锁模

2021-03-15 13:24:17 浏览:367

定义

激光器产生超短脉冲采用的技术。

锁模是一种激光器产生超短脉冲的方法(实际上是一组方法),然后这种激光器就被称为锁模激光器。其中,激光谐振腔中包含一种有源组件(光调制器)或者无源非线性器件(饱和吸收器),从而光能够在谐振腔中循环往复形成超短脉冲。在稳态情况下,影响循环脉冲的各种效应达到平衡,脉冲每循环一周后参数不会发生变化,或者几乎不发生变化。而每当脉冲入射到输出耦合器的反射镜上时,就会辐射一个可用的脉冲,其重复周期对应于谐振腔中循环一周所需的时间(通常为几个纳秒),脉冲长度非常短;通常在30fs到ps之间,极限情况下可以低至5fs。因此,锁模激光器的峰值功率会比其平均功率高几个数量级。

图 1 无源锁模激光器中产生脉冲列的过程。介质中的增益补偿损耗,饱和吸收反射镜会增强脉冲产生过程。每次脉冲入射到输出耦合反射镜,就会有一个脉冲产生。 

主动和被动锁模

主动锁模需要周期性调制谐振腔损耗或者循环一周的相位变化,通常是由声光调制器、电光调制器、马赫-曾德尔集成光学调制器或者半导体电吸收调制器来实现。周期性调制结合谐振腔就可以得到超短脉冲,通常长度为皮秒。大多数情况下,得到的脉冲长度是由调制器引起的脉冲压缩和其它效应(例如有限的增益带宽)引起的脉冲展宽之间的平衡来决定的。

图 2 主动锁模激光器装置示意图。 

被动锁模(采用饱和吸收器)可以产生更短的脉冲(飞秒),主要是因为饱和吸收器本身是由短脉冲驱动的,比电子调制器调制谐振腔损耗更快:脉冲越短,损耗调制越快,前提是吸收器的恢复时间足够短。脉冲长度甚至会小于吸收器的恢复时间。有些情况下,并不能达到快速锁模。

图 3 被动锁模激光器示意图。

在有些激光器中(尤其是锁模二极管激光器),需要同时采用主动和被动锁模。这种混合锁模激光器结合了一些关键的优势,例如外加控制脉冲重复频率和较短脉冲。

连续光与同步泵浦对比

大多数锁模激光器是连续光泵浦的,通常采用激光二极管。泵浦光源为增益介质提供连续的光源,而循环的脉冲以规律的时间间隔提取出能量。大多数情况下,与上能态寿命相比,脉冲间隔较短,因此在这一时间内增益介质可以非常容易的储存能量。那么采用相同的平均功率的连续光激光器,增益饱和情况相同。

即使有些增益介质具有相对较短的上能态寿命,例如在染料激光器或者一些半导体激光器中,连续光泵浦时可能的,前提是脉冲重复频率不能太低。如果不能满足这一条件,单脉冲引起的增益饱和效应很强(脉冲形成过程就会不稳定),可以采用同步泵浦方法。但是,这就需要另外一个锁模激光器作为泵浦源。

高脉冲重复频率和低脉冲重复频率

高的脉冲重复频率通常是由谐波锁模得到的,其中多个脉冲以恒定的时间间隔在谐振腔中循环往复。这样即使采用光纤激光器也可以产生几个GHz的脉冲列,往返一周频率只有几十个MHz。

采用基本锁模得到的高脉冲重复频率的情况下,即不采用谐波锁模,需要非常短的激光谐振腔。如果通过适当的设计,那么可以避免Q开关不稳定性,这种激光器就会非常简单,稳定且体积小。

