[科普中国]-多模激光器

定义

多模激光器是指同时产生两个或多个模发射光的激光器。

在有几个纵模同时振荡的激光器中，可观察到在单模激光器中未曾见到的一些效应。由于至今还没有提出一种“完善”处理多模激光器饱和效应的方法，因此一般情况下限于讨论兰姆的“三级”解，但即使在这种限制下，理论也是十分复杂的。通过对一个“三模”激光器的研究，可以确定气体激光器多模振荡的主要特点。在三模激光器中，场系由三个单色振荡组成，它们的频率分别等于或接近于谐振腔的三个共振频率1。

设计原则多模激光器的设计不同于单模激光器，一般选择较大的放电管内径，降低高阶模的衍射耗以获得大功率输出2。

输出特性未经锁模状态首先讨论未经锁模的所谓多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，可知其纵模的频率间隔，自由运转激光器的输出一般包括若干个超过阈值的纵模，这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。

假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，那么，激光器输出的光波电场是N个纵横电场的和。在一般情况下，这N个纵模的相位之间是无关的，即它们之间在时间上相互没有关联，完全是独立的、随机的。另一方面，各纵模的相位本身受到激光工作物质及腔长的热变形，泵浦能量的变动等各种不规则扰动的影响，还会产生各自的漂移，即它们在时间轴上是不稳定的。这样就破坏了各横纵模之间的相干条件，所以激光输出的总光场是各个不同频率光场的无规则叠加的结果，其光场强度也随时间无规则起伏。

锁模状态如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系，那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象：激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲。这就是说，该激光器各模的相位已按照常数关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为锁模技术。

模式锁定锁模的基本原理要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，即使各纵模相邻频率间隔相等并固定时，这一点在单横模的激光器中是能实现的。需分析激光输出与相位锁定的关系，为方便起见，可设多模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅，超过阈值的纵模共有2N+1个，处在介质增益曲线中心的模，其角频率为，初相位为0，其模序数q=0，即以中心模作为参考，各相邻模的相位差为α，及其模频率间隔，第q个振荡模，则可得到激光器输出总光场是2N+1个纵横相干的结果3。

锁模的方法锁模最早是在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锁模。后来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，后来又反过来推动了锁模技术的发展。1968年开始的横模锁定的研究，随后又进行了纵横模同时锁定的探讨。70年代开发了主动加被动、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。3

1.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，利用谐振腔内的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，对多个模的调制会产生边带，其频率与两个相邻纵模的频率一致。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，形成锁模序列脉冲3。

2.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实现的。可饱和吸收体是一种非线性介质，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的，当光场较弱时对光吸收很强，因此光透过率很低；随着激光强度增加吸收减少，当达到一个特定值时吸收饱和光透过率达100%，使强度最大的激光脉冲经受最小的损耗，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3。

3.自锁模

若激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件就可以实现纵模锁定的方法称为自锁模3。

4.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。如果要通过周期性的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序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获得比泵浦脉冲宽度小得多的脉冲。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可连续的3。