自锁模

激光器的自锁模现象最早是在(He一Ne)激光器中观察到的田,后来又在红宝石、氢离子、妆玻璃、coz及铜蒸汽等激光器中观察到.但是,由于它的输出不稳定,被认为是一种仅有理论研究意义,而无实用价值,在实验上应尽量避免的现象圆.早期的自锁模分析是以兰姆理论为依据的.兰姆理论指出:当激光器各个模式锁定(如它们之间的相对相位为零)时,它就可以输出短脉冲,但是对如何使相位锁定,则没有作进一步回答.Fahlen图在纵向放电铜蒸汽激光器的研究中提出:引起自锁模的主要原因是激活区域的不均匀性,一具激活区域变均匀,自锁模将消失.但是后来Kiegon和Kim在横向放电的铜蒸汽激光器实验中同样看到了自锁模现象,从而否定了Fahlen的假说.自从观察到钦宝石激光器的自锁模现象以来,激光自锁模又重新变得引人注目囚.利用腔内棱镜对补偿群速度色散后,钦宝石激光器可以输出自锁模飞秒脉冲,并且所得的脉冲几乎一天比一天短,目前最短可以达到13fs，它是直接从激光器获得的最短脉冲.在其他固体激光器中也看到了自锁模现象.此外,气体激光器的自锁模也有所突破,在He一Ne激光器中,通过反馈(调节腔长)可以获得稳定的自锁模脉冲输出，在CuBr激光器中图,只需在腔内加一个小孔(滤掉高阶横模)就可以获得高稳定性的自锁模脉冲输出.这证明了自锁模不是没有实用价值,而是很有应用前途的一种技术.在理论上,虽然也取得了一些成就,但和实验相比则较慢,可以说真正的自锁模机理还没有搞清.目前大家比较接受的就是自克尔镜模型.它是利用增益介质的自聚焦效应形成的透镜(克尔镜)和一个小孔(硬孔或软孔)构成与强度相关的透射来产生短脉冲的。自克尔镜模勉强解释了固体激光自锁模,但对气体激光自锁模则一筹莫展,因为大多气体不属于自聚焦介质.我们建立了一套新的激光自锁模模型,它依赖于激光介质凹的增益(小信号增益)线型,因为这样的增益线型有可能使激光脉冲在放大的同时被压窄,故它有可能自锁.对于宽带激光器(如钦宝石激光器),它具有较宽的增益线型,凹陷的增益线型有可能是由激光光谱区域内自身非饱和吸收所致.对于窄带激先器(如cuBr激光器),凹的增益线型有可能是由激光能级的简并度分裂(斯塔克效应和塞曼效应)所致.有时兰姆凹陷或谱烧孔也会形成凹的增益线型,但它产生的自锁一般不稳定。

