短脈沖鎖模技術的原理與應用

    在激光技術領域，短脈沖鎖模技術是一項極具創新性和重要性的技術，它為眾多科學研究和實際應用提供了強大的支持。

    一、縱模：激光頻率特性的關鍵

    激光器的縱模（AxialModes）是激光諧振腔中沿腔體軸線方向形成的不同頻率的振蕩模式。每個縱模對應著特定的頻率，這些頻率是諧振腔允許的駐波模式。從本質上來說，光是一種波，在激光器的共振腔兩端的平面鏡之間反射時，會產生相生和相消干涉，進而形成駐波，這些駐波對應的離散頻率便是縱模。共振腔的長度需滿足，

其中q為整數，代表模式的階數。

    相鄰縱模之間的頻率間隔固定，可通過公式

其中c是光速，L是諧振腔的有效長度。在實際情況中，每一個單獨的縱模也有自身帶寬，其頻率處在一個很窄的區間上，由共振腔的品質因數決定，通常遠遠小于模式間的頻率間隔。當激光器處于多模工作狀態時，有多于一個縱模被激發；而處于單模工作狀態時，只有一個縱模被激發。

    一般而言，各縱模自由運轉激光器的輸出光強為各縱模光強之和，是各縱模光電場無規則、非相干疊加的結果。對于無規則變化的光場，討論其瞬時強度\(I(t)\)意義不大，一般討論其平均強度。

    鎖模技術：實現短脈沖激光輸出

    鎖模（ModeLocking），又稱鎖相，是通過控制激光器的增益和損耗，實現不同縱模之間的相位差恒定，縱模互相耦合，光電場相干疊加，從而產生脈沖寬度非常短的激光輸出。激光鎖模技術主要分為主動鎖模和被動鎖模兩種。

    二、主動鎖模

    主動鎖模可通過聲光、電光、Mach–Zehnder、或半導體電吸收等內置調制器來周期性地調節腔內損耗或往返相位實現。主動調制的周期與光在腔內運行周期相同，使得光在損耗較低處輸出功率大，損耗較高處輸出功率小甚至為零，如此周期循環，光脈沖峰值強度不斷加強，而兩翼強度不斷衰減，從而使脈寬不斷壓縮，最終得到窄脈沖。此外，主動鎖模中調制頻率也可以是腔基頻的\(N\)倍，可實現\(N\)次諧波鎖模，產生高重復頻率鎖模脈沖（可至GHz）。除了上述方式，還有頻率調制鎖模，利用基于光電效應設計的調制器，放置在激光腔內并用電信號驅動，使光線穿過時產生正弦變化的頻移，與往返激光腔的時間匹配時，只有頻移為0的部分光被保留，形成窄光脈沖；同步鎖模（同步泵浦）則是激光的能量源自身被調制，一般泵浦源是另一束鎖模激光，需要準確匹配泵浦光和被驅動的激光腔長度來產生脈沖。

    三、被動鎖模

    當將飽和吸收體等放置在激光腔中時，低強度的激光會被衰減，然而由于未鎖模的激光強度具有隨機變化，隨機產生的光強會足夠大從而能夠透射出飽和吸收體。由于光在激光腔中振蕩，這個過程不停地重復，使得高強度的激光被放大，而低強度的光被吸收。振蕩很多次以后，就會產生一系列的光脈沖，而激光也被鎖模。其中，快可飽和吸收體適用于超短脈沖的產生，但當腔內無法產生窄脈寬的噪聲脈沖時，自啟動比較困難。相比之下，慢飽和吸收體的自振幅調制只取決于脈沖能量，自啟動則更容易。另外，克爾透鏡鎖模（自鎖模）利用非線性光學中的克爾效應，使高強度光與低強度光有不同聚焦特點，在共振腔內放置光圈，可使這種技術具有比飽和吸收體更短的反應時間，能選擇性地放大腔內高強度光、衰減低強度光，從而實現鎖模。

    四 、短脈沖鎖模技術的意義與應用

    短脈沖鎖模技術具有重大意義，它可以產生皮秒甚至飛秒量級的超短脈沖，具有高峰值功率，能在極短時間內釋放能量，且脈沖重復頻率穩定、光譜寬度寬，為科學研究和技術應用提供了獨特的光源。

    在超快科學研究領域，它用于研究分子鍵動力學等快速自然現象，為探索微觀世界的超快過程提供了有力手段。在生物醫學方面，如在角膜手術中，利用飛秒激光的高精度可以減少對周圍組織的損傷；還可用于雙光子顯微鏡，提高成像分辨率。在材料加工領域，飛秒激光加工可實現對各種材料進行高精度加工，如制作噴墨打印機的硅噴嘴、進行激光冷燒蝕使固體直接氣化而不提高溫度等。在通信領域，高重復率的短脈沖可應用于大容量通信系統，提高信息傳輸效率。此外，基于鎖模激光的寬光譜特性形成的寬帶頻率梳，可用于高精度光頻計量和全光學原子鐘等。

    短脈沖鎖模技術憑借其獨特的原理和廣泛的應用，在現代科技發展中發揮著不可或缺的作用，未來也將在更多領域展現其強大的潛力。