光学经典导读之九 Ultrafast Lasers 第九章 被动锁模
Ultrafast Lasers是由瑞士苏黎世联邦理工学院的Ursula Keller教授于2021年出版的最新著作。Keller教授的研究方向为超快激光物理,这本书是她近30年研究与教学的总结。该书共有12章,全面介绍了超快激光基本原理以及各种激光技术和实际应用。上期介绍了第八章:Q-switching,采用调Q技术通常可以产生微秒到次纳秒量级宽度的脉冲。本章主要介绍另外一种获得超短脉冲的方法—被动锁模,主要包括被动锁模原理和目前比较前沿的超快激光器两部分内容。
锁模分为主动锁模和被动锁模。第六章已经介绍过主动锁模,该技术的关键在于利用声光或者电光效应,在激光腔内引入周期性调制的损耗,调制周期为脉冲在腔内运转一周的时间。如图所示,在增益大于损耗的地方,就会形成脉冲,脉冲宽度接近净增益窗口的宽度,一般在几皮秒到几十皮秒量级。
对于被动锁模,引入损耗不需要外界的调制,而是由腔内运转的脉冲自身来触发,并且损耗的大小依赖于脉冲的光强:光强越大,损耗则相应降低;换句话说,脉冲中心处所经历的损耗比脉冲前后沿要小。具有这种性质的器件称为可饱和吸收体,第七章做过详细介绍。
被动锁模可以归结为三种被动锁模机制:
(1)慢饱和吸收体和动态增益饱和下的被动锁模。在这种机制下,初始损耗大于增益,脉冲经历的损耗要比增益先达到饱和,并且损耗比增益更快地恢复至初始状态。由于慢可饱和吸收体达到饱和时,增益也达到了饱和,因此净增益时间窗口很窄,可以形成超短脉冲。
(2)快饱和吸收体锁模。这是我们比较熟悉的锁模机制,在这种机制下,增益恒定,当脉冲经过时,可饱和吸收体迅速达到饱和,迅速恢复,净增益时间窗口很窄,从而形成超短脉冲。
(3)慢饱和吸收体和恒定增益锁模。在过去很长一段时间内,大家以为只有前两种机制才能产生超短脉冲。因为相比于前两种来说,第三种锁模机制净增益时间窗口较宽,所以这种锁模方式产生的脉冲宽度较宽。但利用孤子锁模机制,便可以产生脉宽短于净增益窗口的脉冲。这种情况下,可饱和吸收体主要发挥启动和稳定锁模的作用。进一步研究表明,即使不存在孤子锁模机制时也能实现稳定锁模,原因在于脉冲前沿损耗较大,并且脉冲在腔内每经过一圈,脉冲的中心都会向后沿偏移,随着后沿损耗增加,脉冲避免变宽。达到平衡的时候便达到锁模状态,实现超短脉冲输出。
自启动是衡量锁模激光器一个很重要的指标,下面对比上述几种锁模机制的自启动难易程度。快饱和吸收体增益窗口比较窄,虽然适合产生超短脉冲,但是由于其自振幅调制取决于脉冲的峰值功率,峰值功率又正比于脉冲宽度;当腔内无法产生窄脉宽的噪声脉冲时,自启动比较困难,比如克尔透镜锁模。相比之下,慢饱和吸收体由于自振幅调制只取决于脉冲能量,所以自启动则比较容易。主动锁模由于损耗是外来的正弦损耗信号,对于长脉冲来说损耗比较大,自启动也比较容易。
接下来从三个方面介绍一些前沿的超快激光器,主要包括:脉冲宽度、高平均功率和高重复频率三个方面。
首先是少周期脉冲产生。由于钛宝石由于具有超过400nm的增益带宽、相对较大的增益截面和高光学质量等优势,使得被动锁模钛宝石激光可以直接输出少周期脉冲。例如,利用棱镜对和啁啾镜补偿腔内的色散,钛宝石激光器可以输出宽度在5飞秒左右的超短脉冲。
在2000年以前,激光器和放大器几乎是平行发展的,虽然二者提供的平均功率相当,但是振荡器输出高重频、低能量脉冲,而放大器产生低重频、高能量脉冲。随着掺镱光纤放大器、掺镱薄片激光器的发展,脉冲的平均功率得到很大提升。上图是截止2020年的世界纪录,可以看到薄片放大器得到了200mJ的脉冲能量,利用光纤相干合成得到了最高平均功率为3.5KW的脉冲输出。
最后介绍一些重复频率在GHz量级的高重频激光器。高重频激光器在超快高精度测量方面有着重要应用。上图为截至2020年,不同种类的高重频激光器在峰值功率、脉冲宽度和脉冲能量三个方面的对比。其中在脉冲宽度和峰值功率方面,钛宝石激光器表现卓越,但脉冲能量普遍低于10nJ。
本章主要介绍了被动锁模原理和截止2020年在脉冲宽度、平均功率和高重频方面比较前沿的超快激光器。
原文标题:光学经典导读之九 Ultrafast Lasers 第九章 被动锁模
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