飛秒激光器鎖模技術原理
發(fā)布時間：2021-02-20 11:22
產生激光超短脈沖的技術常稱為鎖模技術（mode locking）。這是因為一臺自由運轉的飛秒激光器中往往會有很多個不同模式或頻率的激光脈沖同時存在，而只有在這些激光模式相互間的相位鎖定時，才能產生激光超短脈沖或稱鎖模脈沖。實現(xiàn)鎖模的方法有很多種，飛秒激光器鎖模技術原理，但一般可以分成兩大類：即主動鎖模和被動鎖模。主動鎖模指的是通過由外部向激光器提供調制信號的途徑來周期性地改變激光器的增益或損耗從而達到鎖模目的；而被動鎖模則是利用材料的非線性吸收或非線性相變的特性來產生激光超短脈沖。
飛秒鈦寶石激光振蕩器，或簡稱“飛秒激光器”，是利用鈦寶石的增益特性產生飛秒量級超短脈沖激光的裝置。一臺典型的飛秒激光器的主要結構包括泵浦源、增益介質和光諧振腔三個組成部分；由泵浦源所發(fā)射的泵浦激光入射到鈦寶石晶體上，產生反轉粒子；平面鏡M1和半透鏡OC構成諧振腔，腔內兩個曲率半徑相同的凹面鏡M2、M3起到聚焦的作用；飛秒激光器功率密度怎么計算？此外，在激光腔內還要有專門的色散補償裝置－切成布儒斯特角的棱鏡對P1、P2。以下將對鈦寶石晶體的增益特性、自鎖模原理和色散補償技術這三個鈦寶石振蕩器的關鍵部分逐一進行詳細分析和論述。
目前，最為廣泛使用的一種產生飛秒激光脈沖的克爾透鏡鎖模（Kerr Lens mode locking）技術是一種獨特的被動鎖模方法。科爾透鏡鎖模實際上是利用了材料的折射率隨光強變化的特性使得激光器運轉中的尖峰脈沖得到的增益高出連續(xù)的背景激光增益，從而最終實現(xiàn)短脈沖輸出。
一般來說，基模運轉的多縱模激光器可以有兩種截然不同的運轉方式：一種是所謂的自由振蕩方式，另一種是鎖模方式。在自由振蕩方式下，由于各縱模起振的時間不同，它們的初始相位呈隨機性分布，同時各相鄰縱模間的頻率間隔也不是常數(shù)，從而導致了不同頻率的各縱模光場之間沒有固定的相位關系。其結果是許多沒有確定相位關系的簡諧光場的任意疊加。而在鎖模運轉方式中，其情形恰恰相反。
一臺飛秒激光器實現(xiàn)鎖模運轉后，在通常情況下飛秒激光器鎖模技術原理，只有一個激光脈沖在腔內來回傳輸，該脈沖每到達激光器的輸出鏡時，就有一部分光通過輸出鏡耦和到腔外。因此，鎖模激光器的輸出是一個等間隔的激光脈沖序列。相鄰脈沖間的時間間隔等于光脈沖在激光腔內的往返時間，即所謂腔周期。一臺鎖模激光器所產生的激光脈沖的寬度是否短到飛秒量級主要取決于腔內色散特性、非線性特性及兩者間的相互平衡關系。而最終的極限脈寬則受限于增益介質的光譜范圍。
衡量一臺飛秒激光器的重要技術指標為：脈沖寬度、平均功率和脈沖重復頻率。此外，還有譜寬與脈寬積，脈沖的中心波長，輸出光斑大小，偏振方向等。脈沖重復頻率實際上告訴我們了激光脈沖序列中兩相鄰脈沖間的間隔。由平均功率和脈沖重復頻率可求出單脈沖能量，由單脈沖能量和脈沖寬度可求出脈沖的峰值功率。
對于具有寬光譜增益材料的鈦藍寶石飛秒激光器，實際輸出激光脈沖的中心波長除了受到增益材料自身熒光波段的影響外，還與激光腔內其他元件的光譜特性（比如光學鏡片的鍍膜情況）有關。對于像Ti∶Sapphire這樣的熒光帶寬非常之寬的激光晶體，其鎖模飛秒激光器產生的皮秒或飛秒激光脈沖的中心波長將有可能在一定的光譜范圍內（700～1050nm間）進行調諧。其他常用的頻率轉化技術如利用非線性光學晶體進行光倍頻，或光學參量振蕩技術也可用于超短脈沖激光。只是由于超短脈沖的寬光譜特性，對非線性相位匹配的帶寬提出了更高的要求。
