脉冲激光的实现方法

导叙

以连续波模式工作的激光器的输出功率不随时间变化。这是由于激光器达到了一种激光腔增益（取决于与泵浦速率成正比的粒子数反转）和损耗（包含腔损耗和受激辐射速率）保持平衡的稳态条件。由于能够显著提高峰值输出功率，所以通常希望激光器可以工作在脉冲模式。可以将连续激光输出发送至外部调制器来实现脉冲激光运转，调制器充当一个只在短时间内允许透过的开关（见图 1，左）。这种简单的方法有许缺点。由于大多数光被调制器阻挡，该方法的效率很低。

此外，峰值功率永远不会超过连续光源的平均功率。脉宽还受到调制器速度限制。更为有效的方法是采用内部的腔内调制过程（见图 1，右）。通过在腔内调制增益或者损耗，激光发射过程能够被有效地开启和关闭。能量既可以储存在激光介质中，作为能够快速释放从而实现激光发射的大粒子数反转，也可以保持在谐振腔内直到被允许逸出。这些方法可使脉冲激光输出的峰值功率明显超过连续激光器所能提供的。接下来讨论使用内部调制实现激光脉冲的最常见的方法。

图 1 使用外部调制器（左）和内部调制器（右）实现脉冲激光输出的对比 [1]。

增益开关

对于稳态激光，增益保持在一个阈值上，因为受激辐射耗尽粒子数反转的速率与通过泵浦产生粒子数反转的速率相当。然而，如果增益介质的泵浦速率远快于稳态值，就会产生被称作增益开关的瞬态效应 。这种情况下，激光腔内粒子数反转（以及增益系数）建立的速率要比受激辐射速率快得多。腔内的光子经历巨大增益，导致激光强度的快速增加。这反过来引起了快速耗尽粒子数反转的显著的受激辐射。结果就是产生短脉冲光（见图 2）。增益开关是一种通过打开和关闭泵浦源来控制增益的调制方法。这可以通过闪光灯泵浦来完成，能够产生微秒到毫秒范围的脉冲。由于调制泵浦用电流非常简单，增益开关最常应用在半导体激光器中。这可以产生从纳秒到几十皮秒的脉冲，重复频率高达数吉赫兹。这种方法常用来产生用于光通信的激光源 ，光通信中希望有高重复频率来提升单位时间内通过的信息量。

图 2 用于产生脉冲激光的各种调制方法的示意图，其中损耗（红色）、增益（绿色）和激光输出（蓝色）为时间的函数。

Q开关

Q 开关也涉及到在激光增益介质中存储能量，但不是通过调制泵浦源来存储。在确保腔体损耗很大的前提下，允许激光泵浦过程产生远远超过典型阈值的粒子数反转，这可以阻止激光振荡 。通过在激光腔内添加损耗来实现光学反馈抑制。实现大的反转之后，腔内反馈重新开启。然后激光经历大大超过损耗的增益，存储的能量以超短高强的光脉冲释放（见图 2）。品质因数（Q）是腔内存储能量与每一次能量损耗的比值。由于这种调制方法将腔的Q 值从一个低值切换到一个高值，因此将其定义为 Q 开关。调 Q 器件必须能够快速调节腔的Q 值以产生短脉冲，通常可以分成主动和被动两类。主动器件需要外部操作来引入调制，包括声光开关、电光快门和转镜。被动器件基于元件的非线性光学响应实现自动切换，比如有机染料或者半导体中的可饱和吸收。调 Q 能够产生大能量的纳秒激光脉冲，脉冲能量可达到毫焦量级甚至更高。它们工作的重复频率在数赫兹到千赫兹量级之间 。

腔倒空

与上述通过粒子数反转在激光介质中存储能量的技术相比，腔倒空将能量存储在谐振腔内的光子中。保持腔镜的透过率小到可以忽略，则谐振腔内的损耗在一段时间内保持在很低的水平，可有效束缚腔内的光子，发射一个强脉冲。在一个来回之后通过切换内腔元件将这个脉冲引出，从腔中“倾倒”出去（见图 2）。光学开关通常为声光调制器或者电光快门。腔倒空之于调 Q 的一个优势在于后者在脉冲重复频率增加时需要同时增加脉宽，而腔倒空可以允许非常高的重复频率，比如数兆赫兹，同时保持几纳秒的脉宽。为了得到高于其他技术的脉冲能量，可以将腔倒空与其他脉冲产生技术相结合。

锁模

上述脉冲产生技术输出的脉冲局限在几纳秒量级。为了获得脉宽低至数飞秒的超短脉冲，利用一种被称作锁模的技术，其中腔内损耗在激光脉冲的往返时间内进行周期性调制。与其他基于激光腔内瞬态效应的方法不同，锁模是一个动态稳态过程。许多纵模参与激光发射过程，但是在到达腔镜时彼此相位不一定相同，使得输出功率随机波动。但是，如果这些激光模式能够被耦合到一起使其在腔镜处同相，就会发生相长干涉和相消干涉，从而产生超短脉冲（见图 3）。这些模式的耦合是使用一个非常快速的内腔快门来实现的，快门在激光脉冲的往返间隔内工作，有效地协调这些模式的到达时间，从而锁定它们的相位。像调 Q 一样，锁模器件可以是主动的或被动的。主动器件需要外部调制，包括各种强度和相位调制器。被动器件依赖于适当材料的非线性光学效应，包括慢速、快速可饱和吸收以及与强度相关的折射率变化。

图 3 激光频率的相位锁定产生超短脉冲

增益带宽内的所有纵模可以同时发射激光，从而产生 NΔν 的激光带宽。如果这些模式一起锁定为同相，会彼此干涉，产生一系列时间上分离的强脉冲，其行为类似周期函数的傅里叶分量 。如图 4 所示，脉冲的时间间隔仅为频率间隔的倒数（也就是 1/Δν），根据典型腔长，这个值约为 1—10 ns。此外，根据时间 -带宽傅里叶关系，脉宽 (τ) 与激光带宽的倒数成正比。由于激光带宽主要决定于介质的增益带宽，最窄的脉冲由增益带宽最大的激光器产生。锁模固体激光器的脉宽范围通常为 30 fs 到 30 ps，工作在高重复频率下，如兆赫兹到吉赫兹，产生中等脉冲能量，如皮焦耳到数十纳焦耳。结合腔倒空或者再生放大，以重复频率为代价（通常是千赫兹），可能实现更大的脉冲能量（如达到几毫焦耳）。

图 4 锁模激光器的频域（上）和时域（下）图，插图所示为时间与带宽的关系

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