脈沖激光的實(shí)現(xiàn)方法

導(dǎo)敘

以連續(xù)波模式工作的激光器的輸出功率不隨時(shí)間變化。這是由于激光器達(dá)到了一種激光腔增益（取決于與泵浦速率成正比的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）和損耗（包含腔損耗和受激輻射速率）保持平衡的穩(wěn)態(tài)條件。由于能夠顯著提高峰值輸出功率，所以通常希望激光器可以工作在脈沖模式。可以將連續(xù)激光輸出發(fā)送至外部調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)制器充當(dāng)一個(gè)只在短時(shí)間內(nèi)允許透過的開關(guān)（見圖 1，左）。這種簡單的方法有許缺點(diǎn)。由于大多數(shù)光被調(diào)制器阻擋，該方法的效率很低。

此外，峰值功率永遠(yuǎn)不會(huì)超過連續(xù)光源的平均功率。脈寬還受到調(diào)制器速度限制。更為有效的方法是采用內(nèi)部的腔內(nèi)調(diào)制過程（見圖 1，右）。通過在腔內(nèi)調(diào)制增益或者損耗，激光發(fā)射過程能夠被有效地開啟和關(guān)閉。能量既可以儲(chǔ)存在激光介質(zhì)中，作為能夠快速釋放從而實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射的大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也可以保持在諧振腔內(nèi)直到被允許逸出。這些方法可使脈沖激光輸出的峰值功率明顯超過連續(xù)激光器所能提供的。接下來討論使用內(nèi)部調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光脈沖的最常見的方法。

圖片1.png

圖 1 使用外部調(diào)制器（左）和內(nèi)部調(diào)制器（右）實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出的對比 [1]。

增益開關(guān)

對于穩(wěn)態(tài)激光，增益保持在一個(gè)閾值上，因?yàn)槭芗ぽ椛浜谋M粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的速率與通過泵浦產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的速率相當(dāng)。然而，如果增益介質(zhì)的泵浦速率遠(yuǎn)快于穩(wěn)態(tài)值，就會(huì)產(chǎn)生被稱作增益開關(guān)的瞬態(tài)效應(yīng) 。這種情況下，激光腔內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（以及增益系數(shù)）建立的速率要比受激輻射速率快得多。腔內(nèi)的光子經(jīng)歷巨大增益，導(dǎo)致激光強(qiáng)度的快速增加。這反過來引起了快速耗盡粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的顯著的受激輻射。結(jié)果就是產(chǎn)生短脈沖光（見圖 2）。增益開關(guān)是一種通過打開和關(guān)閉泵浦源來控制增益的調(diào)制方法。這可以通過閃光燈泵浦來完成，能夠產(chǎn)生微秒到毫秒范圍的脈沖。由于調(diào)制泵浦用電流非常簡單，增益開關(guān)最常應(yīng)用在半導(dǎo)體激光器中。這可以產(chǎn)生從納秒到幾十皮秒的脈沖，重復(fù)頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲。這種方法常用來產(chǎn)生用于光通信的激光源，光通信中希望有高重復(fù)頻率來提升單位時(shí)間內(nèi)通過的信息量。

圖片2.png

圖 2 用于產(chǎn)生脈沖激光的各種調(diào)制方法的示意圖，其中損耗（紅色）、增益（綠色）和激光輸出（藍(lán)色）為時(shí)間的函數(shù)。

Q開關(guān)

Q 開關(guān)也涉及到在激光增益介質(zhì)中存儲(chǔ)能量，但不是通過調(diào)制泵浦源來存儲(chǔ)。在確保腔體損耗很大的前提下，允許激光泵浦過程產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過典型閾值的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這可以阻止激光振蕩。通過在激光腔內(nèi)添加損耗來實(shí)現(xiàn)光學(xué)反饋抑制。實(shí)現(xiàn)大的反轉(zhuǎn)之后，腔內(nèi)反饋重新開啟。然后激光經(jīng)歷大大超過損耗的增益，存儲(chǔ)的能量以超短高強(qiáng)的光脈沖釋放（見圖 2）。品質(zhì)因數(shù)（Q）是腔內(nèi)存儲(chǔ)能量與每一次能量損耗的比值。由于這種調(diào)制方法將腔的Q 值從一個(gè)低值切換到一個(gè)高值，因此將其定義為 Q 開關(guān)。調(diào) Q 器件必須能夠快速調(diào)節(jié)腔的Q 值以產(chǎn)生短脈沖，通常可以分成主動(dòng)和被動(dòng)兩類。主動(dòng)器件需要外部操作來引入調(diào)制，包括聲光開關(guān)、電光快門和轉(zhuǎn)鏡。被動(dòng)器件基于元件的非線性光學(xué)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，比如有機(jī)染料或者半導(dǎo)體中的可飽和吸收。調(diào) Q 能夠產(chǎn)生大能量的納秒激光脈沖，脈沖能量可達(dá)到毫焦量級甚至更高。它們工作的重復(fù)頻率在數(shù)赫茲到千赫茲量級之間。

