[科普中国]-锁模

锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度通常在皮秒（10负十二次方秒）甚至飞秒（10负十五次方秒）。该技术的理论基础是在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，这样产生的激光被称为锁相激光或锁模激光。这些模式之间的干涉会使激光产生一系列的脉冲。根据激光的性质，这些脉冲可能会有极短的持续时间，甚至可以达到飞秒的量级。

简介锁模最早是在He-Ne激光器内用声光调制器实现的，后在氩离子、二氧化碳、红宝石、钇铝石榴石等其他激光器中都用内调制方法实现了锁模。以后又出现了可饱和吸收染料锁模。随着锁模技术的发展，推动了超短脉冲测试技术的发展，后者反过来又推动了锁模技术的发展。1968年开始了横模锁定的研究，稍后又进行了纵横模同时锁定的探讨。70年代后开发了主动加被动、双锁模（损耗调制加相位调制）、锁模加调Q及同步锁模等技术的研究。最近又开发了碰撞锁模、自锁等新技术。本次主要讨论主动锁模、同步泵浦锁模、被动锁模等技术。

主动锁模主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。其依据是，利用谐振腔内一个受外部信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔的损耗或光程（振幅调制和相位调制）。当选择的调制频率与纵模的间隔相等时，对各个模的调制会产生边带，其频率与两个邻近纵模的频率一致。由于模之间的相互作用，使所有的模在足够强的调制下达到同步，各模将会发生相干叠加，形成锁模序列脉冲。

同步泵浦锁模主动锁模是通过周期性调制谐振腔的损耗或光程来实现的。如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。这种方法的优点在于周期性泵浦时可以获得比泵浦脉冲宽度小得多的脉冲宽度。此外，在同步泵浦染料激光器中，产生的超短脉冲的频率在一定的波长范围内是连续可调的。

被动锁模产生超短脉冲的另一种有效方法是被动锁模。此方法是把可饱和吸收体放在激光谐振腔内来实现的。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，它对激光频率有吸收跃迂的特性和较大的吸收截面。一旦激光器的辐射脉冲入射到这种吸收体，则吸收体分子吸收激光辐射，随着激光强度的增加，它的上能级粒子数也增加，当激光强度大于吸收体的饱和强度时，吸收体达到饱和，使强度最大的激光脉冲经受最小的损耗而自由通过它，从而得到很强的锁模脉冲。它类似于被动Q开关，但又有区别。被动锁模要求可饱和吸收体的上能级寿命特别短，同时放在腔内必须紧靠全反镜。1

锁模理论在一个简单的激光器中，这些模式都是独立的振荡的，因此模式之间没有固定地关系，就好像一组彼此独立、频率稍有不同的激光从激光器中同时射出一样。每一束光的相位都没有固定，而且相位可能因为各种原因产生随机的变化，例如激光器的工作材料的温度变化等等。在只有很少的几个振荡模式的激光器中，模式之间的干涉会产生激光输出的拍频现象，这会引起激光强度的随机波动。而在具有成千上万个模式的激光器，这些干涉现象会平均起来产生近似常数的输出强度，这种激光的工作方式被称为连续波。

如果不允许模式独立振荡，而是要求每个模式与其他模式之间保持固定的相位，激光输出就会有很大的不同特点。这时的输出强度不再是随机性的变化或者近似为常数，而是由于不同模式的激光周期性的建立起相生干涉，导致产生脉冲激光。这样的激光器被称为锁模或者锁相。这些激光脉冲的时间间隔为τ = 2L/c，其中τ是激光往返共振腔所需的时间。这个时间对应的激光器模式之间的频率间隔，也就是Δν = 1/τ。

脉冲的持续时间由同相振荡的激光的纵模数量决定。在现实的激光器中，并不是所有的激光纵模都会被锁相。如果相位锁定的模式数量为N，频率间隔为Δν，那么总的锁模激光带宽为NΔν，带宽越宽，激光发出的脉冲持续时间越短。在现实中，实际的脉冲持续时间还受到脉冲波形的影响，这个波形是由每个纵模的振幅与相位之间的关系决定的。例如，对于一个产生的脉冲时域波形为高斯形状的激光器来说，其最短的脉冲持续时间Δt为Δt=0.44/(N*Δν)。

其中的常数0.44被称为脉冲的时间带宽积，是一个与脉冲形状有关的常数。对于超短时间激光脉冲，其脉冲形状通常认为是双曲正割平方（sech），此时的时间带宽积为0.315。

通过这个等式，我们可以根据激光的频谱宽度计算出最短的脉冲持续时间。对于氦氖激光器，其频谱带宽为1.5吉赫，而它在这个带宽下所能产生的最短高斯形状脉冲大约是300皮秒，而对于钛掺杂蓝宝石固体激光器，它的带宽对应的脉冲持续时间将仅有3飞秒。这些数值表示的根据激光的带宽理论上所能产生的最短持续时间，而在实际的锁模激光中，脉冲持续时间还受到其它各种因素的影响，如真实的脉冲形状、激光腔的色散等等。

需要注意的是，从理论上说，随后的调制会进一步缩短脉冲的持续时间，然而频谱的宽度将会相应的增加。

锁模的方法最常用的锁模方法均属于以下两类中的一类：①由外加信号驱动的主动调制器进行锁模； ②借助于合适的非线性光学材料进行锁模。

为说明第一种方法，假设我们在腔内插入一个受外加信号驱动的调制器，于是产生一个以频率Δω'随时间作正弦变化的损耗．若Δω'≠Δω，则损耗将只对每个腔模的能量作振幅调制．然而若Δω'=Δω，则各个模所具有的振幅调制边带的频率将同邻近模的频率相重合，因此各个模将与它的两个邻近模互相交换功率，结果是所有模的位相趋于锁定。这种类型的锁模常称为调幅锁模。可以证明，若调制器放置得极为靠近一个端面反射镜，那么调幅（AM）锁模就会导致式 给出的位相关系。还有另一种用主动调制器进行锁模的方法，这种方法是依靠一种由频率Δω调制其光程长（而不是光损耗）的调制器。在这种情况下可以证明，位相锁定的方式与式 的方式不同。虽然如此，人们仍然得到其持续时间为振荡带宽倒数量级的短脉冲。因为这种调制器调制了腔长，因而也调制了腔的谐振频率，所以这种类型的锁模常称为调频锁模（FM）。2

锁模激光通常是指锁激光的纵模。激光器产生的激光通常包含不同的频率成分，每一种频率成分就称为一个纵模。相邻纵模的频率间隔为光速除以2倍腔长。虽然每个纵模的不同部分各自步调一致，但各纵模间步调却不相同。若光腔中有n个等光强纵模，则总光强等于一个模式的n倍。锁模就是使这n个纵模相互同步，锁模后叠加起来的光脉冲光强就提高n²倍（注意总的平均功率不增加）。3

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学