从1964年第一次通过锁模实验获得短脉冲激光到现在,已有三十年时间,在此期间,超短脉冲激光的获得已取得了长足的进步,已从60年代的纳秒级激光发展到今天的飞秒级激光。并且超短激光已广泛应用在激光核聚变,X光实验,激光生物学,分子动力学,光信息材料处理等方面。三十多年前实现的是主动锁模,它为激光短脉冲的产生提供了一种非常可靠的手段,但激光脉冲宽度受主动锁模元件迟豫时间的限制,很难产生超短激光脉冲。而在激光器中利用被动可饱和吸收器件,实现被动锁模,首先获得了皮秒激光脉冲。1985年Valdmanis等人在染料激光器中获得了27fs的短脉冲,从某种意义上来说,被动锁模在所有激光器中的作用都是基本相同,在激光器内部,激光脉冲自己调制自己,能够得到更短的激光脉冲。被动可饱和吸收锁模分为慢可饱和吸收锁模和快可饱和吸收锁模,80年代,慢饱和吸收被动锁模广泛应用于染料激光锁模,可以产生飞秒级的激光,但激光的波长调谐范围小。80年代末,钛宝石激光晶体的出现,为更广调谐范围超短脉冲激光的产生提供了条件。钛宝石激光晶体具有宽的增益线宽,通过锁模产生更短的激光脉冲。90年代初,人们把染料激光器被动锁模应用到钛宝石激光中,利用染料喷射产生超薄可饱和吸收锁模[6],可以产生2ps左右的脉冲激光。之后多种超短技术应用到钛宝石激光,如同步泵浦,声光锁模,注入锁定等,可以产生100fs左右的脉冲激光。但由于激光腔的群速度色散,限制了更短激光脉冲的产生。1991年,D.E.Spence等人,利用氩离子激光泵浦钛宝石折叠腔,在腔内不加任何锁模元件,当泵浦激光能量在一定范围内微扰输出耦合镜,得到了2ps的激光输出。锁模激光脉宽主要受谐振腔总的群速度色散的限制,而在腔内加入SF14玻璃棱镜对对谐振腔进行群速度色散补偿,可以得到60fs的激光脉冲。由于这类激光器的构造简单,造价低,又不需任何锁模元件就可产生飞秒脉冲,所以钛宝石自锁模激光就迅速发展起来,利用由SchottLaKL21材料制成的棱镜对补偿群速度色散,可以得到17fs的激光脉冲。1996年德国马普量子研究所利用两对电介质镜控制色散(包括群速度色散,群延迟色散,三阶群速度色散),产生了10fs的脉冲,同年维也纳技术大学量子电子学和激光技术部利用啁啾电介质反射镜进行色散控制,可以产生7.5fs的激光脉冲。1997年新西兰超快激光物理和量子电子学研究所和德国应用物理研究所综合利用棱镜对,啁啾反射镜技术和宽带半导体可饱和吸收体技术获得了6.5fs的激光,这是现今由钛宝石直接产生的不经压缩的最短脉冲激光。与此同时,自锁模激光的理论也有一定的发展,最有影响的主要有A.H.Hermann等人提出的克尔镜锁模理论和T.Brabec等人提出的光孤子激光器理论。1985年,啁啾脉冲放大技术的应用,为超强短脉冲激光的产生提供了可能,当时采用的是光纤展宽和光栅压缩技术,获得了毫焦耳级的2ps的激光脉冲。经过十几年的发展,已能产生太瓦级激光,1998年日本原子能研究所利用光栅对展宽、钛宝石多级放大、光栅压缩,可以产生100TW,20fs的钛宝石激光。而我国的上海光机所强光光学实验室早在1996年就研制成了2TW,45fs的钛宝石激光系统。自锁模技术和啁啾脉冲放大技术的应用,拓宽了超短激光的应用。

固体增益介质的基质一般都具有非线性和群速度色散.非线性引起的相移(取决于脉冲的强度)是中心大于两翼,通常为正的;群速度色散引起的相移(取决于脉冲包络的曲率)也是中心大于两翼,正负依赖于色散系数的正负.正色散系数引起的相移和非线性引起的相移同向,负的则反向.如果负的群速度色散引起的相移刚好能抵消非线性引起的相移,则可以锁模,但它对脉冲形状有特定的要求,一般为类孤子型.这样的脉冲幅度越大,宽度越小,也就是说，有激光介质在对脉冲放大的同时将它压,才有可能锁模。

为了简单,我们将激光介质对脉冲的放大分为增益饱和放大和小信号增益放大.对于增益饱和放大,强度越大放大倍数就越小,则使脉冲展宽;对于小信号增益放大,它的增益线型通常表示为洛伦兹线型(均匀加宽介质)或高斯线型(非均匀加宽介质).无论那一种线型都是向上凸起的,它对脉冲谱中心的放大倍数大于对两翼的放大倍数,即谱压窄,则脉冲被展宽.总之,在一般情况下,增益介质对脉冲放大过程是一个对脉冲的放大和展宽的合过程.由前面分析可知,这样的过程是不能维持模式锁定的。也就是说,在通常的情况下,激光器是不能实现自锁模的.

为了得到短脉冲,人们通过在激光器内加入不同的调制元件来保持脉冲的模式锁定,通常可分为主动锁模和被动锁模.主动锁模指的是在激光腔内加入可以人为控制的元件,如声光}周制器或电光调制器,来调节脉冲的扳耗达到压窄脉冲的.从频谱的角度来看,就是让那些和中心模不同相的模衰减掉,而让相位相同的模留下来.主动锁模的优点是可以人为控制,输出脉冲形状也较好;缺点是受电子器件响应速度的限制,难以获得皮秒以下的短脉冲.最典型的被动锁模是饱和吸收体(通常为染料)锁模,它的作用正好与增益介质相反,饱和吸收和小信号吸收都是使脉冲压窄的.如果我们把吸收看作负的增益,净的小信号增益仍是展宽脉冲的(由于吸收的线宽大于增益线宽),净的饱和增益是压窄脉冲的(因为吸收的饱和光强小于增益的饱和光强).当脉冲在激光腔内运行一周后,两者达到平衡,则模式锁定.染料锁模的优点是响应速度快,可以获得皮秒或更短脉冲;缺点是稳定性差、易变质,一般仅可用几天.所以寻找好的染料和全固体化的锁模技术一直是人们追求的目标之一近年来,后者有所突破,出现了附加脉冲模锁定(也叫藕合腔模锁定)〔川和非线性镜模锁定〔,习.附加脉冲锁模是利用附加腔内的非线性介质对脉冲相位调制后,再与激光主脉冲在祸合镜上相干叠加,从而使脉冲压窄的.这种技术的好处是脉冲压缩速度快,可以获得飞秒脉冲;缺点是用作非线性介质的光纤芯径小(一般只有几个μm)、难藕合及难稳定(腔长失配要小于波长).非线性镜锁模是利用倍频晶体的倍频效率正比于光强的关系,先将脉冲的部分能量变成二次谐波储存起来(脉冲的中心储存的多,而两翼储存少),再经双色镜反射(基波部分反射,谐波全反射)后,最后基波在倍频晶体中被参量放大.在整个过程中,非线性镜输出了一个宽脉冲,反馈了一个窄脉冲,故可以用它锁模.该锁模技术的优点是易实现、全固态;缺点是受晶体的倍频谱域和响应速度的限制,难以获得更短的脉冲。

