激光器。 获得的脉冲能量通常比普通锁模激光器高约一个数量级（即，通常为1μJ量级），脉冲重复率可以是数百千赫兹或几兆赫兹。 腔体倾倒激光器的平均输出功率通常明显小于没有腔体倾倒器的锁模激光器；这是由于寄生谐振器损耗的影响。
图3：用作脉冲拾取器的腔体翻斗车。 为了获得最大速度，非线性晶体直接安装在电子驱动器上。 这张照片由EKSPLA Lasers提供。
腔倾倒激光器的设计，特别是对于超短脉冲生成，并不是一个微不足道的问题。 除了快速和良好同步的开关方面，还可能出现诸如Pockels单元振铃或腔体倾倒器引入的光学非线性和色散等问题。 变化很大的腔内脉冲能量也与孤子模式锁定不兼容。 因此，不应将型腔翻斗车视为独立设计的锁模激光器的简单附加组件。 相反，整个系统应该进行适当的设计，例如，从一开始就考虑到型腔倾倒器的非线性对脉冲形成的影响。
对于较高的脉冲能量，可以考虑较低的脉冲重复率。 然而，腔体倾倒不再很好地工作：当腔内功率在两个提取脉冲之间真正消失时，过程的稳定性就会下降。 出于类似的原因，将腔体转储与模式锁定和同步Q开关相结合也不容易：Q开关可以在谐振器中快速建立高功率，而锁模过程需要更多的时间才能形成稳定的脉冲。 对于脉冲能量相应的较高低重复率（例如10 kHz或更低），再生放大器是优选的，其中脉冲形成和放大过程是解耦的。
非线性型腔倾倒
虽然之前讨论的所有型腔倾倒技术都基于一些电控光开关，但也可以通过非线性相互作用进行型腔倾倒[8，11]。 在这里，腔倾倒激光器包含一个非线性晶体，该晶体是相位匹配的，例如用于产生和频率，并且腔倾倒是通过将来自另一个Q开关激光器的脉冲发送到该晶体来实现的。 然后以总和频率的短脉冲形式提取能量。 脉冲持续时间基本上由Q开关输入脉冲的持续时间决定。 在脉冲之间，非线性晶体仅在激光谐振器中引起低寄生损耗，从而允许建立高腔内循环功率。 请注意，循环腔内功率限制了产生的脉冲的峰值功率，因为每个输出光子需要转换来自每个激光器的一个光子。
如果脉冲能够与连续泵浦腔倾倒激光器的松弛振荡正确同步（通过适当选择重复率），则可以进一步提高功率效率。 当然，非线性型腔倾倒的原理也可以通过脉冲泵浦或Q开关来实现[11]。
参考文献
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