光学经典导读 Ultrafast Lasers 被动锁模

超快科学

Ultrafast Lasers是由瑞士苏黎世联邦理工学院的Ursula Keller教授于2021年出版的最新著作。Keller教授的研究方向为超快激光物理，这本书是她近30年研究与教学的总结。该书共有12章，全面介绍了超快激光基本原理以及各种激光技术和实际应用。上期介绍了第八章：Q-switching，采用调Q技术通常可以产生微秒到次纳秒量级宽度的脉冲。本章主要介绍另外一种获得超短脉冲的方法—被动锁模，主要包括被动锁模原理和目前比较前沿的超快激光器两部分内容。

锁模分为主动锁模和被动锁模。第六章已经介绍过主动锁模，该技术的关键在于利用声光或者电光效应，在激光腔内引入周期性调制的损耗，调制周期为脉冲在腔内运转一周的时间。如图所示，在增益大于损耗的地方，就会形成脉冲，脉冲宽度接近净增益窗口的宽度，一般在几皮秒到几十皮秒量级。

对于被动锁模，引入损耗不需要外界的调制，而是由腔内运转的脉冲自身来触发，并且损耗的大小依赖于脉冲的光强：光强越大，损耗则相应降低；换句话说，脉冲中心处所经历的损耗比脉冲前后沿要小。具有这种性质的器件称为可饱和吸收体，第七章做过详细介绍。

被动锁模可以归结为三种被动锁模机制：

（1）慢饱和吸收体和动态增益饱和下的被动锁模。在这种机制下，初始损耗大于增益，脉冲经历的损耗要比增益先达到饱和，并且损耗比增益更快地恢复至初始状态。由于慢可饱和吸收体达到饱和时，增益也达到了饱和，因此净增益时间窗口很窄，可以形成超短脉冲。

（2）快饱和吸收体锁模。这是我们比较熟悉的锁模机制，在这种机制下，增益恒定，当脉冲经过时，可饱和吸收体迅速达到饱和，迅速恢复，净增益时间窗口很窄，从而形成超短脉冲。

（3）慢饱和吸收体和恒定增益锁模。在过去很长一段时间内，大家以为只有前两种机制才能产生超短脉冲。因为相比于前两种来说，第三种锁模机制净增益时间窗口较宽，所以这种锁模方式产生的脉冲宽度较宽。但利用孤子锁模机制，便可以产生脉宽短于净增益窗口的脉冲。这种情况下，可饱和吸收体主要发挥启动和稳定锁模的作用。进一步研究表明，即使不存在孤子锁模机制时也能实现稳定锁模，原因在于脉冲前沿损耗较大，并且脉冲在腔内每经过一圈，脉冲的中心都会向后沿偏移，随着后沿损耗增加，脉冲避免变宽。达到平衡的时候便达到锁模状态，实现超短脉冲输出。

自启动是衡量锁模激光器一个很重要的指标，下面对比上述几种锁模机制的自启动难易程度。快饱和吸收体增益窗口比较窄，虽然适合产生超短脉冲，但是由于其自振幅调制取决于脉冲的峰值功率，峰值功率又正比于脉冲宽度；当腔内无法产生窄脉宽的噪声脉冲时，自启动比较困难，比如克尔透镜锁模。相比之下，慢饱和吸收体由于自振幅调制只取决于脉冲能量，所以自启动则比较容易。主动锁模由于损耗是外来的正弦损耗信号，对于长脉冲来说损耗比较大，自启动也比较容易。

接下来从三个方面介绍一些前沿的超快激光器，主要包括：脉冲宽度、高平均功率和高重复频率三个方面。

首先是少周期脉冲产生。由于钛宝石由于具有超过400nm的增益带宽、相对较大的增益截面和高光学质量等优势，使得被动锁模钛宝石激光可以直接输出少周期脉冲。例如，利用棱镜对和啁啾镜补偿腔内的色散，钛宝石激光器可以输出宽度在5飞秒左右的超短脉冲。

在2000年以前，激光器和放大器几乎是平行发展的，虽然二者提供的平均功率相当，但是振荡器输出高重频、低能量脉冲，而放大器产生低重频、高能量脉冲。随着掺镱光纤放大器、掺镱薄片激光器的发展，脉冲的平均功率得到很大提升。上图是截止2020年的世界纪录，可以看到薄片放大器得到了200mJ的脉冲能量，利用光纤相干合成得到了最高平均功率为3.5KW的脉冲输出。