脈沖激光的實現方法

導敘

以連續波模式工作的激光器的輸出功率不隨時間變化。這是由于激光器達到了一種激光腔增益（取決于與泵浦速率成正比的粒子數反轉）和損耗（包含腔損耗和受激輻射速率）保持平衡的穩態條件。由于能夠顯著提高峰值輸出功率，所以通常希望激光器可以工作在脈沖模式。可以將連續激光輸出發送至外部調制器來實現脈沖激光運轉，調制器充當一個只在短時間內允許透過的開關（見圖 1，左）。這種簡單的方法有許缺點。由于大多數光被調制器阻擋，該方法的效率很低。

此外，峰值功率永遠不會超過連續光源的平均功率。脈寬還受到調制器速度限制。更為有效的方法是采用內部的腔內調制過程（見圖 1，右）。通過在腔內調制增益或者損耗，激光發射過程能夠被有效地開啟和關閉。能量既可以儲存在激光介質中，作為能夠快速釋放從而實現激光發射的大粒子數反轉，也可以保持在諧振腔內直到被允許逸出。這些方法可使脈沖激光輸出的峰值功率明顯超過連續激光器所能提供的。接下來討論使用內部調制實現激光脈沖的最常見的方法。

圖 1 使用外部調制器（左）和內部調制器（右）實現脈沖激光輸出的對比 [1]。

增益開關

對于穩態激光，增益保持在一個閾值上，因為受激輻射耗盡粒子數反轉的速率與通過泵浦產生粒子數反轉的速率相當。然而，如果增益介質的泵浦速率遠快于穩態值，就會產生被稱作增益開關的瞬態效應 。這種情況下，激光腔內粒子數反轉（以及增益系數）建立的速率要比受激輻射速率快得多。腔內的光子經歷巨大增益，導致激光強度的快速增加。這反過來引起了快速耗盡粒子數反轉的顯著的受激輻射。結果就是產生短脈沖光（見圖 2）。增益開關是一種通過打開和關閉泵浦源來控制增益的調制方法。這可以通過閃光燈泵浦來完成，能夠產生微秒到毫秒范圍的脈沖。由于調制泵浦用電流非常簡單，增益開關最常應用在半導體激光器中。這可以產生從納秒到幾十皮秒的脈沖，重復頻率高達數吉赫茲。這種方法常用來產生用于光通信的激光源 ，光通信中希望有高重復頻率來提升單位時間內通過的信息量。

圖 2 用于產生脈沖激光的各種調制方法的示意圖，其中損耗（紅色）、增益（綠色）和激光輸出（藍色）為時間的函數。

Q開關

Q 開關也涉及到在激光增益介質中存儲能量，但不是通過調制泵浦源來存儲。在確保腔體損耗很大的前提下，允許激光泵浦過程產生遠遠超過典型閾值的粒子數反轉，這可以阻止激光振蕩 。通過在激光腔內添加損耗來實現光學反饋抑制。實現大的反轉之后，腔內反饋重新開啟。然后激光經歷大大超過損耗的增益，存儲的能量以超短高強的光脈沖釋放（見圖 2）。品質因數（Q）是腔內存儲能量與每一次能量損耗的比值。由于這種調制方法將腔的Q 值從一個低值切換到一個高值，因此將其定義為 Q 開關。調 Q 器件必須能夠快速調節腔的Q 值以產生短脈沖，通常可以分成主動和被動兩類。主動器件需要外部操作來引入調制，包括聲光開關、電光快門和轉鏡。被動器件基于元件的非線性光學響應實現自動切換，比如有機染料或者半導體中的可飽和吸收。調 Q 能夠產生大能量的納秒激光脈沖，脈沖能量可達到毫焦量級甚至更高。它們工作的重復頻率在數赫茲到千赫茲量級之間 。

腔倒空

與上述通過粒子數反轉在激光介質中存儲能量的技術相比，腔倒空將能量存儲在諧振腔內的光子中。保持腔鏡的透過率小到可以忽略，則諧振腔內的損耗在一段時間內保持在很低的水平，可有效束縛腔內的光子，發射一個強脈沖。在一個來回之后通過切換內腔元件將這個脈沖引出，從腔中“傾倒”出去（見圖 2）。光學開關通常為聲光調制器或者電光快門。腔倒空之于調 Q 的一個優勢在于后者在脈沖重復頻率增加時需要同時增加脈寬，而腔倒空可以允許非常高的重復頻率，比如數兆赫茲，同時保持幾納秒的脈寬。為了得到高于其他技術的脈沖能量，可以將腔倒空與其他脈沖產生技術相結合。

鎖模

上述脈沖產生技術輸出的脈沖局限在幾納秒量級。為了獲得脈寬低至數飛秒的超短脈沖，利用一種被稱作鎖模的技術，其中腔內損耗在激光脈沖的往返時間內進行周期性調制。與其他基于激光腔內瞬態效應的方法不同，鎖模是一個動態穩態過程。許多縱模參與激光發射過程，但是在到達腔鏡時彼此相位不一定相同，使得輸出功率隨機波動。但是，如果這些激光模式能夠被耦合到一起使其在腔鏡處同相，就會發生相長干涉和相消干涉，從而產生超短脈沖（見圖 3）。這些模式的耦合是使用一個非常快速的內腔快門來實現的，快門在激光脈沖的往返間隔內工作，有效地協調這些模式的到達時間，從而鎖定它們的相位。像調 Q 一樣，鎖模器件可以是主動的或被動的。主動器件需要外部調制，包括各種強度和相位調制器。被動器件依賴于適當材料的非線性光學效應，包括慢速、快速可飽和吸收以及與強度相關的折射率變化。

圖 3 激光頻率的相位鎖定產生超短脈沖

增益帶寬內的所有縱模可以同時發射激光，從而產生 NΔν 的激光帶寬。如果這些模式一起鎖定為同相，會彼此干涉，產生一系列時間上分離的強脈沖，其行為類似周期函數的傅里葉分量 。如圖 4 所示，脈沖的時間間隔僅為頻率間隔的倒數（也就是 1/Δν），根據典型腔長，這個值約為 1—10 ns。此外，根據時間 -帶寬傅里葉關系，脈寬 (τ) 與激光帶寬的倒數成正比。由于激光帶寬主要決定于介質的增益帶寬，最窄的脈沖由增益帶寬最大的激光器產生。鎖模固體激光器的脈寬范圍通常為 30 fs 到 30 ps，工作在高重復頻率下，如兆赫茲到吉赫茲，產生中等脈沖能量，如皮焦耳到數十納焦耳。結合腔倒空或者再生放大，以重復頻率為代價（通常是千赫茲），可能實現更大的脈沖能量（如達到幾毫焦耳）。

圖 4 鎖模激光器的頻域（上）和時域（下）圖，插圖所示為時間與帶寬的關系

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