腔倒空

與上述通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在激光介質(zhì)中存儲(chǔ)能量的技術(shù)相比，腔倒空將能量存儲(chǔ)在諧振腔內(nèi)的光子中。保持腔鏡的透過率小到可以忽略，則諧振腔內(nèi)的損耗在一段時(shí)間內(nèi)保持在很低的水平，可有效束縛腔內(nèi)的光子，發(fā)射一個(gè)強(qiáng)脈沖。在一個(gè)來回之后通過切換內(nèi)腔元件將這個(gè)脈沖引出，從腔中“傾倒"出去（見圖 2）。光學(xué)開關(guān)通常為聲光調(diào)制器或者電光快門。腔倒空之于調(diào) Q 的一個(gè)優(yōu)勢在于后者在脈沖重復(fù)頻率增加時(shí)需要同時(shí)增加脈寬，而腔倒空可以允許非常高的重復(fù)頻率，比如數(shù)兆赫茲，同時(shí)保持幾納秒的脈寬。為了得到高于其他技術(shù)的脈沖能量，可以將腔倒空與其他脈沖產(chǎn)生技術(shù)相結(jié)合。

鎖模

上述脈沖產(chǎn)生技術(shù)輸出的脈沖局限在幾納秒量級。為了獲得脈寬低至數(shù)飛秒的超短脈沖，利用一種被稱作鎖模的技術(shù)，其中腔內(nèi)損耗在激光脈沖的往返時(shí)間內(nèi)進(jìn)行周期性調(diào)制。與其他基于激光腔內(nèi)瞬態(tài)效應(yīng)的方法不同，鎖模是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)過程。許多縱模參與激光發(fā)射過程，但是在到達(dá)腔鏡時(shí)彼此相位不一定相同，使得輸出功率隨機(jī)波動(dòng)。但是，如果這些激光模式能夠被耦合到一起使其在腔鏡處同相，就會(huì)發(fā)生相長干涉和相消干涉，從而產(chǎn)生超短脈沖（見圖 3）。這些模式的耦合是使用一個(gè)非常快速的內(nèi)腔快門來實(shí)現(xiàn)的，快門在激光脈沖的往返間隔內(nèi)工作，有效地協(xié)調(diào)這些模式的到達(dá)時(shí)間，從而鎖定它們的相位。像調(diào) Q 一樣，鎖模器件可以是主動(dòng)的或被動(dòng)的。主動(dòng)器件需要外部調(diào)制，包括各種強(qiáng)度和相位調(diào)制器。被動(dòng)器件依賴于適當(dāng)材料的非線性光學(xué)效應(yīng)，包括慢速、快速可飽和吸收以及與強(qiáng)度相關(guān)的折射率變化。

圖片3.png

圖 3 激光頻率的相位鎖定產(chǎn)生超短脈沖

增益帶寬內(nèi)的所有縱模可以同時(shí)發(fā)射激光，從而產(chǎn)生 NΔν 的激光帶寬。如果這些模式一起鎖定為同相，會(huì)彼此干涉，產(chǎn)生一系列時(shí)間上分離的強(qiáng)脈沖，其行為類似周期函數(shù)的傅里葉分量。如圖 4 所示，脈沖的時(shí)間間隔僅為頻率間隔的倒數(shù)（也就是 1/Δν），根據(jù)典型腔長，這個(gè)值約為 1—10 ns。此外，根據(jù)時(shí)間 -帶寬傅里葉關(guān)系，脈寬 (τ) 與激光帶寬的倒數(shù)成正比。由于激光帶寬主要決定于介質(zhì)的增益帶寬，最窄的脈沖由增益帶寬最大的激光器產(chǎn)生。鎖模固體激光器的脈寬范圍通常為 30 fs 到 30 ps，工作在高重復(fù)頻率下，如兆赫茲到吉赫茲，產(chǎn)生中等脈沖能量，如皮焦耳到數(shù)十納焦耳。結(jié)合腔倒空或者再生放大，以重復(fù)頻率為代價(jià)（通常是千赫茲），可能實(shí)現(xiàn)更大的脈沖能量（如達(dá)到幾毫焦耳）。