飞秒激光器锁模技术原理
发布时间：2021-02-20 11:22
产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术（mode locking）。这是因为一台自由运转的飞秒激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。实现锁模的方法有很多种，飞秒激光器锁模技术原理，但一般可以分成两大类：即主动锁模和被动锁模。主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的特性来产生激光超短脉冲。
飞秒钛宝石激光振荡器，或简称“飞秒激光器”，是利用钛宝石的增益特性产生飞秒量级超短脉冲激光的装置。一台典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦源、增益介质和光谐振腔三个组成部分；由泵浦源所发射的泵浦激光入射到钛宝石晶体上，产生反转粒子；平面镜M1和半透镜OC构成谐振腔，腔内两个曲率半径相同的凹面镜M2、M3起到聚焦的作用；飞秒激光器功率密度怎么计算？此外，在激光腔内还要有专门的色散补偿装置－切成布儒斯特角的棱镜对P1、P2。以下将对钛宝石晶体的增益特性、自锁模原理和色散补偿技术这三个钛宝石振荡器的关键部分逐一进行详细分析和论述。
目前，最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模（Kerr Lens mode locking）技术是一种独特的被动锁模方法。科尔透镜锁模实际上是利用了材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而最终实现短脉冲输出。
一般来说，基模运转的多纵模激光器可以有两种截然不同的运转方式：一种是所谓的自由振荡方式，另一种是锁模方式。在自由振荡方式下，由于各纵模起振的时间不同，它们的初始相位呈随机性分布，同时各相邻纵模间的频率间隔也不是常数，从而导致了不同频率的各纵模光场之间没有固定的相位关系。其结果是许多没有确定相位关系的简谐光场的任意叠加。而在锁模运转方式中，其情形恰恰相反。
一台飞秒激光器实现锁模运转后，在通常情况下飞秒激光器锁模技术原理，只有一个激光脉冲在腔内来回传输，该脉冲每到达激光器的输出镜时，就有一部分光通过输出镜耦和到腔外。因此，锁模激光器的输出是一个等间隔的激光脉冲序列。相邻脉冲间的时间间隔等于光脉冲在激光腔内的往返时间，即所谓腔周期。一台锁模激光器所产生的激光脉冲的宽度是否短到飞秒量级主要取决于腔内色散特性、非线性特性及两者间的相互平衡关系。而最终的极限脉宽则受限于增益介质的光谱范围。
衡量一台飞秒激光器的重要技术指标为：脉冲宽度、平均功率和脉冲重复频率。此外，还有谱宽与脉宽积，脉冲的中心波长，输出光斑大小，偏振方向等。脉冲重复频率实际上告诉我们了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间隔。由平均功率和脉冲重复频率可求出单脉冲能量，由单脉冲能量和脉冲宽度可求出脉冲的峰值功率。
对于具有宽光谱增益材料的钛蓝宝石飞秒激光器，实际输出激光脉冲的中心波长除了受到增益材料自身荧光波段的影响外，还与激光腔内其他元件的光谱特性（比如光学镜片的镀膜情况）有关。对于像Ti∶Sapphire这样的荧光带宽非常之宽的激光晶体，其锁模飞秒激光器产生的皮秒或飞秒激光脉冲的中心波长将有可能在一定的光谱范围内（700～1050nm间）进行调谐。其他常用的频率转化技术如利用非线性光学晶体进行光倍频，或光学参量振荡技术也可用于超短脉冲激光。只是由于超短脉冲的宽光谱特性，对非线性相位匹配的带宽提出了更高的要求。
