定义
实现激光器模式锁定的装置。
使用某种模式锁定装置（或模式锁定器），可以将激光器强制进入模式锁定的操作状态，在那里它发出常规的超短脉冲序列。 对于主动模式锁定，需要将某种强度调制器或相位调制器插入激光谐振器中。 对于被动模式锁定，使用可饱和吸收器。
用于主动模式锁定的调制器
在大多数情况下，使用强度调制器，该调制器由正弦驱动信号操作，其频率与激光谐振器的往返频率和输出的脉冲重复率相匹配。 （在谐波模式锁定的情况下，驱动频率是往返频率的整数倍。 通常，使用电光调制器，但对于锁模二极管激光器，电吸收调制器也是一个不错的选择。 另一种可能性是使用带有调频驱动器的声光调制器。 在线性谐振器中，调制器应靠近端镜放置。
本质上，主动模式锁屏的功能如下（假设使用强度调制器）：
- 循环脉冲在损耗最小的时间通过调制器。 由于正弦损耗调制，脉冲的颞翼损失略高。 这会导致轻微的时间压缩效应，在激光的稳态下可以补偿时间展宽效应，例如来自增益介质的有限增益带宽。
- 如果循环脉冲有轻微的定时误差，调制器会产生“恢复力”，倾向于“将其拉回”。
- 调制器抑制谐振器中循环的任何其他光，因为虽然环脉冲的净往返增益在稳态（通过增益饱和）为零，但其他时间的较高损耗会导致其他光的净往返增益为负。
较高的调制深度有助于获得更短的脉冲持续时间，但这种影响非常弱，正如Kuizenga-Siegman理论所解释的那样。 谐振器长度不匹配的容差也随着调制深度的增加而增加。
也可以使用相位调制器，尽管很难理解它如何诱导模式锁定。
调制器不应在光束路径中产生任何寄生反射。 因此，应避免与光束路径完全垂直的表面。
插入损耗当然应尽可能小，以保持激光器良好的功率转换效率。
调制器驱动器
本质上，调制器驱动器只需要产生具有正确频率和适当幅度的正弦驱动信号即可连接到调制器。 然而，通常需要某种反馈环路来确保驱动信号与谐振器往返时间之间的长期同步。 对于该反馈循环，基本上有两种不同的可能实现：
- 可以使用压电陶瓷促动器微调谐振器长度，例如将其放置在激光反射镜的支架中。 然后，激光器可以在外部给定的驱动频率下工作，但是该频率通常只能在很小的范围内变化。
- 相反，可以调整驱动频率。 然后可以通过修改谐振器长度来调整重复率。
在任何情况下，都需要产生一个误差信号，告诉反馈电子设备以何种方式修改驱动频率的谐振器长度。 这可以根据来自快速光电二极管的信号来完成，该信号暴露于从输出光束分离的光束，或者使用高反射谐振镜的一些寄生传输。 该方法称为再生反馈。
用于被动模式锁定的可饱和吸收器
真正的吸收器
对于被动模式锁定，人们在激光谐振器中使用可饱和吸收器，在大多数情况下，它是作为谐振器的端镜插入的反射装置。 该吸收器的基本功能如下：
- 它需要启动模式锁定。 通常，在开启后，激光器将立即处于连续波操作状态，并具有一些或多或少的强度噪声。 可饱和吸收器将始终偏向于循环辐射中最强烈的部分，最终只让一个脉冲“存活”，通常只有在数千次谐振器往返之后。
- 在“快速”吸收器的简单情况下，恢复时间远低于脉冲持续时间，脉冲的前导和后颞翼都会衰减，导致类似于有源调制器的脉冲缩短效果。 然而，损耗调制要快得多，因为它是由脉冲本身驱动的。 因此，无源模式锁定通常会导致更短的脉冲持续时间。
- 模式锁定也可以很好地与“慢速”吸收器配合使用，其中恢复时间可能比脉冲持续时间长 10 倍以上。 人们可能会因为循环脉冲“落后”的正净增益而出现稳定性问题，但实际上，如果恢复时间不太长，就会给出稳定性[7]。
- 吸收器还会抑制在其他时间循环的光，这些光（只要足够弱）不能使吸收饱和，因此会经历更高的功率损耗。
在大多数情况下，人们使用所谓的半导体可饱和吸收镜（SESAM）[6]进行被动模式锁定。 这种设备可以针对广泛的操作参数进行定制，因此可以成功地用于各种锁模激光器，包括脉冲持续时间、脉冲重复率、光波长、输出功率等。 SESAM 既可用于固体体激光器（作为端镜），也可用于锁模光纤激光器。 在后一种情况下，优选使用光纤耦合SESAM，它可以包含简单地对接到半导体结构的光纤，或者用于以较大模式面积操作的光纤准直器。
用于模式锁定的 SESAM 的基本参数如下：
- 工作波长：所包含的布拉格反射镜和吸收层都必须适合预期的工作波长，以便这些器件通常仅在宽度为几十纳米的波长范围内工作。 为了在新波长区域运行，可能需要开发大量的新器件，涉及新材料、调整的设计参数等。
- 调制深度：这是由于吸收体饱和而导致的反射率的最大变化。 它应该足够大，以安全地启动模式锁定并产生短脉冲，但不能太大，否则可能会降低功率效率、吸收器损坏或Q开关不稳定。
- 恢复时间：这是饱和吸收恢复到正常状态的时间。 通常，它比脉冲持续时间长得多，但如果太长，则会导致不稳定。 获得的脉冲持续时间通常与吸收体恢复时间几乎没有关系。
- 饱和通量：这与光束面积一起决定了饱和能量，通常应该是循环脉冲能量的四分之一量级，有时甚至更少。
一些其他类型的可饱和吸收剂有时也用于模式锁定，例如基于碳纳米管[8，9，11]或石墨烯的吸收剂。
人工饱和吸收器