在脉冲重复频率很高时,锁模激光器得到的脉冲能量非常有限,通常为纳焦耳或者皮焦耳。采用倾斜腔锁模激光器和正反馈放大器,就能同时获得很高的脉冲能量和更低的重复频率。

光谱:频率梳

锁模激光器产生脉冲列的光谱并不是平滑的,而是包含等间距的分离的线,间距与脉冲重复速率相等。尽管谐振腔模式的谐振频率并不总是等间距的也会得到频率梳,因为增益介质中的色散效应的存在:锁模机制使激光器产生光的频率域谐振腔模式的频率不相等。这种频率差值可能非常高,只有当谐振腔色散非常小时才能够得到宽谱,这样谐振腔模式的频率近似是相等的。在时间域,可以理解为色散造成时间谱展宽,需要采用锁模机制进行补偿。然而需要注意的是,光学非线性效应也可能比较强,因此考虑“冷腔模式”会忽略很重要的一部分物理机制。

“锁模”的起源

锁模的名称来自于频域的一种描述:当激光谐振腔中的纵模之间具有固定相位关系时形成超短脉冲,更准确的说,是激光输出光谱的线之间。然而,锁模的基本机制在时间域上更容易理解。并且,在强的光学非线性效应影响下,谐振腔模式的概念就存在疑问。严格说来,不建议把锁模激光器光谱中的线称为模式,尽管光谱中分立的线与谐振腔模式是有关系的。

可以将周期性脉冲列的合成看做一系列叠加等频率间隔的正弦振荡(图4)(对应于锁模激光器不同的轴向谐振腔模式)的叠加。采用的频率组分越多,产生脉冲的长度越短。

图 4 通过叠加七个不同模式的正弦波(蓝色曲线)合成的周期性脉冲列(红色曲线)。竖直线表示所有同相位的振荡对应的时间点。 

一个很重要的因素在于这些谐振腔模式需要具有固定的相位关系。如图5所示:蓝色曲线表示脉冲列具有固定的相位关系,因此在某个时间点,各频率组分的电场叠加得到总的场强度为最大值。红色曲线表示具有相同强度的各频率组分的电场,但是具有随机的相对相位。

图 5 激光腔内电场的时间演化曲线,蓝色曲线是模式间具有固定的相位关系,红色曲线对应模式的相位差是随机的。 

锁模激光器的不稳定性和噪声

锁模激光器采用的不同机制会产生各种不稳定性。例如,激光器可能产生不稳定间隔的多个脉冲,不稳定能量的脉冲,或者具有本地噪声的脉冲。在追溯这些问题起因时采用的不同的模型非常重要,然后再寻找合适的解决方法。

即使不存在常规的不稳定性因素,锁模激光器的输出也包含各种噪声;通常需要特别注意的是时间抖动(脉冲位置的随机涨落)。其它的噪声包括相位噪声,强度噪声,以及脉冲长度,啁啾和中心频率的涨落。相位噪声导致产生的频率梳的有限展宽。锁模激光器中的不同类型的噪声具有很多联系[16]

参考文献

[1] W. E. Lamb Jr., “Theory of an optical laser”, Phys. Rev. 134 (6A), A1429 (1964) (proposed the technique of mode locking)
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[10] R. L. Fork et al., “Compression of optical pulses to six femtoseconds by using cubic phase compensation”, Opt. Lett. 12 (7), 483 (1987)
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[13] R. Paschotta et al., “Soliton-like pulse shaping mechanism in passively mode-locked surface-emitting semiconductor lasers”, Appl. Phys. B 75, 445 (2002)
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[16] R. Paschotta et al., “Optical phase noise and carrier–envelope offset noise of mode-locked lasers”, Appl. Phys. B 82 (2), 265 (2006)
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[18] R. Paschotta, Field Guide to Laser Pulse Generation, SPIE Press, Bellingham, WA (2007)
[19] R. Paschotta, case study on active mode locking
[20] R. Paschotta, case study on passive mode locking

参阅:主动锁模、被动锁模、锁模激光器、孤子锁模、谐波锁模、腔倾斜、超快激光器、正反馈放大器、脉冲、脉冲产生、载波包络相移、频率梳、时间抖动、激光工作模式

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