对于自锁模激光器,它不像主动锁模或被动锁模激光器脉冲压缩元件,脉冲的压缩只能靠增益介质本身.自锁模的克尔模型就是利用增益介质的自聚焦效应压缩脉冲的.这一模型可以解释固体激光器(如钦宝石激光器)的自锁模现象.自锁模钦宝石激光器的基本结构中,激光介质同时又是克尔介质.当激光脉冲通过该介质后会出现自聚焦,并且强度逾大、焦点逾近.如果在最短的焦点处放一小孔,则脉冲的中央全通过,而两翼仅部分通过,故脉冲压窄.在后来的实验中发现,没有小孔同样可以自锁,为了沿用原来的模型,有人提出了软孔.软孔指的是当激光的模体积大于泵浦光的模体积时,脉冲的中央由于强的自聚焦几乎全部进人泵浦光的模体积内被放大,而两翼弱的自聚焦只有部分进人泵浦光的模体积内被放大,故脉冲中央的放大倍数大于两翼的放大倍数(脉冲被压窄),它可能自锁。

一个新的自锁模模型,增益凹陷模型.它是依靠凹的小信号增益线型来压缩脉冲的.如果脉冲的中心频率正好位于凹陷内,小信号增益将脉冲放大、压窄(由于谱展宽),以致平衡增益饱和对脉冲的展宽,实现自锁。

宽带激光器

对于宽带激光器,它具有较宽的增益线型,即小信号增益顶部较平坦.如果在激光的光谱区域正好有一个窄带吸收,则有可能形成这样的增益线型。对于钦宝石激光器,在激光光谱区域内正好有个吸收峰。

窄带激光器

对于窄带激光器,它的增益谱线较窄,不可能有更窄的自吸收谱来使增益线型形成凹陷,但是泵浦场和激光场引起的增益谱线分裂(斯塔克效应和塞曼效应等)将会形成凹的小信号增益.如用比激光上能级寿命短的脉冲同步泵浦激光介质,由于相干相互作用(主要指动态斯塔克效应)将会形成凹的小信号增益.此外,强的激光场也能形成凹的小信号增益,CuBr激光器的自锁模可能就是这种情况.但是测量的锁模脉冲谱一般没有凹陷,这是因为它对应的增益线型包括了增益饱和(非小信号增益),而增益饱和又会使凹陷消失。

除了cuBr激光器之外,在没有外部作用的情况下,几乎所有的自锁模激光器都不稳定.我们认为不稳定的主要原因是不能形成稳定的凹的小信号增益.对于钦宝石激光器,开始的增益系数远大于吸收系数,气难以形成凹的小信号增益.只有当脉冲信号足够强(出现饱和)时,才能形成凹的小信号增益,所以它不能自起动.对于He一Ne激光器,由于它的功率密度低难以形成凹的小信号增益而自锁;对于铜蒸汽激光器,虽然它的功率密度较高,但它的增益线宽也较宽(由于它的工作温度较高),同样难于形成凹的小信号增益而自锁;对于cuBr激光器,它具有较高的功率密度、较窄的增益线宽(由于它的工作温度较低),故它容易形成凹的小信号增益而自锁.除了上述两种情况外,凹的小信号增益还可能由兰姆凹陷或谱烧孔形成,但它形成的自锁模一般不稳定.为了得到稳定的自锁模激光脉冲,可以通过一些其他手段来获得凹的小信号增益.对于钦宝石激光器,可以利用中心波长高透的输出藕合镜来实现.对于窄带激光器,可以通过外加电磁场来形成凹的小信号增益.自锁模脉冲的宽度取决于增益凹陷的宽度,故还有可能实现可调谐自锁模.