还有各种人造饱和吸收器。 这些设备在强度更高时表现出降低的光学损耗，但不是基于实际光吸收。 此类设备可以基于例如
- 克尔镜头结合某种光圈（→克尔镜头模式锁定）[4]
- 一种包含倍频晶体的非线性反射镜器件，有时用于固体体激光器的被动模式锁定[1，12]
- 辅助谐振器内的非线性光纤（→加法脉冲模式锁定）[2]
- 光纤中的非线性偏振旋转，结合偏振元件，通常用于光纤激光器的被动模式锁定[5]
- 非线性光纤环路反射镜，也用于光纤激光器的模式锁定 [3]
- 波导阵列，表现出非线性耦合 [10]
可饱和吸收器的选择和优化
可饱和吸收体的最佳参数在很大程度上取决于激光器的类型和预期的操作状态。 吸收器参数的选择应基于对体系的全面定量了解，否则会导致不理想的性能参数甚至不稳定，在其他情况下会导致吸收器过早降解或瞬间破坏。 理想情况下，应该基于数值脉冲传播模型研究预期操作。
参考文献
[1] K. A. Stankov, “A mirror with an intensity-dependent reflection coefficient”, Appl. Phys. B 45, 191 (1988), doi:10.1007/BF00695290
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[3] M. E. Fermann et al., “Nonlinear amplifying loop mirror”, Opt. Lett. 15 (13), 752 (1990), doi:10.1364/OL.15.000752
[4] T. Brabec et al., “Kerr lens mode locking”, Opt. Lett. 17 (18), 1292 (1992), doi:10.1364/OL.17.001292
[5] M. E. Fermann, “Passive mode locking by using nonlinear polarization evolution in a polarization-maintaining erbium-doped fiber”, Opt. Lett. 18 (11), 894 (1993), doi:10.1364/OL.18.000894
[6] U. Keller et al., “Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-state lasers”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 435 (1996), doi:10.1109/2944.571743
[7] R. Paschotta et al., “Passive mode locking with slow saturable absorbers”, Appl. Phys. B 73 (7), 653 (2001), doi:10.1007/s003400100726
[8] S. Y. Set et al., “Laser mode locking using a saturable absorber incorporating carbon nanotubes”, J. Lightwave Technol. 22 (1), 51 (2004), doi:10.1109/JLT.2003.822205
[9] A. Schmidt et al., “Passive mode locking of Yb:KLuW using a single-walled carbon nanotube saturable absorber”, Opt. Lett. 33 (7), 729 (2008), doi:10.1364/OL.33.000729
[10] D. D. Hudson et al., “Nonlinear femtosecond pulse reshaping in waveguide arrays”, Opt. Lett. 33 (13), 1440 (2008), doi:10.1364/OL.33.001440
[11] F. Shohda et al., “147 fs, 51 MHz soliton fiber laser at 1.56 μm with a fiber-connector-type SWNT/P3HT saturable absorber”, Opt. Express 16 (25), 20943 (2008), doi:10.1364/OE.16.020943
[12] I. J. Graumann et al., “Power-scaling of nonlinear-mirror modelocked thin-disk lasers”, Opt. Express 27 (26), 37349 (2019), doi:10.1364/OE.27.037349
